Web网络传感器的远程数据采集系统设计

 

　　引言

　　随着网络技术和嵌入式技术的发展，将嵌入式系统与Internet相结合对系统进行数据、图像监控和管理，成为重要研究方向之一。嵌入式Web网络传感器技术是传感器、嵌入式、分布式信息处理和Internet等相关技术交叉结合的技术，它是在智能传感器的基础上把TCP/IP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现成智能服务器的ROM中［12］，利用传感器内建的Web服务器，用户可以通过浏览器采集远程监控对象的信息［3］。

　　1 Web网络传感器数据采集系统工作原理

　　用户通过浏览器访问Web服务器上的数据，将远程采集到的数据实时显示到Internet网页上。用户需要实时看到数据的变化，而HTML网页通常只能是静态的数据，为此在Web服务器上应用动态网页技术是必要的。动态网页的实现技术有CGI和HTML脚本嵌入技术（如ASP、PHP、JSP等），由于网络传感器嵌入式系统采用的是单片机来实现，其资源有限，为此采用CGI技术来实现动态网页。

　　1.1 CGI原理

　　CGI［4］（Common Gateway Interface，公共网关接口）提供给Web服务器一个外部程序的通道，实现处理器与浏览器之间的通信。CGI是一种接口规范，可以处理客户端（一般是浏览器）输入的数据，完成浏览器和服务器之间的交互操作。CGI是运行在Web服务器上的程序，由浏览器的输入触发，是服务器和系统中其他程序的桥梁。CGI程序属于一个外部程序，是运行在服务器端的一个可执行文件。

　　CGI程序的工作原理示意图如图1所示。

　　

　　图1 CGI程序工作原理示意图

　　客户端的Web浏览器浏览到某个主页后，利用一定的方式提交数据，并通过HTTP协议向Web服务器发出请求。服务器端的HTTP Daemon（守护进程）将描述的主页信息通过标准输入（STDIN）和环境变量（environment variable）传递给主页指定的CGI程序，并启动此应用程序进行处理（包括对数据库的处理）。处理结果通过标准输出（STDOUT）返回给HTTP Daemon，再通过HTTP协议返回给客户端的浏览器，由浏览器负责解释执行，将最终的结果显示给用户。

　　

　　图2 CGI数据采集流程

　　1.2 基于CGI的数据采集流程

　　CGI的数据采集流程如图2所示。当用CGI实现远程传感器温度数据采集时，CGI程序可以通过直接访问硬件或调用驱动程序的方式获得数据。当数据采集完毕后，CGI程序将数据组织成HTTP流并发送到Web服务器上，由Web服务器负责送到客户端。

　　2 实时数据采集技术

　　2.1 连续数据采集的实现方法

　　由于HTTP是基于请求/响应模式的，客户端和服务端进行一次交互时，开始于客户提出的一个请求，并在服务器给出响应后结束。而一次交互只能得到一组数据，那么如何实现连续的数据采集呢？一般有两种方法：即客户端牵引和建立TCP连接。

　　客户端牵引就是在网页中插入定时刷新功能，它的数量级为s，可以使用户看到数据的变化，但不能满足强实时性的要求，而且其中会漏掉一些中间的数据。

　　建立TCP连接就是通过在网页中嵌入 ActiveX控件或 Java Applet小程序来增强客户机的功能。其中，ActiveX控件只能在Windows环境下运行，而Java Applet通用性强，可以实现跨平台操作。所以本系统采用Java Applet来进行远程数据的实时采集。

　　2.2 Java Applet

　　Applet是用Java编写的，含有可视化内容的，并被嵌入Web页面中用来产生特殊页面效果的小程序，经常被用于增加网页多媒体效果，并使网页产生互动功能［5］。

　　当用户访问带有Java Applet的网页时，Applet被下载到用户计算机上执行，但前提是用户使用的是支持Java的网络浏览器。由于Applet是在用户计算机上执行的，因此它的执行速度是不受网络宽带或者MODEM存取速度的限制，用户可以更好地查看网页上Applet产生的多媒体效果。

　　Applet必须将HTML的《applet》和《/applet》一对标记或者《object》《/object》嵌入到Web网页中，使用浏览器才能运行。在IE中用《objectgt;标签取代《applet》标签，在Netscape 4使用《embed》标签取代《applet》，但是《object》和《embed》都必须遵循Java Plugin中的格式。

　　3 实时数据采集的具体实现

　　3.1 硬件实现

　　嵌入式Web网络传感器的数据采集系统的硬件结构如图3所示。

　　

　　图3 Web网络传感器数据采集系统硬件结构框图

　　ADuC832是ADI公司推出的混合信号单片微控制器，是真正意义上完整的数据采集系统芯片，是集数据转换电路、微控制器、闪存于一体的数据采集系统［6］。

　　它的主要特性有：8通道模拟I/O，247 ksps、12位 ADC，2个12位（单调的）电压输出 DAC片内温度传感器；62 KB片内闪速/电擦除程序存储器，4 KB片内闪速/电擦除数据存储器，2 304字节的片内数据 RAM。

　　主芯片通过74LS138译码器来进行片选外部数据存储器KM62256，或者网卡控制器RTL8019AS。通过74HC573地址锁存器进行当前地址的锁存，使得输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号到来时才改变，也是为了实现地址的复用。

　　在主电路上主要设计了一个信号输入接口，用来接工业现场的4~20 mA信号的变送器；设计了一个RJ45的网口接口，通过网口可以直接接到Internet上，进行现场数据的上传和共享；还设计了RS485接口和RS232接口，作为工业现场特殊情况下的数据接入和处理。

　　现场传感器将采集的4~20 mA信号传送给信号调理板，将其信号转换为0~2?5 V的电压信号，然后通过ADuC832转换为数字量，再通过程序转换为相应的温度值，实时地将温度值显示在嵌有Java Applet的网页上。

　　3.2 软件实现

　　3.2.1 操作系统和协议栈的选用

　　在嵌入式Web服务器上，选用μC/OSII作为嵌入式实时操作系统。它是一个可移植、可固化、可裁剪、抢占式的实时操作系统，比传统的前后台程序可靠性更高，效率更高。

　　TCP/IP是个协议簇，是诸多开放的协议的集合，但是单片机是个小型的微处理器，内部资源有限，因此必须要对协议进行裁剪。本系统采用精简的小型TCP/IP协议栈——μIP协议栈。μIP协议代码中包括了一些基本的通信协议：ARP协议、IP协议、ICMP协议和TCP协议，UDP协议、HTTP协议、Telnet协议、SMTP协议等。其中，ARP、IP、ICMP、TCP这4个协议就能实现网络连接和通信的最基本的功能，同时还能实现CGI技术。其应用层就是 HTTP协议，采集数据嵌入在 Web服务器网页中以网页的形式发布到 Internet。

　　

　　图4 软件结构

　　对于μC/OSII和μIP的移植，详见参考文献［7］和［8］。整个系统的软件结构如图4所示。

　　3.2.2 Java Applet嵌入网页的实现

　　应用Applet实现嵌入式Web传感器实时监控程序RealtimeMonitor.java，主要结构如下：

　　public class RealtimeMonitor extends Applet implements

　　Runnable{

　　private Thread wly;//声明定义线程

　　……

　　try{

　　wly.start（）;//开启线程

　　……

　　wly.stop（）;//退出线程

　　}

　　}

　　public void run（）{

　　try{//表示程序是每一秒请求一下连接

　　URL u=“new” URL（＂http://192.168.11.30/data.txt＂）;

　　……

　　wly.sleep（1000）;

　　}

　　}

　　其中，192.168.11.30是嵌入式Web服务器的IP地址，data.txt是传感器经处理器处理后的数据，“wly.sleep（1000）;”表示设置采集的时间间隔为1 s。

　　通过JDK软件包，使用命令javac RealtimeMonitor.java将Java程序编译成RealtimeMonitor.class，然后使用“《applet code=“RealtimeMonitor” width=“400” height=“600”》《/applet》”嵌入到HTML网页中。

　　最后，在已加载μC/OSII和μIP程序的Web服务器上添加嵌入Applet的Monitor.html网页，将Monitor.html网页的文本转换成十六进制代码，放置在μIP的fsdata.c文件中并嵌入到处理的ROM中，通过Keil将所有程序编译生成HEX文件，下载到嵌入式Web处理器里。

　　打开浏览器输入IP地址192.168.11.30，访问嵌入式Web服务器上的采集数据。网络传感器实时数据采集结果如图5所示。

　　

　　图5 网络传感器实时数据采集结果

　　结语

　　本文介绍了Web服务器的工作原理，将CGI和Java Applet技术内嵌在嵌入式服务器上，通过客户端的浏览器可以实现嵌入式Web网络传感器的实时数据采集，节约了诸多的硬件资源和人力资源，使得对远程数据自动采集变得更加具有通用性，同时可以适合任何内建嵌入式Web网络传感器，具有一定的现实意义。