基于嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊的HTTP數據采集方案

該方案靈活方便，實(shí)現簡(jiǎn)單;采用分布式結構，采集效率高，可適用于大量數據的采集，而且可以方便擴展為基于Internet的遠程數據采集.

1 前言

隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，由于傳輸速度、傳輸可靠性及可擴展性等綜合性能方面的優(yōu)越性，越來(lái)越多的數據采集系統都是基于以太網(wǎng)接口，并且越來(lái)越多的儀器儀表設備也提供了以太網(wǎng)接口.但是很多企業(yè)都有早期投入的設備儀表,一般使用串口進(jìn)行數據通信，因此需要一種簡(jiǎn)單、高效、易于擴充的集成方案,實(shí)現對原有設備儀表的數據采集,并且可以方便的集成到現有的以太網(wǎng)工業(yè)控制系統中.本文提出一種數據采集方案，除了滿(mǎn)足前面要求外，由于其采用HTTP協(xié)議，可以方便擴展為基于Internet的遠程數據采集.HTTP協(xié)議可以利用嵌入式系統（WinCE、Linux等）基于其自帶的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現或者直接使用嵌入式Web服務(wù)器[1～4]，在計算機系統中也可以利用高級語(yǔ)言直接使用Web客戶(hù)端使用HTTP協(xié)議或者利用Winsock網(wǎng)絡(luò )編程,實(shí)現基于HTTP的數據交互，但都會(huì )增加系統的開(kāi)發(fā)成本，本文提出一種基于嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊在單片機系統中實(shí)現簡(jiǎn)單HTTP協(xié)議的方法，并基于此方法構建數據采集方案.

2 系統結構

HTTP協(xié)議是一種基于TCP實(shí)現的應用層協(xié)議，它是因特網(wǎng)可靠的交換數據的重要基礎.如果要實(shí)現HTTP協(xié)議，必須以TCP/IP協(xié)議棧為基礎，利用嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊即可方便的實(shí)現TCP/IP協(xié)議棧的功能.圖1為一個(gè)利用嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊實(shí)現的基于HTTP協(xié)議的數據采集方案.

圖1 系統結構

圖1中，最關(guān)鍵部分是采集板和網(wǎng)絡(luò )模塊.當今儀器儀表最常用的通訊接口是485串行接口，采集板和儀表設備一般通過(guò)485總線(xiàn)連接，采集板利用單片機開(kāi)發(fā)，實(shí)現下位機和設備儀表的通信，采用主從方式采集所需要的數據，再通過(guò)485總線(xiàn)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )模塊，網(wǎng)絡(luò )模塊收到采集板數據發(fā)出的串行數據，利用內嵌的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現串行數據到以太網(wǎng)數據的轉換，網(wǎng)絡(luò )模塊通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)、交換機和采集服務(wù)器連接.采集板是實(shí)現HTTP應用層協(xié)議的地方，只要采集板發(fā)出的數據符合HTTP協(xié)議，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )模塊轉化后成為合法的HTTP請求，則Web服務(wù)器可使用任何的服務(wù)器端動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)（CGI、ASP、JSP、PHP、ASP.Net等）實(shí)現數據的處理和保存.

3.1 采集板

采集板和儀表進(jìn)行主從通訊采集數據以外，最主要的任務(wù)就是把采集的數據封裝為HTTP協(xié)議的數據包，也就是要在單片機中實(shí)現簡(jiǎn)化的HTTP協(xié)議，能夠完成基本的數據交互功能即可.在國際標準中，有兩個(gè)HTTP協(xié)議的標準文檔：RFC1945和RFC2616[5].這兩個(gè)文檔分別描述了HTTP/1.0和HTTP/1.1的實(shí)現標準.這兩個(gè)版本的HTTP協(xié)議最大區別在于前者不支持保持連接，規定每次的HTTP請求和響應后都要關(guān)閉TCP連接，而后者支持持久連接，這意味著(zhù)可以打開(kāi)一次TCP連接進(jìn)行多次請求/響應，大大提高了性能.為了提高性能，本文中將實(shí)現基本的HTTP1.1協(xié)議.經(jīng)過(guò)分析研究，找出了一種比較簡(jiǎn)單且有效的實(shí)現.下面通過(guò)一個(gè)具體例子說(shuō)明實(shí)現的HTTP協(xié)議包格式.

GET /com2http/test.aspx HTTP/1.1CRLF

Host: 127.0.0.1CRLF

Content-Length: 86CRLF

Connection: Keep-AliveCRLF

CRLF

000000C8420000C8420000C8420000C8420000C8420000C8420000C842000

0C8420000C8420000C84251AD

通過(guò)工具截獲的數據以16進(jìn)制顯示如下：

00000000:47 45 54 20 2F 63 6F 6D 32 68 74 74 70 2F 74 65 GET /com2http/te

00000010:73 74 2E 61 73 70 78 20 48 54 54 50 2F 31 2E 31 st.aspx HTTP/1.1

00000020:0D 0A 48 6F 73 74 3A 20 31 32 37 2E 30 2E 30 2E ..Host: 127.0.0.

00000030:31 0D 0A 43 6F 6E 74 65 6E 74 2D 4C 65 6E 67 74 1..Content-Lengt

00000040:68 3A 20 38 36 0D 0A 43 6F 6E 6E 65 63 74 69 6F h: 86..Connectio

　00000050:6E 3A 20 4B 65 65 70 2D 41 6C 69 76 65 0D 0A 0D n: Keep-Alive...

00000060:0A 30 30 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 43 .000000C8420000C

00000070:38 34 32 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 43 8420000C8420000C

00000080:38 34 32 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 43 8420000C8420000C

00000090:38 34 32 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 43 8420000C8420000C

000000A0:38 34 32 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 438420000C8420000C

000000B0:38 34 32 35 31 41 44 84251AD

上面顯示的便是一個(gè)合法的HTTP協(xié)議的數據包實(shí)例，從0x61開(kāi)始為真正的有效數據信息，數據包括一個(gè)字節的采集站地址，本例中為“00”，10個(gè)符合IEEE-754標準的單精度四字節浮點(diǎn)數，本例中為10個(gè)100.0（16進(jìn)制表示為0000C842），和2個(gè)字節的CRC16的循環(huán)檢驗碼，本例中為“51AD”.HTTP協(xié)議傳送的數據一般都是文本格式，所以總共43字節二進(jìn)制數據經(jīng)過(guò)轉化成為86字節的16進(jìn)制字符串數據.在HTTP包的封裝中，除了數據域以外，0x4開(kāi)始的“/com2http/test.aspx”和0x43開(kāi)始86會(huì )根據實(shí)際需要在下位機中由程序自動(dòng)設置，分別表示處理該數據的處理頁(yè)面和提交的有效數據字節數.由此可以看出，只要在有效數據的前面加上HTTP請求頭，就可以實(shí)現簡(jiǎn)單的HTTP1.1協(xié)議，在單片機系統中實(shí)現這種功能和寫(xiě)普通的串口發(fā)送程序一樣簡(jiǎn)單.

3.2 網(wǎng)絡(luò )模塊

　　該模塊在該系統中起著(zhù)承上啟下的作用，實(shí)現了TCP/IP協(xié)議棧，完成把485線(xiàn)上串行傳送的HTTP包數據轉化為在交換式以太網(wǎng)中的以太網(wǎng)幀，真正向Web服務(wù)器發(fā)出HTTP請求.

3.3 Web Server And Real Database

網(wǎng)絡(luò )模塊轉化后的HTTP請求最終到達Web服務(wù)器，可用任何服務(wù)器端動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)實(shí)現數據的處理和保存，實(shí)驗方案采用微軟最新的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)ASP.Net.通過(guò)編寫(xiě)程序獲取有效數據，轉化為原始二進(jìn)制數據形式，驗證校驗碼，如果無(wú)誤根據數據的對應寫(xiě)入實(shí)時(shí)數據庫，如果實(shí)時(shí)性要求不高以及數據存儲量不大，可以使用ACCESS數據庫，不然可以使用專(zhuān)用的數據庫服務(wù)器，如Oracle和SQL Server.

4 優(yōu)點(diǎn)

本文中數據采集方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以很方便的集成現有設備和儀表的數據采集.只要知道儀表設備的通訊協(xié)議，在下位機實(shí)現數據通訊，把采集到的數據封裝為HTTP協(xié)議包通過(guò)串口發(fā)出即可.

（2）采用工業(yè)交換以太網(wǎng)，基于HTTP協(xié)議，同時(shí)滿(mǎn)足局域和遠程采集的需要.可以把該系統連至Internet，Web Server And Real Database和采集系統不在同一地理位置，而且服務(wù)器可以同時(shí)處理多個(gè)不同地理位置的數據，方便實(shí)現數據集中，能更好的管理和使用數據.

（3）方便維護和升級，方便增加采樣點(diǎn).可以根據需要隨意增加下位機，做到需要幾個(gè)模塊調試增加幾個(gè)模塊.

（4）不同于傳統的專(zhuān)用采集服務(wù)器采集數據模式，上位機服務(wù)器的功能由Web服務(wù)提供，不需要編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的數據接收程序和采集程序，只要編寫(xiě)完成數據的處理和保存的代碼.真正同儀表的通訊由下位機完成，形成分布式數據采集，Web服務(wù)是多線(xiàn)程體系結構，可并發(fā)處理多個(gè)下位機模塊發(fā)送的數據，使得整個(gè)系統支持更多的數據點(diǎn)采集，提高整個(gè)系統的采集效率.

5 實(shí)驗

（1）下位機實(shí)現:同普通的下位機系統設計和實(shí)現，只是在數據發(fā)送時(shí)需要加上HTTP協(xié)議包的包頭，可參考3.1.

（2）網(wǎng)絡(luò )模塊：實(shí)驗選用了廣州周立功單片機發(fā)展有限公司開(kāi)發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊-ZNE-100T，它內部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，利用它可以輕松完成嵌入式設備的網(wǎng)絡(luò )功能，另外為了測試方便直接使用了ZNE-100T的評估板.通過(guò)周立功公司提供的配置軟件可以輕松設置網(wǎng)絡(luò )模塊的參數，需要設置的參數包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、串口的波特率設置、端口工作模式、目標IP 地址和目標端口等，特別說(shuō)明的是端口工作模式，由于HTTP協(xié)議是基于TCP的，所以該方案中模式設為T(mén)CP Client模式，目標端口一般默認設置為80.

（3）Web服務(wù)器使用聯(lián)想萬(wàn)全520服務(wù)器，Windows Server2003操作系統，IIS6.0，數據庫采用SQL Server 2005，使用ASP.Net技術(shù)編程實(shí)現數據處理和保存. 下面給出用C#實(shí)現的數據處理核心代碼實(shí)例：

byte []a;

a=this.Request.BinaryRead （ this.Request.ContentLength） ;//獲取提交的數據

System.Text.ASCIIEncoding ascii=new System.Text.ASCIIEncoding （）;

string c=ascii.GetString （a）;

if （!CheckValidChr （c））//檢查是否有非法字符

return ;

byte []b=new byte [a.Length /2];

for （int i=0;i

b[i/2]=Convert.ToByte （c.Substring （i,2） ,16）;

if （!CheckCRC（b））//驗證CRC

return ;

for （int i=5;i

｛

　if （ （i-1） % 4 ==0 ）

｛

float t=BitConverter.ToSingle （b,i-4）;//把字節數據轉化為浮點(diǎn)數

SaveData（b[0],（i-1）/4,t）;//根據下位機站地址以及數據位置保存數據

｝

?。?/P>

6 結束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明，基于本文方案可以快速有效的部署一個(gè)數據采集系統，比傳統的串口數據采集方法有很多優(yōu)越性，擴展維護方便，由于上位機基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，只需編寫(xiě)數據處理和保存程序，使得系統的開(kāi)發(fā)工作主要放在下位機和儀表的通信上.需要說(shuō)明的是，該方案中使用ZNE-100T評估板和下位機通過(guò)485串行總線(xiàn)相連，下位機向網(wǎng)絡(luò )模塊發(fā)送的有效數據需要加入CRC校驗，防止在485總線(xiàn)上數據出現錯誤引起Web服務(wù)器采集到錯誤數據.另外一個(gè)解決方案是把ZNE-100T模塊集成在下位機，這樣可以取消校驗.不過(guò)前者有個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是如果下位機距離交換機很遠，可以近距離用網(wǎng)線(xiàn)把交換機和網(wǎng)絡(luò )模塊連接，用485線(xiàn)把網(wǎng)絡(luò )模塊和下位機連接，實(shí)現了長(cháng)距離數據傳輸.由此可出看出，利用嵌入式網(wǎng)絡(luò )模塊實(shí)現基于HTTP協(xié)議的數據采集系統確是一個(gè)非常靈活的方案.

參考文獻

　[1] 楊健.基于嵌入式系統的數據采集系統網(wǎng)絡(luò )接入的設計與實(shí)現[J].儀器儀表學(xué)報,26（8）增刊:290-292.

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