嵌入式Web污染源自動(dòng)監測系統

1 引言
環(huán)境污染問(wèn)題一直備受重視。雖然我國污染源監測體系和能力都有一定的基礎，但污染源監測工作仍存在一些急待解決的問(wèn)題，如在線(xiàn)自動(dòng)化程度低．信息處理的及時(shí)性與管理工作的需要不相適應，各個(gè)監測系統相互獨立等。因此，一個(gè)能夠滿(mǎn)足現實(shí)需要的污染源自動(dòng)監測系統具有重大的社會(huì )意義。
目前污染源監測系統較多是基于8位或16位的處理器，且其通信方式大多為撥號方式、GSM短信方式和串行方式，導致系統功能弱，投資大，監測范圍小。這里采用低成本的基于32位ARM7處理器的嵌入式服務(wù)器，并順應監測系統從集中式控制轉向分散式的網(wǎng)絡(luò )控制的趨勢，結合Intemet技術(shù)和Web技術(shù)，從以前的C／S式管理轉向B／S式管理，設計并實(shí)現嵌入式Web污染源自動(dòng)監測系統。

2 系統硬件平臺設計
硬件平臺是嵌入式系統的基礎．其性能直接影響整個(gè)系統性能的發(fā)揮和功能的實(shí)現。該系統從系統功能要求和價(jià)格兩方面綜合考慮，選擇Atmel公司的AT91SAM7X系列微處理器(主要使用7X256型)為核心，并根據系統功能需要配以網(wǎng)絡(luò )接口器件、外置Flash、SD/MMC卡接口、EEPROM、污染源測量變送器接口、日歷時(shí)鐘器件等。該系統的硬件結構框圖如圖1所示。

AT91SAM7X系列微處理器是Atmel公司基于32位ARM7TDMI核的微處理器．包括AT9lSAM7X128/256/512型，它們只是片內Flash和SRAM容量不同，在應用中可根據程序的內存需求選擇合適的型號以節省成本．而只需要對程序進(jìn)行極少的修改(因AT91SAM7X512的片內Flash由2個(gè)功能塊組成，故需要操作2個(gè)嵌入式Flash控制器EFC實(shí)現對片內Flash的操作)。AT91SAM7X256集成256 KB的片內Flash和64 KB的SRAM，EMAC(以太網(wǎng)MAC)、USART(異步收發(fā)器)、SPI(串行外圍接口)、TWI(雙線(xiàn)接口)、PIO(并行輸入輸出控制器)和眾多監管功能，完全符合該系統的要求。其中片內Flash用于存儲BootLoader、系統內核、各種應用程序的代碼和靜態(tài)變量、常量等，而SRAM則用于存儲程序運行時(shí)使用的各種變量和堆棧信息等。
網(wǎng)絡(luò )的連接方式選擇以太網(wǎng)方式接入Intemet。RTL8201BL是一個(gè)單端口的10／100 M快速以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(PHY)，微處理器內的EMAC通過(guò)MOID對其進(jìn)行控制和傳輸方式、速率等的同步，并使用MII(媒體獨立接口)與其進(jìn)行數據交互實(shí)現數據收發(fā)，采用RJ45接口接入以太網(wǎng)。在數據采集方面，系統采用高速的污染源測量變送器接口連接污染源專(zhuān)用監測設備，同時(shí)輔以RS232接口和CAN接口以兼容其他接入方式的設備，完成對各種智能儀表的數據采集和設備控制；并采用外置Flash和SD／MMC卡作為外存儲器，存儲采集到的歷史數據和Web服務(wù)器所需的靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)文件、用戶(hù)信息文件等。而污染源數據采集需要使用精準的時(shí)間校準，為此，使用串行日歷器件為數據采集提供時(shí)間信息。
此外，污染源監測系統的工作環(huán)境一般較為惡劣，因此采用看門(mén)狗電路(WDT)使系統在受到強干擾而出現異常時(shí)能自動(dòng)復位，從而保證系統正常工作。系統運行所需的配置信息，包括網(wǎng)絡(luò )參數、運行參數、采集參數等則存儲于EEPROM中，并通過(guò)CRC校驗和使用鎖存引腳WP保證數據的完整性。

3 系統軟件平臺設計
3．1 軟件平臺總體結構
該系統的軟件平臺由操作系統層、系統服務(wù)層、應用層組成。其系統軟件結構層次如圖2所示。

該系統對實(shí)時(shí)性要求較高，且內存資源有限，這里選擇μC／OS-II，它是一個(gè)開(kāi)源、可移植的、搶占式的實(shí)時(shí)操作系統，無(wú)TCP/IP協(xié)議棧功能，需通過(guò)擴展實(shí)現。LWIP是一套嵌入式系統的開(kāi)源TCP／IP協(xié)議棧。它采用“零拷貝”技術(shù)且占用內存很少，該系統對其進(jìn)行移植和適當剪裁，僅保留系統功能所需的協(xié)議。
為了實(shí)現操作系統的移植和上層軟件的開(kāi)發(fā)，必須提供各種硬件的控制。設備驅動(dòng)用于控制外圍設備，主要包括外置Flash、SD／MMC、日歷時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò )、EEPROM、污染源測量變送器接口等的驅動(dòng)。而板級支持包是根據微處理器開(kāi)發(fā)包編寫(xiě)的用于控制微處理器內各功能部件的程序庫。硬件抽象層屏蔽硬件設備型號差異和操作系統的一些細節，把設備驅動(dòng)抽象為統一的接口，其功能主要有以下3方面：(1)為了實(shí)現平臺無(wú)關(guān)，LWIP通過(guò)操作系統仿真層與操作系統和網(wǎng)絡(luò )接口交互，該系統通過(guò)在硬件抽象層中實(shí)現該功能完成協(xié)議棧的移植；(2)在外置Flash和SD／MMC上建立μC／FS文件系統時(shí)，需要借助硬件抽象層控制這些設備而無(wú)須了解其細節；(3)同樣，應用層軟件可通過(guò)系統調用方式控制底層設備，使得其工作與底層更加獨立有效。
嵌入式Web服務(wù)器需要使用到網(wǎng)頁(yè)文件、用戶(hù)信息和設備采集到的歷史數據等，數據量較大，必須放置于外存儲器。而使用文件系統可以方便對這些信息實(shí)現保存和讀取等操作，因而該系統通過(guò)移植μC／FS，在外置Flash和SD／MMC卡上建立文件系統。將對于實(shí)時(shí)性要求較高的網(wǎng)頁(yè)文件和用戶(hù)信息存儲于讀寫(xiě)速率較快但容量較小的外置Flash中，而歷史數據等對實(shí)時(shí)性要求相對較低且數據量較大的信息則存儲于SD／MMC卡中。
控制軟件是系統和監測設備的控制中心，其承擔的任務(wù)是：對上執行Web服務(wù)器的控制指令和上傳數據，對下控制各個(gè)儀表的工作和采集設備的原始數據并對其進(jìn)行預處理．同時(shí)配置系統的運行參數?？刂栖浖捎媚K化設計，主要包括采集、控制、預警、系統配置和存儲查詢(xún)5個(gè)模塊。其中．采集模塊負責對設備數據的采集和預處理；控制模塊用于解析并執行對設備的控制指令；預警模塊負責監視設備是否正常運行，同時(shí)對超標數據做出相應的警報處理；系統配置模塊用于配置系統的運行參數、設備的采集參數和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的生成規則：存儲查詢(xún)模塊完成歷史數據、報警信息和運行記錄等的永久存儲與快速查詢(xún)功能。
Web服務(wù)器是整個(gè)軟件平臺的應用核心，它通過(guò)接收并響應用戶(hù)的HTTP請求實(shí)現污染源的在線(xiàn)自動(dòng)監測。
3．2 Web服務(wù)器設計
該系統采用瘦服務(wù)端一胖客戶(hù)端模式，通過(guò)簡(jiǎn)化HTTP的一些機制從而精簡(jiǎn)Web服務(wù)器，其工作原理如圖3所示。

在服務(wù)器端，HTTP引擎是整個(gè)Web服務(wù)器的核心，負責接收和響應來(lái)自客戶(hù)端的HTTP請求，是通過(guò)采用有限狀態(tài)機的機制實(shí)現的。HTTP引擎在與客戶(hù)端建立可靠的TCP連接(通常采用80端口)后，接收客戶(hù)端的請求，通過(guò)解讀請求中的HTTP協(xié)議報文信息來(lái)獲得客戶(hù)端請求的類(lèi)型(Ajax請求還是普通請求)和內容，并進(jìn)行用戶(hù)權限驗證。當請求類(lèi)型為普通網(wǎng)頁(yè)請求時(shí)，它首先讀取存儲于文件系統中的網(wǎng)頁(yè)模板，然后經(jīng)過(guò)EL(表達式語(yǔ)言)處理進(jìn)行關(guān)鍵字替換生成新的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)作為響應內容；當請求類(lèi)型為Aiax請求時(shí)，它則通過(guò)CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)調用與控制軟件進(jìn)行交互，更改設備控制、系統配置并獲得實(shí)時(shí)數據，把所得數據或操作結果作為響應內容。最后為響應內容加以合適的HTTP包頭回傳到客戶(hù)端。以上功能均通過(guò)使用C語(yǔ)言編程完成，以獲得高效的Web服務(wù)器。
Ajax處理為客戶(hù)端的核心部分。常規的Web應用是采用網(wǎng)頁(yè)刷新機制，強制用戶(hù)進(jìn)入提交／等待／重新顯示，客戶(hù)端每次刷新數據都要求服務(wù)器端傳送整頁(yè)數據，而其中只有極少數據是需要更新的實(shí)時(shí)數據．因此，網(wǎng)絡(luò )傳送大量冗余信息，嚴重影響實(shí)時(shí)性。與此不同，Ajax應用可以?xún)H向服務(wù)器發(fā)送并取回必需的數據，大大減少傳輸的數據量，從而提高測控的實(shí)時(shí)性。Ajax處理根據用戶(hù)操作要求向服務(wù)器發(fā)出異步的Ajax請求以執行所需要的更新，并采用異步方式處理服務(wù)器的響應，當請求返回時(shí)，使用JavaScript和CSS相應地更新UI；而VML(矢量可標示語(yǔ)言)處理則完成數據的可視化工作，生成監測所需的各種動(dòng)態(tài)圖表。以上功能主要通過(guò)Html+Javascript語(yǔ)言并輔以VML實(shí)現。
3．3 監測系統功能設計
嵌入式Web污染源自動(dòng)監測系統通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )對監控對象進(jìn)行全天候的遠程實(shí)時(shí)監控并對監測儀器進(jìn)行遠程管理，同時(shí)具有便捷有效的系統管理功能。該系統主要實(shí)現以下功能：
(1)用戶(hù)認證負責用戶(hù)權限的管理，提供用戶(hù)的系統登陸和退出功能。
(2)實(shí)時(shí)監控 以圖表和動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖方式實(shí)時(shí)地顯示嵌入式Web服務(wù)器采集到的監控設備數據及其變化趨勢。
(3)設備管理包括遠程設備控制和狀態(tài)查看兩大功能。遠程設備控制實(shí)現用戶(hù)通過(guò)對網(wǎng)頁(yè)的操作來(lái)完成對遠程監控設備的各種控制；而狀態(tài)查看則用于查看遠程設備的運行狀態(tài)信息。
(4)系統參數配置 用于查詢(xún)和配置系統運行和設備采集所需的各種參數，主要包括網(wǎng)絡(luò )參數、系統時(shí)間、報警參數、采集參數等。其中網(wǎng)絡(luò )參數主要包括服務(wù)器的MAC地址(只能讀取)、IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)等；系統時(shí)間則是指讀取和設置串行日歷器件中的時(shí)間；報警參數主要包括報警策略、報警動(dòng)作和報警設備參數：采集參數則包括采集數據的采集間隔、名稱(chēng)、單位、上下限、系數、偏移等。
(5)系統維護 包括系統運行狀態(tài)和日志查看及系統在線(xiàn)更新功能。系統運行狀態(tài)主要包括服務(wù)器CPU的使用情況，用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)和最大并發(fā)任務(wù)數等；而日志查看則用于查看用戶(hù)對系統進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和操作的記錄；系統在線(xiàn)更新支持管理員通過(guò)Intemet來(lái)完成系統的升級更新。
(6)用戶(hù)管理 用于實(shí)現對系統用戶(hù)進(jìn)行添加、刪除和修改當前用戶(hù)的密碼。
此外，為了提高系統的可移植性和可擴展性，網(wǎng)頁(yè)在設計時(shí)獨立于工程而只與功能相關(guān)。當需要應用某個(gè)具體工程時(shí)，用戶(hù)只需配置與該工程相關(guān)的各種系統參數(如工程名稱(chēng)、安裝地點(diǎn)等)，服務(wù)器便可根據配置參數和模板網(wǎng)頁(yè)自動(dòng)生成當前工程的新的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。

4 系統性能測試
從功能正確性和服務(wù)器性能兩方面對該系統性能進(jìn)行測試。正確性測試主要包括以下5方面：頁(yè)面跳轉、功能驗證、數據檢驗、權限驗證、用戶(hù)會(huì )話(huà)?？蛻?hù)端通過(guò)IE瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送HTTP請求．如果可以正確返回所需網(wǎng)頁(yè)或相應的錯誤提示，說(shuō)明整個(gè)系統的運行正常。圖4為系統首頁(yè)效果圖。主要使用Web服務(wù)器性能測試工具進(jìn)行服務(wù)器性能測試，其測試主要參數的結果如表1所列。

5 結束語(yǔ)
該系統實(shí)現低成本的基于32位ARM7處理器的污染源自動(dòng)監測系統，滿(mǎn)足現實(shí)污染源監測的需要，具有較大社會(huì )價(jià)值。系統采用Intemet作為通信方式，并結合Web技術(shù)使得系統從C／S集中式控制過(guò)渡為B／S分散式控制，適應技術(shù)的發(fā)展趨勢，該設計對監測系統的開(kāi)發(fā)具有較高的參考價(jià)值。