嵌入式Web的遠程數據交互式設計

吳輝，侯思祖

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，保定071003）

引 言

隨著物聯網和移動互聯網技術的快速發展，進一步推動了嵌入式系統網絡化進程，使得嵌入式系統變得越來越智能。由于芯片制造工藝的顯著提高，各種高性能的處理器相繼推出，使用嵌入式系統接入Internet成為一種趨勢［1］。把 Web技術用于遠程監控或其他嵌入式系統中，用戶通過瀏覽器就可以對遠程設備進行控制和監測，使得用戶能夠實時地了解設備的運行情況。

1 嵌入式Web服務器

嵌入式系統是一種專用的計算機系統，是為某種應用而定制的計算機系統。嵌入式Internet是指設備通過嵌入式模塊接入Internet，以Internet作為傳輸介質實現信息的交互與訪問。一個帶有微處理器并且能夠連接Internet的設備就是一個嵌入式Internet系統?？梢酝ㄟ^Web進行信息交互的嵌入式Internet系統被稱作嵌入式Web服務器。嵌入式Web服務器具有體積小、成本低、功能簡單等特點。

嵌入式Web服務器以LM3S8962為核心，LM3S8962集成豐富的片上資源：含有256KB單周期Flash、64KB單周期訪問的SRAM、4個通用定時模塊、1個10／100M以太網控制器、三個可編程UART接口等。LM3S8962以太網控制器遵循IEEE802.3規范，完全支持10BASE－T和100BASE－TX標準，含有100BASE－TX擾碼器、解碼器，支持全功能的自協商協議，支持全雙工、半雙工和掉電模式，而且具有可編程MAC地址。采用LM3S8962可省略網絡控制芯片。溫度采集主要由LM3S8962內部溫度傳感器實現，采樣率可達500 000sps。光強采集由小塊的太陽能電板代替光傳感器，太陽能電板根據光強的變化改變輸出電壓。通過A／D轉換器檢測電壓的變化來判斷光強的變化。LED亮度通過調節輸出PWM的占空比來改變。嵌入式Web交互式框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式Web交互式框圖

2 嵌入式Web交互式原理

Web通信是基于TCP協議進行的，但它與一般的TCP協議不同的是，在TCP通信的基礎之上經過HTTP協議傳輸?？蛻舳送ㄟ^Web頁面請求數據，嵌入式Web服務器收到客戶端發送的HTTP請求時，作出對應的響應，從而完成客戶端與嵌入式Web服務器之間數據的動態交互。

2.1 CGI和SSI

CGI（Common Gateway Interface）是一段程序，運行在嵌入式Web服務器上，提供與瀏覽器HTML頁面的接口。簡單地說就是用戶在客戶端（瀏覽器）中輸入信息，瀏覽器把這些信息傳輸到嵌入式Web服務器CGI目錄下對應的CGI程序中，于是CGI程序在嵌入式Web服務器上按照預定的方法進行處理。然后，CGI程序給客戶端發送一個信息，表示請求的任務已經結束。

SSI（Server Side Include，服務器端包含）是一種類似于ASP的基于服務器的網頁制作技術。在將內容發送到瀏覽器之前，可以使用“服務器端包含 （SSI）”指令將文本、圖形或應用程序信息包含到網頁中。服務器接收到一個請求后，會在網頁數據中搜索＜?。?tag－－＞格式標記，并記錄這些tag標志，在嵌入式Web服務器處理完請求后需要返回給用戶數據時，找出系統已經注冊的tag，并在相應的tag－－＞后添加所需要的數據。最后，把更新的數據發送給用戶，從而實現了用戶與嵌入式Web服務器之間的動態交互過程。

2.2 XMLHTTPRequest

XMLHTTPRequest是由一組方法和屬性組成的對象，是AJAX技術的核心，所謂的異步交互和局部刷新都是建立在XMLHTTPRequest基礎之上的。XMLHTTPRequest可以在提供不重新加載頁面的情況下更新網頁，XMLHTTPRequest對象提供了對HTTP協議的完全的訪問，包括做出POST和HEAD請求以及普通的GET請求的能力。利用JavaScript來創建XMLHTTPRequest對象，當對象成功創建以后，調用open方法來指定請求的服務網頁以及請求方式，然后通過send方法將請求發送出去，最后就可以在客戶端接收服務器端返回的數據。

3 嵌入式Web交互式實現

嵌入式Web服務器監聽用戶的請求，根據用戶遞交的請求提供與之對應的服務，嵌入式Web服務器端收到用戶請求后，把存儲在嵌入式Web服務器中對應的數據或網頁發送給瀏覽器，完成數據的動態交互。嵌入式Web數據交互式可以通過CGI／SSI和XMLHTTPRequest方式實現。

3.1 CGI實現過程

CGI是基于標準HTML表單遞交數據，嵌入式Web服務器上對應的CGI函數響應客戶端的請求，CGI方式數據交互將導致整個頁面重新加載。HTML中表單格式如下：

CGI交互式過程如圖2所示。用戶通過Internet向嵌入式Web服務器請求一個HTML文檔。嵌入式Web服務器向用戶發送一個表單頁面。用戶填入對應的數據信息并提交給嵌入式Web服務器。服務器接收用戶請求，交給嵌入式Web服務器上CGI程序處理。嵌入式Web服務器將更新的HTML文檔發送給用戶。

圖2 瀏覽器與嵌入式Web通過CGI交互

當用戶向嵌入式Web服務器提交數據時，采用的是GET方式。輸入的信息以字符串的形式附加action所給定義的URL后面，中間用“？”隔開，各個變量之間用“＆”分開，變量與其對應的值之間用“＝”連接，空格用“＋”代替，特殊意義的字符用“＆”表示。在嵌入式 Web服務器端對URL進行解碼，當遇到字符“＋”時，將它轉換成空格；當遇到字符“＆”時，表示下一個變量開始；當遇到“＝”時表示變量名部分結束［2］。由于GET請求的內容附加在URL后面，而URL的長度是有限制的，所以一次請求的內容不能太多，而嵌入式系統由于其本身就是資源受限系統，數據的交互不可能太多，所以GET方法用于此是合適的。

CGI處理函數運行于嵌入式Web服務器端，當嵌入式Web服務器收到客戶端請求的URL之后，解析URL中的參數，提交給對應的CGI處理函數。字符文本提交的CGI函數如下：

當在Web頁面中遇到格式為＜?。?tag－－＞的SSI標簽時，調用SSI處理函數，將SSI標簽轉換成對應的文本在網頁中顯示。SSI函數通過Switch選擇語句，解析Web頁面中的SSI標簽。然后針對不同的標簽內容作出對應的響應。CGI／SSI數據交互流程如圖3所示。

圖3 CGI／SSI數據交互流程

3.2 XMLHTTPRequest實現過程

XMLHTTPRequest方式通過嵌入在HTML文檔中的JavaScript來實現網頁的交互過程?？蛻舳送ㄟ^運行HTML文檔中的JavaScript程序發送HTTP請求。它是一種特殊的URL，嵌入式Web服務器去文件系統中查找URL中對應的文件。如果查找到對應的文件，嵌入式Web服務器提供相應的響應，然后將嵌入式Web響應返回到客戶端瀏覽器中，返回的狀態插入到對應的＜Div＞標簽中。XMLHTTPRequest方式只需要更新部分文本，而不需要刷新整個頁面，縮短了網絡延時，提高了網絡效率。瀏覽器與嵌入式Web通過XMLHTTPRequest方式交互，如圖4所示。

圖4 瀏覽器與嵌入式Web通過HTTPRequest方式交互

JavaScript可以將Web服務器端的任務部分轉移到客戶端，使客戶端實現處理任務的功能。XMLHTTPRequest能實現嵌入式Web與瀏覽器之間的異步交互。JavaScript內嵌到網頁中，使其成為HTML文件的一部分，并通過JavaScript解釋器完成解釋執行。瀏覽器中溫度數據請求JavaScript函數如下：

上述代碼中，Temperature.readyState為HTTP請求的狀態，當XMLHttpRequest創建時，其屬性為0。它一共有5個狀態：Uninitialized（0）、Open（1）、Send（2）、Receiving（3）、Loaded（4）。當屬性為4時，表明已經接收到完整的HTTP響應。Temperature.responseText從服務器接收的響應的溫度信息，當Temperature.readyState小于3時，其屬性為空字符串；當Temperature.readyState為4時，其中保存了完整的溫度信息，Temperature.status為服務器返回的狀態碼，200表示成功，404表示"Not Found"。Temperature.onreadystatechange為調用的事件句柄函數，每次Temperature.readyState屬性改變時被調用。Temperature.open（）為初始化 HTTP請求參數，send（）發送HTTP請求。

服務器端解析對應文件名“／cgi－bin／Temperature－Get”，如果存在對應的文件，則返回一個消息，客戶端接收到這個消息并且存儲溫度信息到對應請求的響應文本Temperature.response Text中，使用文本插入方法“document.getElementById（"Temperaturestate"）.innerHTML＝ "＜div＞"＋ TemperaturestateresponseText＋ "＜／div＞"；”把消息在網頁中對應的DIV位置處顯示。

4 系統測試

系統測試分本機測試與局域網測試兩種方式。本機測試就是嵌入式Web服務器通過網線直接連接到PC，局域網測試則是將嵌入式Web服務器連接到局域網中的路由器上。復位嵌入式Web服務器，查看其IP地址，同時修改客戶端的IP，使其與嵌入式Web服務器處于同一網段中。在客戶端通過“ping 169.254.117.2”（嵌入式 Wb IP）查看網絡連接狀態。成功連接后，在客戶端瀏覽器中輸入“http：／／169.254.117.2”地址后，瀏覽器中會顯示嵌入式Web交互式頁面，如圖5所示。通過點擊對應的按鈕，可以在瀏覽器中獲得各種請求數據。在文本框中輸入文本，將數據存入嵌入式Web服務器中，同時存入信息會在嵌入式Web的LCD上顯示出來。通過本地和局域網測試，系統性能良好，可應用性強。

結 語

利用嵌入式系統及Internet技術可以實現Web動態數據交互，通過CGI和XMLHTTPRequest方式，成功地在基于LM3S8962平臺上完成局域網內Web頁面數據動態交互，實現了一個簡易的嵌入式Web服務器的功能。嵌入式Web動態交互技術在工業生產的過程控制、機房環境參數的監測以及遠程數據采集等方面都有廣泛的應用需求。

圖5 瀏覽器端驗證測試

［1］牛利兵.遠程監控嵌入式Web服務器的設計［D］.山西：太原理工大學，2011.

［2］李勇.CGI在嵌入式 WEB服務器中的應用和實現［J］.微計算機信息，2008，24（10）：110－112.

［3］彭偉.XMLHttp對象在嵌入式 Web實時系統中的應用［J］.單片機與嵌入式系統應用，2011（11）：29－32.

［4］Texas Instruments.Stellaris LM3S8962Microcontroller DataSheet［EB／OL］.［2013－01－06］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／spms001h.