基于嵌入式Web服務器的pH值檢測系統的設計

于翰林　盧澤民　朱詠莉

摘要：水環境中的pH（酸堿度）值直接反映水環境中藻類的活力、二氧化碳的存在狀態等，對水產養殖具有重要的參考意義。為甲魚養殖環境設計了1種基于嵌入式服務器的pH值檢測系統，以pH復合玻璃電極作為傳感節點；以ARM6開發板為核心構建系統的軟硬件平臺及Web服務器，同時作為硬件的采集終端和嵌入式網關核心。系統可以對甲魚養殖環境中的pH值及溫度等參數進行檢測，同時將數據接入互聯網，用戶可通過客戶端IE瀏覽器實現對檢測數據的遠程在線監測。

關鍵詞：嵌入式Web服務器；酸堿度；瀏覽器；網關；甲魚

中圖分類號： TP274文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0390-03

收稿日期：2014-02-28

基金項目：國家自然科學基金（編號：40901112）。

作者簡介：于翰林（1987—），男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事農業電氣化與自動化研究。E-mail：yuhanlin_2008@163.com。

通信作者：盧澤民，博士，副教授，碩士生導師，主要從事農業工程裝備研究。E-mail：luzm@ujs.edu.cn。在工廠化水產養殖中，水質參數監控是健康養殖的重要環節，水質監控可以掌握養殖水體的溫度、濁度、pH值、溶解氧等對水產品生長環境有重大影響的水質參數，其中pH值是池塘中水質的重要指標之一，不僅會直接影響甲魚的生理活動，而且會通過改變水產養殖環境中的微生物理化因子而間接作用于甲魚[1]，pH值過高或過低都會對甲魚的生長造成危害。確保適宜的水體溫度、pH值、溶解氧等參數值，創造良好的養殖環境對甲魚生長至關重要。目前的檢測方法測得的pH值不夠精準，實時性不夠穩定，因此，準確、方便、快速地測量水體中的pH值大小，為甲魚的正常生長繁殖提供一個穩定、合理的生存環境在水產養殖中具有重要意義。本研究構建基于 ARM-Linux 的嵌入式服務器，系統中ARM6處理器既作為采集電路的核心又作為嵌入式網關的核心，通過編寫相應的應用層CGI程序，實現瀏覽器/服務器（B/S）通信[2-3]，具有以下特點：（1）簡易的嵌入式服務器代碼和服務器端應用程序代碼，實現Web服務器的基本功能；（2）采用B/S通信架構，直接讀取遠程的檢測數據。本系統的開發簡單，操作方便，成本低，易于實現，反復測試證明系統的精確性和穩定性均達要求。

1系統硬件平臺設計

1.1系統硬件整體結構

在硬件系統中，其整體設計主要包括2個部分：采集電路與嵌入式網關，詳見圖1。pH傳感器對水體水質中的pH值參數進行初步檢測，同時調理電路對傳感器采集來的模擬信號進行放大、濾波和穩壓處理[4]，被處理后的信號經過開發板的2路AD進行模數轉換和相應的結果計算，同時通過以太網網關跟以太網進行協議轉換和數據交換，最后在客戶端的瀏覽器中對檢測的數據進行實時讀取。

1.2采樣電路的設計

酸堿度傳感器采用E-201-C型pH復合玻璃電極，在25 ℃時，其電極輸出電壓與pH值的關系為59.16 mV/pH，即在氫離子活度變化10倍時，電動勢偏移59.16 mV。由于pH復合玻璃電極的內阻值較大，要求前置放大器具備高輸入阻抗值[5]，因此選擇高輸入阻抗的運算放大器 CA3140來實現阻抗匹配、降低測量噪聲、提升系統穩定性等[6]，其余的普通運放選用運算放大器TL082，硬件電路如圖2所示。

在測量pH值之前要對其調理電路作調試，首先對運算放大器CA3140的調零端進行調零，調零時應將2個輸入端全部接地，小量程電壓表連接運放輸出端，調整P1，使得電壓表讀數接近零。而后對整個pH信號調理電路進行調試，其方法是：斷開pH電極輸入，使P2居中，之前接pH值信號輸入運放的輸入端接地，調節P3，使電路輸出電壓為700 mV，此時相當于輸出的pH值為7；之前接pH值信號輸入的運放輸入端接通-414.1 mV的輸入電壓，調節P2，使電路輸出電壓為1 400 mV，此時對應的是輸出pH值為14，pH信號調理電路板便可以正常工作。

1.3嵌入式網關構建

嵌入式網關硬件結構如圖3所示。在嵌入式網關的構建中，選用DM9000A作為以太網芯片的核心。DM9000A以太網芯片是功能異常強大的以太網控制器，產自Davicom公司，有1個10/100 M的自適應物理層與4 k雙字節的靜態隨機存儲器。此外，DM9000A控制器還提供了與介質無關的接口，該控制器支持8位、16位的接口來訪問內部的存儲器設備，從而支持不同模型的處理器[7-8]。

2系統軟件設計

2.1Web服務器在軟件平臺上的實現

本研究完成了1個簡易、低成本的Web服務器的設計，實現了Web服務器的基本功能，包括頁面的請求與響應、HTML 文件解析和數據傳送[9]。建立socket網絡連接是構建Web服務器的基礎，在Linux下，用戶通過socket接口進行網絡編程操作[10]。編寫Web服務器本質上就是建立起客戶端與服務器端的socket連接，服務器端讀取客戶端請求，并進行相應操作；客戶端首先讀取服務器端應答和請求，然后對其進行解析、繪圖并且加以運行[11]。客戶端與服務器的交互主要包括客戶請求及服務器應答，請求和應答格式均在超文本傳輸協議（HTTP）中有明確定義。Web服務器工作流程如圖4所示。客戶端和Web服務器交互的基本布局為：（1）客戶發送請求：GET filename HTTP/version；（2）服務器發送應答：HTTP/version status-code status-message。

用戶瀏覽器端與服務器端建立socket連接后，用戶通過在瀏覽器端單擊1個鏈接的形式獲取網頁，即發送1個命令請求，服務器端利用GET命令接受請求、讀取請求，并打印輸出相關數據信息。endprint

2.2應用層CGI程序設計

通用網關接口 （common gateway interface，CGI）表示一段程序，運行在Web服務器上，其主要功能是在Web的環境下，從客戶端向Web服務器傳達若干信息或命令，而后Web服務器啟動指定程序來完成特定工作[12]。在瀏覽器/服務器模式下，CGI是由瀏覽器的輸入命令進行觸發的。

首先，用戶在瀏覽器端的地址欄中輸入要訪問的地址并通過回車來觸發這個指令申請，同時瀏覽器將這個申請命令通過TCP協議發送到服務器端并被接收。Web服務器端在接收完這些申請之后，按照.htm或者.html的后綴來認識這個文件是否是HTML類型的文件。如果是HTML類型的文件，Web服務器會從當前的存儲中讀取到正確的HTML型文件，并將其以網頁的形式送回到瀏覽器端。Web瀏覽器、服務器以及CGI程序運行關系如圖5所示。

用戶瀏覽器端與服務器端建立socket連接后，用戶通過在瀏覽器端單擊1個鏈接的形式獲取網頁，即發送一個命令

請求，服務器端利用GET命令接受請求、讀取請求，并打印輸出相關數據信息。本研究設計的簡易Web服務器僅支持GET命令，僅接受請求行，而略過了其他復雜參數。主循環如下所示：

sock=make_server_socket（atoi（av[1]））；//建立socket連接監聽客戶端請求

if （sock=-1）

exit（2）；

while（1）

{fd=accept（sock，NULL，NULL）；//接受請求

fpin=fdopen（fd，“r”）；

fgets（fpin，request，LEN）； //讀取客戶端的請求

read_until_crnl（fpin）； //跳過其他命令

process_rq（request，fd）； //接收客戶端請求

Fclose（fpin）；

}……3試驗測試

通過在不同的溫度下對pH值進行校正，完成pH值為400、6.86、9.18的標準溶液測量，然后通過最小二乘法對不同溫度下pH值直線進行擬合（pH值相對應溫度變化保持線性關系），寫入到檢測程序中，通過查詢相應直線就能得到不同溫度下測量的相對應pH值[13]。試驗測量數據如表1所示。

表1pH值標定數據

溫度

（℃）Ex（pH值=4.00）

（mV）Ex（pH值=6.86）

（mV）Ex（pH值=9.18）

（mV）254937669562649776695627492764957284937609572949276395530492762956注：Ex為標定電壓值。

考慮到溫度對pH值的影響，采用了常用的最小二乘法來擬合直線。

設定標曲線，也就是實際輸出與輸入的特性曲線是y=f（x）；擬合直線的方程是Y=A+BX。按最小二乘法，擬合直線與定標曲線的響應點輸出量偏差平方和為最低[14]。

（A，B）=∑ni=1（yi-A-Bxi）2（1）

式中：xi是測試得到的輸入數據；yi是測試得到的輸出數據；n為測試數據組數目。

確定擬合直線方程中的A、B作為變量來求解，分別對A、B變量求偏導，且令其等于零得：

A=2∑ni=1（yi-A-Bxi）=0；

B=2∑ni=1（yi-A-Bxi）xi=0。

整理后得：

∑ni=1yi=nA+B∑ni=1xi

∑ni=1xiyi=A∑ni=1xi+B∑ni=1x2i。

經過計算∑xi、∑yi、∑xiyi、∑x2i數值，代入方程組，構成關于A、B的二元方程組，解得A、B值，即求得擬合直線方程。

在對試驗數據進行處理時，采用了最小二乘法擬合直線。本試驗選用pH值為6.86、9.18進行2點標定，具體擬合的直線參數如表2所示。其系數k=1/b，b=A。

表2不同溫度下擬合pH值曲線系數

溫度

（℃）pHx=k（Ex-b）bk≤24219.129 080.012 477 225～29193.606 420.012 036 730～34174.005 020.011 744 135～39174.374 180.011 779 8≥40182.629 240.011 999 3

同時，在嵌入式開發板上運行Web服務器，在上位機瀏覽器中輸入應用CGI程序的名稱，通過Web服務器執行應用程序[15]，在客戶端瀏覽器上實時讀取相應的pH值顯示信息，實現數據的遠程在線監測。

4結論

在系統中，將ARM芯片既作為信號的采集終端又作為以太網網關的核心，有效利用了硬件資源。同時，在實時性、穩定性較強的Linux操作系統上移植TCP/IP協議，構建Web服務器，編寫應用層通用網關接口程序，實現對水質中pH值的遠距離實時監測，滿足了信息傳輸和對系統遠程控制的要求。經反復試驗證明，系統具備較強的實時性和穩定性，達到了設計要求。

參考文獻：

[1]朱明瑞，曹廣斌，蔣樹義，等. 工廠化水產養殖水體的pH值在線自動控制系統[J]. 水產學報，2007，31（3）：335-342.

[2]張文香，王志敏，張衛國. 海水魚類工廠化養殖的現狀與發展趨勢[J]. 水產科學，2005，24（5）：50-52.

[3]Bertocco M，Ferraris F，Offelli C，et al. A client-server architecture for distributed measurement systems[J]. Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions on，1998，47（5）：1143-1148.endprint

[4]顧相平，胡榮林，朱順五. 一種基于無線傳感器網絡的水質監測pH值感知節點硬件設計[J]. 計算機與現代化，2011（9）：49-52.

[5]劉星橋，曾毓楠，季峰. 基于SOC單片機的pH值檢測與控制[J]. 微計算機信息，2008，24（5）：99-101.

[6]Alcaraz C，Roman R，Najera P，et al. Security of industrial sensor network-based remote substations in the context of the internet of things[J]. Ad Hoc Networks，2013，11（3）：1091-1104.

[7]Drndarevic V，Bolic M. Gamma radiation monitoring with internet-based sensor network[J]. Instrumentation Science and Technology，2008，36（2）：121-133.

[8]仲崇權，魯辛凱，李卓函，等. 基于嵌入式Web遠程監控的研究與應用[J]. 儀器儀表學報，2006，27（增刊1）：575-577.

[9]封相遠. 基于Linux操作系統的Web服務器的設計與實現[D]. 天津：天津大學，2007.

[10]馬新濤，李洪平. 基于ARM和Linux的嵌入式網關的設計與實現[J]. 中國新技術新產品，2010（7）：49.

[11]魏計林，邱選兵，王青獅，等. 單芯片嵌入式網關在煤礦井下人員定位中的應用[J]. 現代電子技術，2008（21）：143-145，149.

[12]魏丹. Web服務器性能與Web框架應用的研究[D]. 開封：河南大學，2006.

[13]李成春. 基于CC2430無線多參數傳感器檢測網絡的設計[D]. 鎮江：江蘇大學，2010.

[14]解同信. 最小二乘法求作擬合直線[J]. 北京工業職業技術學院學報，2006，5（3）：5-7.

[15]黃偉偉. 基于嵌入式Web服務器的車載動中通遠程監控系統的設計與實現[D]. 南京：南京郵電大學，2013.侯波，徐小華，胡曉飛. 基于LabVIEW和GSM的溫室大棚環境遠程監控系統設計[J]. 江蘇農業科學，2015，43（1）：393-395.endprint