嵌入式WEB技術(shù)在控制系統中的應用研究

一　傳統控制系統與Web技術(shù)改造后的控制系統比較

在工業(yè)控制系統中，對遠端嵌入式控制設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和監控往往通過(guò)專(zhuān)用通信協(xié)議和監控軟件。通常這種方式的訪(fǎng)問(wèn)，客戶(hù)端和服務(wù)器端的程序都是專(zhuān)為用戶(hù)定制的，具有良好的響應。但缺點(diǎn)也十分明顯，即每臺想訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器的客戶(hù)PC機都要安裝給定版本的客戶(hù)端程序，一旦有新的版本產(chǎn)生，每臺客戶(hù)端PC都得重新安裝新的版本，要讓每臺客戶(hù)機都盡快更新成最新版本的程

嵌入式Web技術(shù)的控制系統的監控功能是通過(guò)位于PC機上的通用客戶(hù)端程序(如IE軟件)訪(fǎng)問(wèn)位于嵌入設備中的服務(wù)器端程序來(lái)完成。嵌入式Web服務(wù)器卻可簡(jiǎn)化和實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)和控制。嵌入式Web服務(wù)器就是一個(gè)HTTP文本服務(wù)器，它是在非PC機的現場(chǎng)設備上運行的特殊Web服務(wù)器。通常這些現場(chǎng)設備資源有限，如CPU運算處理能力不強、存儲空間少、能耗要求嚴格，所以嵌入式Web服務(wù)器在工業(yè)控制中應用通常都有一些特殊的要求。由于嵌入Web服務(wù)器遵循HTTP協(xié)議，可通過(guò)標準的瀏覽器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，就不需要定制特殊的客戶(hù)端程序，只需安裝標準的瀏覽器軟件，如Internet Explore或者Netscape。這樣只有現場(chǎng)設備的應用程序需要定制和更新，客戶(hù)端程序就不需要。典型的采用嵌入式Web服務(wù)器的控制系統結構如圖1所示。

工業(yè)控制采用嵌入式Web技術(shù)，具有以下優(yōu)勢：

(1)無(wú)須研發(fā)客戶(hù)端軟件，網(wǎng)絡(luò )瀏覽器作為通用客戶(hù)端的人機界面可運行于各個(gè)平臺，無(wú)論是Windows、Unix均可，與所在工作站的操作系統無(wú)關(guān)；

(2)瀏覽器的界面簡(jiǎn)單易用，無(wú)需進(jìn)行額外的使用培訓；

(3)可通過(guò)瀏覽器進(jìn)行服務(wù)器端軟件的下載、升級和更新，使管理和升級現場(chǎng)設備應用軟件更加輕松和方便；

(4)同一個(gè)服務(wù)器設備可被多個(gè)瀏覽器同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，只需通過(guò)安全認證，可以使用戶(hù)通過(guò)Internet網(wǎng)進(jìn)行遠程監測、控制、升級，節省人力資本；

(5)服務(wù)器端軟件可以進(jìn)行自診斷，能實(shí)時(shí)進(jìn)行故障報警，故障分析，并通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )通知不在現場(chǎng)的管理者，可加快故障排除，縮短故障響應和維修時(shí)間。

二　嵌入式Web服務(wù)器與標準Web服務(wù)器的差別

標準Web服務(wù)器，目的是用于電子商務(wù)或在Internet上發(fā)布網(wǎng)絡(luò )服務(wù)供大多數人訪(fǎng)問(wèn)，是定位在“集中所有的Web服務(wù)軟件的優(yōu)點(diǎn)，提供最穩定的、全功能的HTTP服務(wù)器”。它的全功能的許多特性都是以犧牲代碼空間并占用大量硬件資源為代價(jià)的，而工業(yè)底層的各種現場(chǎng)設備的各種資源均有限，和PC機有很大的差別，上面這些要求對嵌入式Web服務(wù)器來(lái)說(shuō)難以實(shí)現。嵌入式Web服務(wù)器則更多地關(guān)注根據儀表、控制系統的特點(diǎn)設計，以下是嵌入式Web服務(wù)器的具體特征。

1. 有限的嵌入式系統資源，較少的代碼空間

這是最重要的需求。許多嵌入式設備通常只有有限的存儲空間(Flash和RAM)，這就要求我們的服務(wù)器程序所占的存儲空間要小(包括代碼空間、堆和棧的大小)。同時(shí)，由于大多數嵌入式設備沒(méi)有很好的存儲管理功能，不能對已經(jīng)分配的存儲空間進(jìn)行有效的回收，所以一旦用于打開(kāi)某個(gè)網(wǎng)頁(yè)的內存空間被釋放之后，很難與臨近的內存空間合并，導致將來(lái)無(wú)法使用。這就要求嚴格控制嵌入式Web服務(wù)器的代碼大小，所需內存大小，并采用預分配和靜態(tài)分配的機制進(jìn)行存儲管理，防止出現內存碎片。

2. 能夠支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的生成

標準Web服務(wù)器通常含有大量的靜態(tài)存儲網(wǎng)頁(yè)，而嵌入式Web服務(wù)器要根據需求動(dòng)態(tài)生成網(wǎng)頁(yè)。這些網(wǎng)頁(yè)需要實(shí)時(shí)地反映設備的狀態(tài)、采集的信號、報警信息，反饋操作的執行結果等等。嵌入式Web服務(wù)器必須要求網(wǎng)頁(yè)能隨現場(chǎng)設備的變化而動(dòng)態(tài)更新和生成。通常有以下兩種做法來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)數據的生成：

(1)通過(guò)純C代碼在程序執行時(shí)生成HTML的標簽來(lái)反映動(dòng)態(tài)的數據；

(2)直接生成動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，并通過(guò)擴展標簽來(lái)嵌入動(dòng)態(tài)數據。

3. 可以與控制系統、儀器集成
 
嵌入式WEB服務(wù)器應當能與現有的控制設備進(jìn)行很好地集成，以方便設計。將已有的與設備相關(guān)的應用程序接口A(yíng)PI與Web服務(wù)器集成，可通過(guò)不同的途徑。不同的嵌入Web服務(wù)器供應商會(huì )提供不同的方法，目前還沒(méi)有統一的標準。但比較通用的做法是通過(guò)動(dòng)態(tài)服務(wù)網(wǎng)頁(yè)ASP(Active Server Pages)和JavaScript來(lái)使設備的應用程序產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)結果鏈接到網(wǎng)頁(yè)上。

4. 能夠支持沒(méi)有文件系統的設備
    
許多嵌入式設備通常沒(méi)有磁盤(pán)文件系統或其他大容量存儲設備，但仍希望通過(guò)網(wǎng)頁(yè)來(lái)對其進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和控制，這就要求嵌入式Web服務(wù)器能夠通過(guò)ROM或Flash這樣的存儲設備來(lái)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)的存儲。

5. 可以移植到新的平臺上
  
和CPU體系結構中嵌入式Web服務(wù)器通常要應用在不同的現場(chǎng)設備中，這些設備具有不同的處理器體系，如果Web服

由于在工業(yè)現場(chǎng)中，各種智能儀表的運算能力、儲存空間及其他各種硬件資源均有不同，其接入到網(wǎng)絡(luò )中的方式也有不同，導致嵌入式Web技術(shù)在具體的實(shí)現中有以下幾種方式：

(1)運行軟件TCP/IP協(xié)議棧，設備內部實(shí)現Web服務(wù)器。
 
這種方式的關(guān)鍵是用純軟件來(lái)實(shí)現TCP/IP的協(xié)議棧，讓嵌入式Web服務(wù)器軟件在此之上運行，并可直接連接到網(wǎng)絡(luò )上。這種直接連接的方式，通常需要CPU具有很強的運算處理能力，要求32位處理器，如ARM系列CPU，PowerPC，MIPS處理器等，它們通常有串口可以與Modem連接，或者有以太網(wǎng)芯片組連接到以太網(wǎng)上，從而讓TCP/IP協(xié)議棧軟件與外界進(jìn)行通信，其結構如圖2。

其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：設備可直接掛接到網(wǎng)絡(luò )上；整體性好，不需要其他輔助硬件，全部硬件就是CPU和接口芯片，硬件設計簡(jiǎn)單。

其缺點(diǎn)是：需要處理能力較高的CPU，通常為32位運算能力的處理器；代碼量和數據內存耗費很大，需要較大的存儲空間；純軟件協(xié)議棧，軟件調試復雜。

(2)通過(guò)輔助硬件實(shí)現TCP/IP協(xié)議棧，控制設備集成形式實(shí)現Web服務(wù)器。

這種方式如圖3，完全由硬件來(lái)實(shí)現TCP/IP協(xié)議棧，只需在硬件規劃時(shí)設計好接口即可。也可采用能實(shí)現TCP/IP的硬件電路板，通過(guò)串口接入到現場(chǎng)智能設備上，從而實(shí)現硬件TCP/IP協(xié)議?，F場(chǎng)設備的控制處理器只需運行嵌入式Web服務(wù)器軟件即可，大大減輕了負擔。

方案優(yōu)點(diǎn)是: 設備可以直接掛接到網(wǎng)絡(luò )上；全部的TCP/IP協(xié)議棧由外圍芯片硬件實(shí)現，減輕了調試軟件的負擔；CPU不用運行TCP/IP協(xié)議棧軟件，減輕了處理負擔，對CPU的性能要求降低，減少了存儲器的使用空間。

其缺點(diǎn)是：增加了外圍芯片，成本增加；增加了硬件設計復雜度和產(chǎn)品成本。

(3)外部網(wǎng)關(guān)形式實(shí)現嵌入式Web服務(wù)器，對多設備進(jìn)行調度。

這種方式如圖4，通常讓一臺PC機來(lái)充當外部網(wǎng)關(guān)，在此之上運行完整的TCP/IP協(xié)議和部分嵌入式Web服務(wù)軟件，通過(guò)串口等方式使每臺PC機可控制一個(gè)或者多個(gè)現場(chǎng)設備。外界對現場(chǎng)設備的訪(fǎng)問(wèn)，先要通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行解析，然后與現場(chǎng)設備交換信息，提取網(wǎng)頁(yè)等，并將最終的信息送給外部訪(fǎng)問(wèn)者。

其優(yōu)點(diǎn)是：現場(chǎng)設備不需其他輔助的硬件，只需有簡(jiǎn)單的RS-232或RS-485等通信接口；極大減輕了CPU的負載，對CPU的性能和存儲器空間的要求大大降低；基于8位或16位微處理器使得控制設備比較適合采用外部網(wǎng)關(guān)形式Web服務(wù)器；由于軟硬件的修改很少，極大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間。

其缺點(diǎn)是：由于需要外部的網(wǎng)關(guān)(通常是PC機)，增加了產(chǎn)品的成本和系統復雜性；在網(wǎng)關(guān)與現場(chǎng)設備之間的協(xié)議沒(méi)有標準可循，通常不同的廠(chǎng)商之間的協(xié)議各不相同，增加了互聯(lián)的難度。

通常，采取何種方式實(shí)現網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)并運行嵌入式Web服務(wù)器，取決于硬件資源、產(chǎn)品成本和用途。對于CPU處理能力強的硬件設備，可采用第一種或者第二種方式，而對于CPU處理能力不強，產(chǎn)品數量不多，或者是老設備的改造等，可在原有硬件的基礎上考慮第二種或者第三種實(shí)現方式。

四　嵌入式WEB技術(shù)發(fā)展展望

將嵌入式Web技術(shù)應用到工業(yè)控制現場(chǎng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)還有一些關(guān)鍵問(wèn)題需要進(jìn)一步解決：

(1)實(shí)時(shí)性

在用戶(hù)瀏覽器和工業(yè)控制底層的嵌入Web服務(wù)器之間，通常采用10M/100M以太網(wǎng)。如果要將實(shí)時(shí)采集的信息及時(shí)反映到用戶(hù)的瀏覽器上，可用路由器或者交換器把關(guān)鍵網(wǎng)段隔離開(kāi)，這樣可避免更多的沖突，保證足夠的通信速率。同時(shí)在CPU的處理能力上也要有所考慮，采用高運算能力32位嵌入式微處理器，以保證控制運算的實(shí)時(shí)性，以及在多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器時(shí)可有較快的響應速度。

(2)工業(yè)標準的選擇

Internet相關(guān)各種標準在不停地發(fā)展。從使用的語(yǔ)言上來(lái)看，HTML語(yǔ)言已經(jīng)有了更多替代，如XML可擴展標識語(yǔ)言，可使表示形式和具體內容分開(kāi)，具有更強的數據交換功能，更有利于控制系統通過(guò)標準方式來(lái)交換數據。所以在現場(chǎng)設備中，會(huì )得到更多的推廣。

(3)可靠性

工業(yè)控制設備基本功能是

(4)安全性

對工業(yè)現場(chǎng)關(guān)鍵設備的訪(fǎng)問(wèn)和操作，以及網(wǎng)頁(yè)信息的顯示，均要保證安全性，通常不能用明文在網(wǎng)絡(luò )上傳輸信息，而是采用加密措施以及鑒別認證進(jìn)行用戶(hù)管理。

五　結束語(yǔ)

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不斷的發(fā)展，將Web技術(shù)應用到工業(yè)控制現場(chǎng)中使得系統功能在空間上得到延伸，具備網(wǎng)絡(luò )化自動(dòng)化控制系統的特性，具有較好應用性、開(kāi)放性，是技術(shù)發(fā)展的趨勢和熱點(diǎn)。同時(shí)，在具體實(shí)現嵌入式Web服務(wù)器的時(shí)候，我們要考慮底層設備和儀器的各種資源約束，如處理器速度、存儲器空間、通信接口方式、產(chǎn)品成本等，以決定采取何種方式接入網(wǎng)絡(luò )，以及實(shí)現哪些Web服務(wù)器功能。