Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及控制在物聯(lián)網(wǎng)中的應用設計

引言
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統將不斷地和網(wǎng)絡(luò )相結合。嵌入式Web技術(shù)是計算機領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)成本低、通用性強，能運行在8位或16位MCU環(huán)境中，其豐富的Web用戶(hù)圖形界面使得嵌入式設備具有極好的交互性。因此，一旦在嵌入式設備中集成了Web服務(wù)，就能實(shí)現用戶(hù)與嵌入式設備低成本、高通用性的信息交流，即客戶(hù)端利用HTTP瀏覽器(如IE)，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現與嵌入式設備的信息交互?？梢哉f(shuō)，嵌入式Web的應用必將極大地促進(jìn)嵌入式設備，特別是低端控制設備、儀器、儀表的信息化，最終將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的各種應用。
在MCU上開(kāi)發(fā)Web服務(wù)器的難點(diǎn)在于其資源有限。相比臺式機PC(幾個(gè)GB的雙核CPU，幾個(gè)GB的內存和幾百個(gè)GB的硬盤(pán))來(lái)說(shuō)，嵌入式系統的各種硬軟件資源少得可憐。在嵌入式系統中實(shí)現復雜的Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及Web控制，既沒(méi)有必要也不現實(shí)。因此，如何緊緊圍繞嵌入式系統的具體應用要求，恰當地實(shí)現Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及Web控制，進(jìn)而實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)應用是一個(gè)需要解決的技術(shù)難題。

1 嵌入式Web服務(wù)的一般實(shí)現方法
目前，嵌入式設備中通常使用的Web服務(wù)器有Apache、httpd、Boa、Thttpd和mini-httpd等。常用的實(shí)現動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面的技術(shù)主要有CGI、ASP、PHP、JSP、Java、ISPI等。其中，Boa是一個(gè)運行在類(lèi)Unix系統中的小型Web Server，雖然功能比較齊全，但很多功能(如virtual hos-t，內存使用量較大)對嵌入式應用而言是冗余的；Apache功能較強大，但占用空間太多(需要幾MB空間，其他Web服務(wù)器只需要幾百KB)；PHP 可擴展性較差，安全性不高；標準的CGI需要用到文件、進(jìn)程等操作。
為節省資源、提高效率，嵌入式環(huán)境下現應用較多的是嵌入式動(dòng)態(tài)Web實(shí)現方法，一般采用“Apache+PHP”或者是“Boa+CGI”技術(shù)。然而，在低端的嵌入式設備中，特別是8位MCU的儀器、儀表中，因為受資源尤其是存儲資源的限制，要用上述思路來(lái)實(shí)現嵌入式Web服務(wù)不太現實(shí)，畢竟對于低端的嵌入式設備而言，移植操作系統是一件奢侈的事情。

2 嵌入式Web動(dòng)態(tài)服務(wù)的改進(jìn)思路及實(shí)現
考慮到嵌入式Web服務(wù)器的應用領(lǐng)域多數是專(zhuān)門(mén)的控制設備儀表，絕大多數控制設備儀表的工作流程都是基本固定的，所以可以考慮采用某種固定的交互模式來(lái)控制這些儀表。能否用這種思路進(jìn)行設計的關(guān)鍵是要弄清下面兩個(gè)問(wèn)題：第一，嵌入式Web服務(wù)器的功能有哪些?第二，這些功能是否固定，是否需要擴展?如果這種功能既不是很復雜，又相對固定，那么就可以按照這種思路進(jìn)行設計，而完全沒(méi)有必要用CGI、ASP等Web動(dòng)態(tài)服務(wù)技術(shù)來(lái)實(shí)現Web動(dòng)態(tài)服務(wù)。遵照這一思路，本文實(shí)現如下：
①將顯示界面不變的部分作為一個(gè)靜態(tài)頁(yè)面，以HTML格式存儲在ROM中，以方便MCU直接操作。這樣設計后，需要注意的問(wèn)題是，MCU的ROM空間是否能同時(shí)存儲程序代碼和網(wǎng)頁(yè)HTML代碼。筆者所設計的嵌入式Web服務(wù)器的程序代碼量有28 KB，而HTML代碼量有2～3 KB，采用的MCU(即W78E58B)有32 KB ROM空間，因此采用這種設計思路完全可行。
②利用替換法提供Web動(dòng)態(tài)服務(wù)。對需要動(dòng)態(tài)改變的內容部分作特殊標記，例如，環(huán)境溫度值為“TAG：Temperature”，網(wǎng)頁(yè)長(cháng)度為“TAG：PageLen”。程序運行時(shí)，先將靜態(tài)頁(yè)面由ROM讀入內存，然后將環(huán)境溫度值和網(wǎng)頁(yè)長(cháng)度值傳送到服務(wù)器節點(diǎn)，服務(wù)器讀取實(shí)際值并存入內存，再用實(shí)際值代替標記，生成一個(gè)新的頁(yè)面并將其送給瀏覽器，這樣用戶(hù)看到的就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的頁(yè)面。
③經(jīng)過(guò)上述設計后，網(wǎng)頁(yè)文件的值是動(dòng)態(tài)的，但不是實(shí)時(shí)的?？梢圆捎萌缦滤悸穼?shí)現實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)服務(wù)：利用HTML語(yǔ)言的meta httpequiv =“Refresh”content=“秒數”；url=“跳轉的URL”>來(lái)實(shí)現網(wǎng)頁(yè)內容的自動(dòng)更新，其刷新時(shí)間由文件開(kāi)頭語(yǔ)句中的content的內容決定。該值可根據具體應用需求進(jìn)行設置，例如筆者設計的刷新時(shí)間為2 s。
按照這種設計實(shí)現后，網(wǎng)頁(yè)文件就能在2 s范圍內實(shí)時(shí)顯示系統通過(guò)溫度傳感器采集來(lái)的環(huán)境溫度。

3 嵌入式Web控制的實(shí)現
按照上述思路可實(shí)現服務(wù)器對客戶(hù)端的Web動(dòng)態(tài)服務(wù)。然而在實(shí)際的嵌入式應用中，僅僅一個(gè)Web動(dòng)態(tài)服務(wù)是不夠的，它還應支持客戶(hù)端數據上傳到服務(wù)器，以達到通過(guò)客戶(hù)端來(lái)控制服務(wù)器的目的。
那么，如何實(shí)現客戶(hù)端對服務(wù)器端的控制呢?遵照上述設計思路，并結合HTTP請求中的POST命令來(lái)實(shí)現簡(jiǎn)單的Web控制。實(shí)現過(guò)程如下：
①在網(wǎng)頁(yè)文件中實(shí)現如下表單：

②在嵌入式Web服務(wù)器的HTTP接收模塊中分析HTTP請求的POST數據，當LEDCtr1=0時(shí)，發(fā)送指令點(diǎn)亮LED燈，否則熄滅LED燈。

4 功能測試
測試時(shí)可將嵌入式Web服務(wù)器與客戶(hù)端主機直接相連，并利用PC機的IE瀏覽器實(shí)時(shí)讀取服務(wù)器測量的環(huán)境溫度，結果如圖1所示。左圖是測量的當前環(huán)境溫度顯示的結果，右圖是當采用物理手段(如利用打火機燒烤傳感器)以提高環(huán)境溫度后顯示的結果。由圖可知，嵌入式Web服務(wù)器能完成正常的Web動(dòng)態(tài)服務(wù)。經(jīng)實(shí)踐驗證，服務(wù)器系統LED燈的亮／滅完全可由圖1所示的亮／滅控件來(lái)控制，也就是說(shuō)已成功實(shí)現了Web控制。

5 結論
筆者分析了當前嵌入式系統實(shí)現Web動(dòng)態(tài)服務(wù)的幾種思路，以采集環(huán)境溫度、控制LED燈的亮／滅為例，給出一種在嵌入式設備中實(shí)現Web動(dòng)態(tài)服務(wù)與Web控制的實(shí)現思路，并在給出實(shí)現結果的基礎上驗證了該設計思路的可行性。這為嵌入式設備，特別是低端嵌入式設備中順利實(shí)現Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及Web控制，進(jìn)而實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打下了堅實(shí)的基礎。