高速嵌入式遠程監控系統的研究與實(shí)現

摘要： 基于嵌入式網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，研究并實(shí)現了一種用于嵌入式設備的監控系統。該系統采用客戶(hù)端)服務(wù)器架構#通過(guò)在嵌入式設備中內建一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，可使得相應的嵌入式設備直接接入Internet。 同時(shí)用戶(hù)可使用標準的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器#通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對此設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)%控制和管理。

隨著(zhù)Internet的廣泛普及和通信技術(shù)的高速發(fā)展，大量基于TCP/IP的Internet應用可以被部署在嵌入式平臺之上，同時(shí)各種嵌入式設備可以和PC機一樣連入網(wǎng)絡(luò )之中。由此發(fā)展的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(EI)解決了不同網(wǎng)絡(luò )與Internet之間連通的問(wèn)題，使得通過(guò)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò )中嵌入式設備的在線(xiàn)遠程訪(fǎng)問(wèn)、控制與管理成為可能。目前，對分布在Internet網(wǎng)絡(luò )中的嵌入式設備進(jìn)行高效、可靠的集中遠程控制和管理成為嵌入式技術(shù)中較為高端的課題。

本文詳細論述了一種通過(guò)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制在線(xiàn)嵌入式設備的遠程監控系統。本系統采用了客戶(hù)端/服務(wù)器(C/S)模式。通過(guò)簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現了嵌入式Web服務(wù)器(EWS)功能。將EWS安裝到設備中，從而使得嵌入式設備可以通過(guò)Internet互聯(lián)，同時(shí)可提供網(wǎng)絡(luò )管理頁(yè)面，使用戶(hù)可用標準的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器對眾多設備進(jìn)行在線(xiàn)遠程訪(fǎng)問(wèn)、控制和管理，將時(shí)間與距離的限制降到最低。

1 控制系統架構

微處理器(MPU)和微控制器(MCU)用于嵌入式設備的監視和控制，成為嵌入式系統的核心。為了在不同的MPU/MCU間相互通信，許多工業(yè)項目采用RS-232、RS-485及CAN等通信標準，但這些途徑的通信速度和距離都有較大局限性，若要將其與Internet互聯(lián)需要特殊的嵌入式網(wǎng)關(guān)的支持，給實(shí)際使用造成很大的不便。EI是一種用于嵌入式設備接入Internet的互聯(lián)技術(shù)，它可使嵌入式設備方便可靠地接入Internet中。

為了使嵌入式設備可以連接到Internet并讓用戶(hù)通過(guò)標準的Web瀏覽器對其進(jìn)行操作，EI的關(guān)鍵技術(shù)在于使嵌入式設備可以支持HTTP服務(wù)并具有Web服務(wù)器的功能。對于網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)而言，EWS提供了一個(gè)基于Web的圖形界面，以便于其對接入Internet的多種嵌入式設備進(jìn)行統一的標準化管理，而不再需要特殊的專(zhuān)用協(xié)議和管理軟件。監控系統的架構如圖1所示。

在本系統中，EWS內嵌于設備中并通過(guò)串口連接設備，每個(gè)設備都具有自身的IP地址，經(jīng)內部EWS由RJ-45接口接入本地局域網(wǎng)(LAN)中(本實(shí)驗中，LAN為以太網(wǎng))。一方面EWS讀取設備狀態(tài)信息并將其發(fā)送給本地或遠程用戶(hù)；另一方面則接收控制指令并發(fā)送給設備。而更大范圍的廣局網(wǎng)通信則可通過(guò)Internet或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。

2 EWS的設計與實(shí)現

2.1 軟件架構

本系統采用瀏覽器/服務(wù)器的結構實(shí)現，其中包括兩部分——網(wǎng)絡(luò )瀏覽器與EWS，EWS通過(guò)嵌入式網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現其功能。在實(shí)際應用中，EWS被配置在嵌入式設備中，作為設備的一部分而存在，這使得該設備無(wú)需更多改動(dòng)或配置即可直接接入網(wǎng)絡(luò )。與此同時(shí)EWS還內建了TCP/IP協(xié)議棧、嵌入式文件系統、設備網(wǎng)關(guān)及硬件接口等組件，其基本架構如圖2所示。

在該架構中，嵌入式文件系統對事先配置的監控頁(yè)面進(jìn)行存儲和管理。嵌入式設備網(wǎng)關(guān)實(shí)現了TCP/IP與實(shí)際使用的特定設備自身控制協(xié)議之間的相互轉換，從而實(shí)現了雙向透明通信。兩種不同結構的網(wǎng)絡(luò )便可通過(guò)嵌入式設備相互連接，而硬件接口則負責EWS、硬件設備及網(wǎng)絡(luò )之間的連接。

當本系統工作時(shí)，首先EWS接收到來(lái)自局域網(wǎng)的客戶(hù)端基于網(wǎng)址的請求并回應該請求。通過(guò)回應事先配置好并存放在嵌入式文件系統中的監控網(wǎng)頁(yè)界面，用戶(hù)可通過(guò)標準的瀏覽器向遠端設備發(fā)送指令。該指令經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳送后被設備網(wǎng)關(guān)接收，設備網(wǎng)關(guān)將其翻譯為專(zhuān)用指令并進(jìn)一步傳遞給硬件設備本身。與此同時(shí)，設備數據或信號也被傳輸給遠程客戶(hù)端以供用戶(hù)查看。

2.2 簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議棧

嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效地解決了嵌入式設備接入因特網(wǎng)的問(wèn)題，使得這些設備可通過(guò)普通的瀏覽器進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)和控制，如何將TCP/IP協(xié)議棧內嵌到設備中是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。傳統的TCP/IP協(xié)議棧相對比較龐大復雜并需要固定的系統資源支持，而大部分嵌入式設備都采用8位或16位MCU，其運算能力和系統資源比較薄弱。若直接將傳統的TCP/IP協(xié)議棧接入設備，則大部分運算時(shí)間和系統資源都將被占用，這對系統的整體性能影響很大。為了解決此矛盾，在設計該監控系統時(shí)根據具體情況選用了成熟的LWIP協(xié)議棧以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )功能，同時(shí)最大限度地減少系統資源消耗并提高了可靠性。

LWIP(Light-weight Internet Protocol)是瑞士計算機科學(xué)院的Adam、Dunkels等人開(kāi)發(fā)出來(lái)的一套用于嵌入式系統的開(kāi)放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。從系統需求上，LWIP既可移植到操作系統上，又可在無(wú)操作系統的情況下獨立運行。并且LWIP協(xié)議棧在保持了TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎上， 減少了對RAM的占用。只需容量幾十KB的RAM和40 KB的ROM就可以運行，使得LWIP協(xié)議非常適合在嵌入式系統中使用。其主要特點(diǎn)有：

　　(1)支持多網(wǎng)絡(luò )接口下的IP轉發(fā)。

　　(2)支持網(wǎng)間控制報文協(xié)議ICMP(Internet Control Messages Protocol)。

　　(3)包含有實(shí)驗性擴展的用戶(hù)數據報協(xié)議UDP(User Datagram Protocol)。

　　(4)包括阻塞控制、RTT估算和快速恢復及快速轉發(fā)的傳輸控制協(xié)議TCP(Transfer CONtrol Protocol)。

　　(5)具有專(zhuān)門(mén)提供的內部回調應用編程接口Raw API(Application Programming Interface)，可用于提高應用程序性能。

　　(6)帶有可選擇的Berkeley接口A(yíng)PI(多線(xiàn)程情況下)；能支持動(dòng)態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)和動(dòng)態(tài)分配IP地址。

LWIP協(xié)議棧的內部分層結構如圖3所示。經(jīng)分析和實(shí)際測試，該協(xié)議?？稍?6位MCU順利運行并可滿(mǎn)足本監控系統的全部功能需求。

2.3 嵌入式文件系統

在實(shí)際工作時(shí)，根據客戶(hù)端瀏覽器的請求，EWS將相應的管理頁(yè)面發(fā)送至客戶(hù)端。因此對于本系統來(lái)說(shuō)，必需要實(shí)現對這些頁(yè)面文件的存儲和訪(fǎng)問(wèn)管理，為此在本系統中內建了一個(gè)嵌入式文件系統以便于對Flash中的頁(yè)面文件及其他數據進(jìn)行管理和訪(fǎng)問(wèn)控制。

本系統中，文件系統根據文件的名稱(chēng)、長(cháng)度及起始地址對其進(jìn)行管理。在結構上，該文件系統并未采用多級目錄，而是將所有的文件都列于單個(gè)根目錄之下。這種目錄結構雖然并不適合于容量快速增加的文件系統，但定位和提取文件的速度有較大的優(yōu)勢。

當本監控系統的文件需要進(jìn)行較大的變更時(shí)，可通過(guò)TFTP協(xié)議對文件系統進(jìn)行重構。雖然這種文件系統的結構和功能比較簡(jiǎn)單，但可滿(mǎn)足絕大多數情況下嵌入式互聯(lián)網(wǎng)的需求，即頻繁地文件訪(fǎng)問(wèn)和較少地文件變更。

3 實(shí)際應用和測試

本監控系統已在無(wú)線(xiàn)電信號監測項目中得到應用，其硬件平臺為遠程無(wú)人監測站，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )接收用戶(hù)指令并將監測數據上傳。在這個(gè)項目中，測量?jì)x器通過(guò)本監控系統中的EWS接入互聯(lián)網(wǎng)中，測量?jì)x器本機采用Megatec協(xié)議。遠程用戶(hù)指令由EWS翻譯成Megatec協(xié)議格式再交由儀器執行，同時(shí)將監測數據回傳給客戶(hù)端。從功能上來(lái)說(shuō)，客戶(hù)可執行如下操作：

　　(1)實(shí)時(shí)或定時(shí)獲取遠程無(wú)人站的測量數據。

　　(2)實(shí)時(shí)監控遠程無(wú)人站的狀態(tài)和參數。

　　(3)對遠程無(wú)人站的運行參數進(jìn)行配置，以便于滿(mǎn)足預定的或突發(fā)狀態(tài)的需求。

本項目中的主監控界面如圖4所示。

本文研究并實(shí)現了一種基于EI的遠程監控系統。該系統采用客戶(hù)端/服務(wù)器的結構。通過(guò)在嵌入式設備中內建一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，本監控系統可使嵌入式設備直接接入Internet，同時(shí)用戶(hù)可使用標準的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器對嵌入式設備進(jìn)行遠程管理和控制。本系統已在無(wú)線(xiàn)電監測項目中得到實(shí)際應用，成功地獲取了遠程無(wú)人監測站的監測數據并可對監測站進(jìn)行控制。由此，其設計功能全部得以實(shí)現。實(shí)際測量數據顯示本監控系統的數據響應時(shí)延為毫秒級，此項指標可以滿(mǎn)足絕大多數遠程監控項目的需求。