基于嵌入式Web服務器的遠程控制系統的實現

王海龍，徐曉輝，王 盟 ，張曉婷

（河北工業大學 信 息工程學院，天津 3 00401）

隨著計算機技術和網絡通信技術的飛速發展，人們日常生活和工業生產等方面對基于以太網進行遠程通信和控制的要求日益強烈。目前市場上雖已有成熟的Web服務器可供遠程控制系統選擇，但多是基于通用計算機或專用服務器，體積及成本不適合小型控制系統，尤其是在一些環境惡劣，不易值守或無法安裝計算機控制系統的場所。如今嵌入式技術發展迅速，嵌入式處理器的性能不斷提高，基于嵌入式的控制系統得到廣泛應用。考慮到嵌入式系統高性能、低成本、低功耗等諸多特點，這里通過32位嵌入式處理器和以太網控制器構建了嵌入式Web服務器，實現設備遠程控制。

1 遠程控制系統的硬件結構

基于嵌入式Web服務器的遠程控制系統主要由嵌入式Web服務器以及被控制的現場設備組成。服務器通過交換機或調制解調器與Internet互聯網連接，用戶端只需在已聯網的計算機上通過網頁瀏覽器訪問該遠程服務器的IP地址，即可使用該服務器并實現對設備的遠程控制。遠程控制系統的結構如圖1所示。

圖1 遠程控制系統的結構

該嵌入式Web服務器采用三星公司的S3C44B0X器件作為整個系統的處理器，該器件是以ARM7TDMI為內核的RISC處理器，是一種性價比較高的嵌入式32位處理器。網絡控制部分選用Realtek公司的RTL8019AS作為以太網控制器，系統的Flash選用AMD公司的容量為2 MB，NOR Flash型AM29LV160存儲器，SDRAM選用現代公司的容量為8 MB的HY57V641620HGT存儲器。圖2為該硬件系統設計框圖。

2 遠程控制系統的軟件結構

系統軟件主要包括操作系統的選取、網頁服務器的配置、網頁的編輯、驅動程序和服務器應用程序的配置移植，軟件層次如圖3所示。

圖2 硬件系統設計框圖

圖3 軟件層次

由于該處理器不具有MMU（存儲器管理單元）且需要完備以太網協議構建網頁服務器，故選擇開源的嵌入式μClinux操作系統。該操作系統從Linux2.0.發展而來，專門應用于不具備MMU的微控制系統。該操作系統提供了3個Web服務器：httpd，Thttpd和BOA。其中功能最簡單的是httpd，不支持認證、CGI。Thttpd和BOA服務器都支持認證、CGI（Common Gateway Interface，公共網關接口）等，但由于Thttpd服務器需要的資源比BOA大得多，故該系統最終采用BOA服務器作為遠程控制的網頁服務器[1]。

2.1 BOA服務器的配置

BOA是一個單任務的http服務器，安全性高、源代碼開放、性能高。在μClinux的發行版中，在主目錄下的user目錄里，有BOA服務器的目錄，在example子目錄中，有2個文件boa.conf和mime.types，這里需要修改配置boa.conf文件，它是BOA服務器的參數配置文件，配置如下：

另外該系統將src目錄下的defines.h頭文件SERVER_ROOT宏定義設置為home目錄，即服務器目錄，配置操作系統時，boa.conf和mime.typs都必須復制到此服務器目錄下，從而完成服務器的配置。

2.2 服務器與客戶端動態交互的實現

在動態網頁交互設計中，主要有CGI（Common Gateway Interface），PHP（Personal Home Page），ASP（Active Server Page）和JSP（Java Server Page）4種技術。在Linux下實現動態網頁通常選擇CGI技術。CGI稱為公共網關接口，是一段運行于服務器上的程序，可以將客戶端瀏覽器遞交的信息傳遞給服務器，服務器則會啟動對應CGI程序去執行，最終可將結果再反饋給客戶端。CGI程序的編寫可以采用任何編程語言，只要這種語言具有標準輸入、輸出和環境變量。由于C語言具有較強的平臺無關性，因此該系統采用C語言來編寫CGI程序[2]。

動態網頁是通過網頁內嵌表單的方式進行信息傳遞的。該系統首先采用網頁編輯軟件Dreamweaver編輯登陸界面index.html及遠程控制界面remote.html。在編輯表單選項時由action屬性指向相應CGI程序路徑，由method屬性決定提交數據的方式是GET方式還是POST方式。客戶端傳送到服務器的數據采用URL編碼的方式傳送，例如參數采用name=value的形式，每對之間用"&"連接，特殊字符用"%"加一個十六進制數字編碼，輸入的空格用"+"來表示等，所以服務器端的CGI在接收數據時需經過解碼操作[3]。

環境變量在CGI程序設計中很重要，客戶端和服務器端都將信息存儲在某些變量中，環境變量有3類：與服務器相關的環境變量、與客戶端相關的環境變量以及與請求相關的環境變量。其中最常用的環境變量有REQUEST_METHOD記錄請求方式，QUERY_STRING存儲傳遞的數據，CONTENT_LENGTH傳遞數據的長度。

編程時先創建數據結構entry，用來記錄要使用的變量和變量名。

當采用GET方式傳遞信息時，可使用如下代碼獲得傳輸的數據：

當采用POST方法傳遞信息時，可使用如下代碼獲得傳輸的數據：

2.3 驅動程序和應用程序設計

設備驅動程序是系統內核和機器硬件之間的接口，它為應用程序屏蔽了硬件的細節，在應用程序看來，硬件設備已抽象為設備文件，可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。Linux操作系統下的設備分為3類：字符設備、塊設備和網絡接口[4－5]。應用程序在系統中是不能直接訪問硬件地址的，因此應用程序對具體設備的操作必須通過設備驅動程序來實現。本例通過編寫對應端口的驅動程序，實現了對端口的輸入輸出設置，以及輸出高低電平的系統調用接口。在目錄/μClinux－dist/linux－2．4．x/drivers/char下創建驅動源文件port．c和驅動頭文件port．h。編寫端口的驅動程序最重要的是編寫port_ioctl接口調用函數，其中定義了實現功能的所有命令，以供應用程序調用。

設備驅動程序加入系統有2種方式，一種是直接編入內核中，另一種是以模塊的方式靈活添加。由于本例較簡單，所以直接編入內核中。通過在當前目錄下的Makefile管理文件和Config．in配置文件添加相應項，并在vendor/Samsung/44B0/目錄下的Makefile中device部分添加port,c,126,0，使系統啟動時即注冊設備[6]。

編寫CGI應用程序時，只需打開相應的設備文件，就可通過調用驅動中的命令控制接口實現對端口的控制。

然后可通過ioctl系統調用實現對端口的控制，程序結束時再調用close（fd）關閉設備。

在配置BOA服務器時，這里設定CGI程序的目錄是/home/www/cgi－bin/目錄，使用交叉編譯工具生成CGI程序并放入此目錄下，然后對整個操作系統內核進行配置裁剪，最終生成的系統鏡像中就可以包含編寫的程序功能，實現對設備的遠程控制。圖4為遠程控制界面。

通過測試該遠程控制系統，實現了對外部設備的遠程控制，只需對CGI程序進行適當修改即可實現較復雜系統的控制。

圖4 遠程控制界面

3 結束語

隨著計算機、通信、嵌入式和互聯網等技術的飛速發展，傳統基于現場總線的控制系統已不能滿足遠程控制的要求，而基于以太網的控制系統正逐漸成為遠程控制的首選。本文利用ARM內核的32位處理器及以太網控制器搭建硬件平臺，移植了μClinux嵌入式操作系統，配置了BOA服務器，通過編寫設備驅動程序和CGI程序，實現了遠程控制系統，具有廣闊的應用前景。

[1]李磊．利用CGI程序實現動態WEB的方法[J]．科學技術與工程，2009，9（6）：1611－1613．

[2]盧玲．CGI與動態網站設計技術綜述[J]．重慶工學院學報，2003（5）：53－56．

[3]李勇．CGI在嵌入式WEB服務器中的應用與實現[J]．微計算機信息，2008，24（10－3）：110－111．

[4]周立功，陳明計，陳渝．ARM嵌入式Linux系統構建與驅動開發范例[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006．

[5]劉淼．嵌入式系統接口設計與Linux驅動程序開發[M]．北京：北京航天航空大學出版社，2006．

[6]廖日坤．ARM嵌入式應用開發技術白金手冊[M]．北京：中國電力出版社，2005．