嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制系統的研究

作者：時(shí)間：2008-05-26 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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摘要：嵌入式設備與Internet結合將代表著(zhù)嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。文中嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能 控制系統將嵌入式操作系統與Internet網(wǎng)絡(luò )相結合，首先給出了基于Web服務(wù)器的嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能 控制系統的體系結構；然后，設計了軟件系統，并給出了嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制終端與Web服務(wù)器之間信息交換的報文格式，提出了調度服務(wù)器的參數計算方法和負載調度算法；最后，給出實(shí)驗結果和結論。
關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統；Web服務(wù)器；調度算法

1引言

隨著(zhù) Internet 技術(shù)的發(fā)展、信息家電的普及應用以及EOS（Embedded Operating System）的微型化和專(zhuān)業(yè)化，EOS 開(kāi)始從單一的弱功能向高專(zhuān)業(yè)化的強功能方向發(fā)展。以基于Internet為標志的嵌入式系統，正處在迅速發(fā)展的階段。目前大多數嵌入式系統還孤立于Internet之外，但隨著(zhù)Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結合日益密切，嵌入式設備與Internet的結合將代表著(zhù)嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。

本文所研究的嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端控制系統，以微處理系統直接與以太網(wǎng)連接的方式，將嵌入式操作系統和Internet 網(wǎng)絡(luò )有機地結合起來(lái)。以下將從嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制系統的體系結構、軟件系統兩部分進(jìn)行闡述。

2 嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制系統的體系結構

嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制系統的應用環(huán)境與網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1所示。圖1所示的拓撲結構由嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端、調度服務(wù)器、Web服務(wù)器組^[2]、Internet主機組成。嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端采用uCLinux操作系統^[1]，該終端直接與以太網(wǎng)相連，將數據傳送到Internet廣域網(wǎng)的Web服務(wù)器。調度服務(wù)器在該系統中起負載調度的作用，不至于Web服務(wù)器中的某個(gè)服務(wù)器負載過(guò)重。Web服務(wù)器組收集嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端系統的數據，應答廣域網(wǎng)主機的訪(fǎng)問(wèn)。廣域網(wǎng)中的主機可以隨機訪(fǎng)問(wèn)Web服務(wù)器獲取嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端的數據，有特定權限的主機并可以直接訪(fǎng)問(wèn)嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端。

圖1系統應用環(huán)境與網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端由微處理器、外部接口、網(wǎng)絡(luò )信息處理、電平轉換、擴展存儲器等幾部分組成，嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端的硬件結構如圖2所示。

圖 2嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端硬件結構

3 軟件系統

3.1嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端軟件體系結構

根據圖1所示的環(huán)境本文選用uClinux操作系統作為軟件系統開(kāi)發(fā)平臺，圖3顯示了軟件系統的整體構架。軟件系統分為兩個(gè)部分：受控對象軟件部分與嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端軟件部分。

受控對象軟件部分涉及傳感器如何收集受控對象的信號，如何驅動(dòng)受控對象和外設，怎樣將信號傳送到嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制終端。

嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端軟件部分涉及到內核的修改、操作系統的移植、文件處理、圖形用戶(hù)接口的設計、任務(wù)的處理、如何添加應用程序到uClinux中以及嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制終端與Web服務(wù)器之間信息的交換。

圖3 軟件系統的整體構架

3.2 嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制終端與Web服務(wù)器之間信息的交換

Web服務(wù)器是遠程設備導出信息的重要手段，它可以通過(guò)公共網(wǎng)關(guān)接口（CGI）的表單允許修改設備參數，從而進(jìn)行遠程監控^[2]。Web服務(wù)器已經(jīng)成為遠程管理，特別是那些沒(méi)有傳統用戶(hù)界面（如本文設計的嵌入式智能終端）的設備標準。Web瀏覽器可以與遠程設備進(jìn)行通信，并展示相應的數據。在圖1所示的拓撲環(huán)境中Web服務(wù)器、客戶(hù)機和嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端使用超文本協(xié)議^[3](HTTP)和網(wǎng)路編程來(lái)實(shí)現信息的交換和遠程管理。

HTTP是一種基于A(yíng)SCII的協(xié)議。HTTP在TCP/IP協(xié)議上面使用標準同步請求/應答模式、客戶(hù)機/服務(wù)器結構^[4]。當客戶(hù)機向HTTP服務(wù)器提出請求時(shí)，需要發(fā)送一個(gè)HTTP請求報文，該報文的格式如圖4所示。

圖4 HTTP請求報文格式

圖4顯示HTTP請求報文由請求行、可選報頭、可選報文報體字段組成。請求行建立后來(lái)活動(dòng)的舞臺?？蛇x報頭指出客戶(hù)機請求的協(xié)議，以及服務(wù)器在應答之前要了解的客戶(hù)機的信息。

HTTP請求報文包含很少的一些信息，但通過(guò)這些信息可以通知服務(wù)器它的“能力和偏好”。同樣HTTP應答也采用類(lèi)似的結構，在這里就不再闡述。

3.3 網(wǎng)絡(luò )數據的提交

實(shí)現嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端應用程序網(wǎng)絡(luò )數據提交（圖3軟件層中的應用程序）時(shí)，嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端與廣域網(wǎng)Web服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò )通信采用客戶(hù)/服務(wù)器模式方式，即uCLinux操作系統環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )編程。實(shí)現網(wǎng)絡(luò )編程（信息傳輸）包括以下五個(gè)基本過(guò)程：創(chuàng )建套接字：調用socket（）；綁定套接字：調用bind（）；創(chuàng )建連接：調用connect（）；監聽(tīng)連接：調用listen（）；建立連接：調用accept（）。

3.4調度服務(wù)器的調度算法

影響圖1所示的嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制系統可靠性的關(guān)鍵因素是調度服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò )性能，合理進(jìn)行參數計算和映射與負載定位是提升網(wǎng)絡(luò )性能的關(guān)鍵。

3.4.1 參數的計算和映射

CPU利用率能直接反映服務(wù)器的性能，以下給出linux操作系統中獲取CPU利用率過(guò)程，linux操作系統中通過(guò)讀取/proc/stat文件，該文件中記錄有sys、user、nice和idle變量。計算CPU利用率時(shí)只要兩次讀取這些變量，然后利用公式：

Total_1=user_1+nice_1+sys_1+idel_1；

Total_2=user_2+nice_2+sys_1+idel_2；

IntCpuRate=(int)(((float)((user_2+sys_2+nice_2)-(user_1+sys_1+nice_1))/(float)(total_2-total_1))*100)；

其中total_1為第一次讀取的參數總和，total_2為第二次讀取的參數總和。

對于其他的參數，例如緩沖區的大小，可以通過(guò)調用linux操作系統的系統函數ioct1()來(lái)獲取。

獲取對應的參數以后，再將對應的參數映射到負載定位算法中，在參數的轉換過(guò)程中主要采用的算法是動(dòng)態(tài)閥值算法^[5]。該算法的數學(xué)模型如下：

上式中B為系統接口緩沖區空間的容量，Qⁱ(t)為第i個(gè)Web服務(wù)器的隊列長(cháng)度，Q(t)為當前系統總隊列長(cháng)度，T(t)為不再連接會(huì )話(huà)的閥值參數，α為調節因子。上述公式可知，動(dòng)態(tài)閥值算法根據系統狀態(tài)動(dòng)態(tài)調整控制閥值，閥值的大小與當前系統中空閑的資源成正比，當某個(gè)Web服務(wù)器緩沖區空間超過(guò)閥值時(shí)，將阻塞該Web服務(wù)器，不再給該Web服務(wù)器分配負載。

3.4.2 負載定位策略

根據前面得到參數，將這些參數傳遞到調度服務(wù)器。調度服務(wù)器通過(guò)使用加權輪轉調度算法^[5]來(lái)選擇合適的服務(wù)器，即將負載定位到具體Web服務(wù)器上。定位策略的算法描述如下：

假設有一組Web服務(wù)器表示為S = {S₀, S₁, …, S_n-1}，W(S_i)表示W(wǎng)eb服務(wù)器 S_i的權值，變量 i表示上一次選擇的Web服務(wù)器，變量cw表示當前調度的權值，max(S)表示集合S中所有Web服務(wù)器的最大權值，gcd(S)表示集合S中所有Web服務(wù)器權值的最大公約數。變量 i 和cw最初都被初始化為零。算法描述如下：

while (true) {

if (i == 0) {

cw = cw - gcd(S);

if (cw = 0) {

cw = max(S);

if (cw == 0)

return NULL;

}

} else i = (i + 1) mod n;

if (W(S_i) >= cw)

return S_i; }

4實(shí)驗環(huán)境和結果

實(shí)驗拓撲結構采用如圖1所示的最簡(jiǎn)系統。嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能終端采用嵌入uClinux操作系統，并在uClinux操作系統添加相應的網(wǎng)絡(luò )通信程序。調度服務(wù)器采用Linux9.0作為操作系統并實(shí)現3.3節的調度算法。Web服務(wù)器組、Internet主機為常見(jiàn)的形式。圖5是利用Ethereal網(wǎng)絡(luò )協(xié)議分析器獲取的數據包的情況，該圖表明本文設計的系統和采用的算法有效。

圖5 獲取的數據包

5 結束語(yǔ)

實(shí)驗表明本文提出的系統結構、負載計算法和調度算法實(shí)現了嵌入式網(wǎng)絡(luò )智能控制終端的遠程控制。通過(guò)采用加權輪轉調度算法和動(dòng)態(tài)閥值算法解決了系統負載調度問(wèn)題，使得系統具有良好的網(wǎng)絡(luò )性能和較高的實(shí)際應用價(jià)值。該系統的實(shí)現為進(jìn)一步進(jìn)行嵌入式網(wǎng)絡(luò )遠程控制系統服務(wù)的研究搭建了一個(gè)良好的網(wǎng)絡(luò )平臺。

參考文獻

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