基于嵌入式Web服務器的微氣象信息遠程監控系統設計*

張永宏,李海峰,王麗華,錢承山,毛海強

(1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044;3.南京信息工程大學計算機與軟件學院,南京 210044)

基于嵌入式Web服務器的微氣象信息遠程監控系統設計*

張永宏1,2*,李海峰2,王麗華2,錢承山3,毛海強2

(1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044;3.南京信息工程大學計算機與軟件學院,南京 210044)

針對目前對于微氣象環境遠程監測與控制的需求,設計了一種基于B/S系統架構的遠程微氣象環境信息監控系統,系統的數據采集與控制通過WSN(無線傳感器網絡)實現;嵌入式Web服務器完成數據處理與存儲等功能;應用HTML5+CSS+JavaScipt技術設計了用戶前端監控界面;經過實際系統測試,本設計實時性好、采集數據精確、界面友好,滿足了用戶對特定區域的微氣象環境進行遠程監測與控制的需求。

電子技術;微氣象;監測與控制;B/S;嵌入式Web服務器

某些區域小尺度的氣象物理現象呈現復雜多變的特征,目前對于城市特定區域微氣象的研究越來越多,微氣象特征常使用一些氣象要素或者環境質量指標來表征。這些數據對于更加精細地研究本區域小氣候變化具有重要意義[1-2]。

無線傳感器網絡技術實現了在監測區域布設若干數據采集節點,在節點上使用微氣象要素相關傳感器采集數據,由于數據的傳輸為無線多跳路由方式,非常適合室外微氣象信息采集[3-4]。

目前的微氣象信息采集系統多為上行數據系統,僅用于環境要素監測,系統缺少下行數據反饋控制功能,如預警自動發布、啟動相關設備等等。因此,本文結合B/S軟件設計架構設計了一個用于微氣象環境遠程監測與控制的系統,用戶使用網絡瀏覽器即可實時監測微氣象相關數據或者查看歷史數據,也可以遠程調整監測任務或者控制監測區域的相關設備,實現對監測區域的必要干預。

1 系統總體設計

本文設計了基于嵌入式Web服務器的微氣象信息遠程監控系統,系統采用B/S軟件設計架構,整個系統由無線監控終端和嵌入式網關Web服務器兩個部分組成。無線監控終端使用微氣象要素傳感器不間斷采集環境數據,同時在一些無線監控終端還可以根據使用場所需要添加執行模塊,如在化工園區可以適當添加實時預警、調整環保設備等下行控制。無線監控終端使用ZigBee數傳模塊組網式監控,監控數據最終無線匯聚到嵌入式網關Web服務器,嵌入式網關Web服務器完成數據處理與本地存儲以及響應Web瀏覽器的網頁請求,如果嵌入式網關Web服務器接入了局域網,那么局域網內的用戶就可以使用網絡瀏覽器終端登錄系統,實現對于無線監控終端所在區域內微氣象環境的遠程監測和控制。

圖2 無線監控終端核心電路圖

無線監控終端包括無線數傳模塊和環境傳感器、執行模塊;嵌入式網關服務器由ARM微處理器以及其下位機無線數傳數據匯聚模塊組成。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 無線監控終端硬件設計

無線監控終端的硬件由支持ZigBee通信協議的CC2530F256無線數傳SOC以及微氣象傳感器、終端控制執行模塊、電源模塊組成。作為終端與嵌入式網關服務器進行無線通信的核心芯片,CC2530F256是TI公司的第2代ZigBee模塊,支持ZigBee2007協議棧[5-6],同時滿足微氣象環境監控的低成本、低功耗的需求。為了增強該模塊的射頻性能,本設計中為其增加了PA(功率放大)模塊CC2592,該器件是一款針對德州儀器(TI)所有CC25XX 2.4 GHz低功率RF 收發器、發射器和片上系統產品的范圍擴展器。CC2592器件提供一個可增加輸出功率的功率放大器,以及一個具有低噪聲系數的LNA,以提升接收器靈敏度。增加了鏈路預算[7]。無線監控終端核心電路圖如圖2所示。

微氣象要素采集使用了AM2302濕敏電容數字溫濕度傳感器,該傳感器是一款含有已校準數字信號單總線輸出的溫濕度復合傳感器;風速風向使用WXA100-02SF0-I兩要素氣象傳感器用來測定,該傳感器使用超聲波測定技術,無機械磨損,功耗較低;對于空氣中的有害氣體,使用MQ135傳感器測定硫化物、氨氣等工業有害氣體濃度,該傳感器通過測量氣敏材料電導率變化測定有害氣體濃度。這種傳感器可檢測多種有害氣體,是一款適合多種應用的低成本傳感器;系統使用了SDS011激光傳感器測定空氣中PM2.5/PM10濃度,SDS011使用激光散射原理,能夠得到空氣中0.3 μm～10μm懸浮顆粒物濃度,使用高性能激光器與感光部件,數據數字化輸出且穩定可靠。監控終端的執行模塊由系統使用場所自定義,本文設計使用繼電器作為受控對象。

無線監控終端的電源模塊需要輸出3.3 V/5 V/12 V直流電源,為終端的各個芯片、模塊提供穩定的電源。電源電路結構如圖3所示。

圖3 電源電路結構

圖4 嵌入式網關Web服務器底板硬件電路

2.2 嵌入式網關Web服務器硬件設計

嵌入式網關Web服務器一方面需要和無線監控終端進行雙向通信,具有ZigBee網絡和計算機以太網轉換的網關功能[8],另一方面還要不斷地將采集的數據存到嵌入式Web服務器本地存儲設備,并能夠及時響應瀏覽器訪問請求。

本設計中采用S3C2440芯片為核心板的嵌入式系統,該芯片是基于ARM920T內核開發的用于嵌入式設備的低功耗、高性能的32位微控制器[9]。為了集成嵌入式網關與Web服務器兩大功能,本文重新設計了嵌入式網關Web服務器的電路,將ARM微處理器S3C2440和ZigBee網絡協調器的核心板CC2530F256集成到了一個底板PCB上。底板的資源進行了必要裁剪,S3C2440和CC2530F256兩個片上系統使用UART串行通信,底板其他關鍵硬件資源包括電源電路(包括獨立復位電路)、10M/100M自適應以太網卡接口電路、SD卡存儲電路、RS232串口電路(用于服務器控制臺)、核心板工作狀態指示電路等。根據以上電路設計方案,使用Altium Designer電路設計軟件繪制電路,嵌入式網關Web服務器底板硬件電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括ZigBee無線傳感器監控網絡程序設計以及嵌入式Web服務器程序設計兩大部分。

圖5 網絡協調器程序流程圖

3.1 ZigBee無線傳感器監控網絡程序設計

本文無線傳感器監控網絡以CC2530射頻模塊為硬件開發平臺,以IAR Embedded Workbench IDE為軟件開發平臺、Z-Stack協議棧為基礎進行程序開發。IAR Embedded Workbench IDE是一套高度精密且使用方便的嵌入式應用編程開發工具,它為用戶提供了一個易學和具有大量代碼繼承能力的開發環境,支持大量的常用的微處理器和微控制器的開發[10]。

ZigBee無線傳感器監控網絡的程序設計分為網絡協調器程序設計和監控節點程序設計。網絡協調器雖然物理上與嵌入式Web服務器系統集成在一起,但是,網絡協調器的程序仍屬于ZigBee無線傳感器監控網絡的一部分,它的設計目標功能一方面是具有ZigBee網絡到計算機以太網的網關功能,另一方面負責協調、創建、管理ZigBee網絡。網絡協調器程序流程圖如圖5所示,網絡監控節點程序流程圖如圖6所示。

圖6 網絡監控節點程序流程圖

在ZigBee協議棧中,各種操作(如網絡狀態改變、報警、按鍵觸發、周期性任務等)都是由通過“事件定義—事件觸發—事件處理”的循環機制實現的,事件處理時會被分配一個任務ID即taskID,根據這個ID,協議?？梢酝瓿刹煌氖录幚砗唾Y源調度,以提高處理效率。

程序主函數在初始化系統硬件后,調用osal_start_system()函數進入了協議棧輪轉查詢式操作系統事件處理循環函數,對注冊的事件任務進行輪詢并調度資源執行。在ZigBee無線傳感器監控網絡程序設計中,除了協議棧已經定義好的系統事件外,程序設計還需要定義的事件主要有:使用SERIALAPP_SEND_EVT定義了協調器下行數據傳輸事件,其觸發后處理函數為SerialApp_Send(),實現上位機(嵌入式服務器)的數據包讀取并解析,根據解析結果無線廣播或者單播數據給監控終端;使用SERIALAPP_RESP_EVT定義串口接收響應事件,其處理函數為SerialApp_Resp();使用SERIALAPP_SEND_PERIODIC_EVT定義了網絡監控節點定時向網絡協調器發送各傳感器或者執行模塊數據的事件,其處理函數是SerialApp_SendPeriodicMessage(),同時該函數中調用了SerialApp_SendData_AM2302()、SerialApp_SendData_ WXA100()、SerialApp_SendData_MQ135()、SerialApp_SendData_ SDS011()等傳感器數據無線發送函數,這些函數會調用傳感器相關的API函數獲取數據,這些函數是由傳感器廠商提供,并已經添加在了協議棧應用層供該層其他函數調用,定時的實現函數是osal_start_timerEx(),用于實現定時事件的觸發;使用SERIALAPP_ALARM_EVT1定義了溫濕度報警事件,其事件處理函數是SerialApp_WenshiduAlARMDec(),實現相關報警函數的調用;同理,使用SERIALAPP_ALARM_EVT2、SERIALAPP_ALARM_EVT3定義了PM2.5/PM10報警事件、硫化物、氨氣等工業有害氣體報警事件等。

ZigBee無線傳感器監控網絡與嵌入式網關Web服務器進行串行數據通信必須遵守相同的通信協議,只有這樣上下位機之間交換的信息才能被正確的接收、發送和解析。上下位機串行通信數據幀定義如表1所示。

表1 上下位機串行通信數據幀定義

3.2 嵌入式Web服務器程序設計

嵌入式Web服務器程序是基于嵌入式Linux環境開發的應用程序,因此在開發Web服務器程序之前,需要將定制的嵌入式Linux系統移植到以ARM S3C2440為核心處理器的嵌入式網關Web服務器底板的核心板上。

移植好嵌入式Linux系統至單板后,用戶空間應用程序與內核空間有了通信機制[11],也就具備了Web服務器相關程序的運行環境,本設計中使用Boa Web服務器,它是一種單任務HTTP服務器,其占用資源低、效率高。

在Boa移植到嵌入式系統過程中關鍵幾項修改是:將User和Group配置項均設為root;DocumentRoot設為/www,該參數為根目錄下的Web服務器工作目錄,存放網頁交互相關的文件;DirectoryIndex配置項設為index.html,index.html為訪問Web服務器的首頁,本設計中該HTML文檔是本系統的登錄頁;ScriptAlias/cgi-bin/配置項設為/www/cgi-bin/該項配置了Web服務器所支持的CGI腳本程序所存放的實際目錄。

考慮到資源限制的問題,在本設計的嵌入式Web服務器動態Web頁面交互使用了即通用網關接口CGI(Common Gate Intergace)技術,它是外部擴展應用程序與Web服務器交互的一個標準接口,規定了Web服務器調用其他可執行程序(CGI程序)的接口協議標準[12]。因此CGI不是某種特定的編程語言,在本設計中使用了C語言來開發CGI程序用于HTML網頁與服務器的數據動態交互,但是C語言的特性不適合編寫處理大量字符串的CGI程序,所以還要將相應的C庫移植到服務器以提高開發效率,篇幅限制,不再詳述。

至此,嵌入式Web服務器移植關鍵工作完成,下面是服務器程序開發工作,主要分為Web前端程序設計,服務器程序設計兩大部分。Web前端程序設計的主要目標是實現瀏覽器端的用戶系統登錄以及Web用戶界面,包括用戶登錄賬號驗證、HTML動態網頁監控界面程序設計,通過在Web網頁中使用JavaScript腳本程序實現與Web服務器ajax異步通信,網頁實時數據的局部刷新有效提高了服務器響應用戶數據請求的效率。另外監控界面的的網頁樣式與布局使用CSS(層疊樣式表)進行了優化[13],在“微氣象歷史數據查詢”界面使用了HTML5最新特性的輸入控件作為時間選擇器,下行控制中以化工園微氣象環境為應用背景,當用戶點擊按鈕時會觸發一個輸入事件并發送至嵌入式Web服務器,Web服務器根據其輸入標號進行讀寫操作,并根據讀的結果將相應的串行控制數據包通過寫串口函數HAL_UartWrite()發送到串口緩沖區供下位機讀取。

服務器程序設計的主要目標是創建相關線程不斷解析上傳的串行數據包并刷新至前端Web頁面、存儲到本地數據庫的目標目錄、接收前端Web頁面的控制事件并生成相應的命令數據包進行下行傳輸、根據Web頁面調用的JavaScript腳本交互程序,接收前端Web頁面的數據管理操作事件并轉換成標準的數據庫命令管理本地數據庫,并將讀取的數據定向至瀏覽器文本顯示控件。移植SQLite3數據庫到嵌入式Linux供boa服務器程序調用,配置數據存儲路徑為本地SD卡存儲設備目錄。嵌入式Web服務器程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 嵌入式Web服務器程序設計流程圖

4 系統測試

將S3C2440核心板(已經移植好嵌入Linux和Web服務器程序)和CC2530核心板(下載好編譯成功的網絡協調器程序)通過焊接好的插座安裝在嵌入式網關Web服務器底板的相應排母上,boa服務器程序設置為自啟動程序并設置好本地IP地址。無線監控終端方面,溫濕度傳感器、氣體傳感器以及下行控制模塊均使用單總線方式與無線監控終端連接,使用CC2530的通用IO口;風速風向傳感器以及PM2.5/PM10濃度傳感器使用485串口方式與終端連接;使用DC 12 V鋰電池為系統節點供電。

測試中將兩個無線監控終端配置相同種類與數量的傳感器,并置于A、B兩個區域上電運行,同時將嵌入式Web網關服務器板置于兩個節點射頻范圍內,上電并將板子的網口通過網線接入本地計算機網絡。在本地網絡的計算機終端上打開瀏覽器,輸入之前設定好的嵌入式Web網關服務器板IP地址,憑借賬號密碼登錄系統完成驗證即可以遠程Web頁面的形式觀測到系統采集到的微氣象實時數據,系統遠程登錄頁面如圖8所示,微氣象數據實時監測測試如圖9所示。

圖8 系統遠程登錄頁面

圖9 微氣象數據實時監測測試

圖10 微氣象歷史數據查詢測試以及下行控制

微氣象歷史數據查詢測試以及下行控制如圖10所示。Web頁面微氣象歷史數據存儲在嵌入式Linux系統的SD卡存儲設備目錄下,同時如果用戶在遠程Web界面輸入查詢條件并提交,Web服務器的CGI程序解析并調用SQLite命令管理歷史數據并將結果返回至前端網頁顯示,此外用戶還可以通過瀏覽器下載臨時生成的查詢結果或者全部歷史數據。下行控制的實質是實現了從Web前端用戶網頁到無線監控終端邏輯控制電平的傳輸,并將控制狀態返回。本設計的3個控制按鈕均成功地觸發了無線監控終端的電磁繼電器,實際控制功能視具體的應用環境而定。

5 結束語

本文設計了一個基于嵌入式Web服務器的微氣象信息遠程監控系統,分別從系統總體設計、無線監控終端軟硬件設計以及嵌入式網關Web服務器軟硬件設計等方面介紹了系統設計思路以及實現過程。整合了上下位機硬件資源,設計了嵌入式網關Web服務器電路;使用高性能、數字化的傳感器提高了系統采集數據的效率與精確度;本設計同時實現了下行控制的功能,滿足了遠程控制個性化定制的需要;利用HTML5+CSS+JavaScipt的機制實現了用戶網頁界面以及嵌入式服務器良好的實時響應能力。在實際的測試中,本系統滿足了設計目標,系統網絡傳輸延遲較低,實時性較好,實現了微氣象信息的自動化、網絡化采集與控制。

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DesignofRemoteMonitoringandControlSystemforMicro-MeteorologicalInformationBasedonEmbeddedWebServer*

ZHANGYonghong1,2*,LIHaifeng2,WANGLihua2,QIANChengshan3,MAOHaiqiang2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044,China;2.School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;3.School of Computer and Software,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

Aiming at the demand of remote monitoring and control for micro meteorological environment,a remote micro-meteorological environment information monitoring and control system based on B/S system architecture is designed. Data acquisition and control system are realized by WSN(Wireless Sensor Network). The embedded Web server completes data processing and storage and other tasks;The front-end user interface for monitoring is designed by the application of HTML5+CSS+JavaScipt;By testing the system,it is good in real time,accurate data acquisition and friendly interface,which can meet the needs of remote monitoring and control for the micro meteorological environment in a specific area.

electronic technology;micro-meteorological;monitoring and control;B/S;embedded Web server

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.038

項目來源:國家自然科學基金面上項目(51575283);南京信息工程大學大學生重點創新創業訓練項目(201710300011)

2016-08-13修改日期2016-10-31

TP277

A

1005-9490(2017)05-1250-07

張永宏(1974-),男,漢族,山東臨沂人,博士后,教授,主要研究方向為精密儀器與機械、模式識別與智能系統、遙感信息處理、物聯網系統集成開發等,zyh@nuist.edu.cn;

李海峰(1990-),男,漢族,江蘇徐州人,南京信息工程大學信息與控制學院碩士研究生,主要研究方向為嵌入式系統應用、物聯網技術應用,haifengxdyc@163.com。