嵌入式網關在分布式時域激電接收系統中的應用

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(1.中國地質大學 信息工程學院，北京 100083；2.中國地質大學 地球物理與信息技術學院)

嵌入式網關在分布式時域激電接收系統中的應用

焦妍，曾衛華2

(1.中國地質大學 信息工程學院，北京 100083；2.中國地質大學 地球物理與信息技術學院)

為了滿足分布式時域激電接收系統狀態監測和控制的需求，研制了一種基于嵌入式網關的監控接口。該接口以ARM Linux為操作系統平臺，采用Client/Server結構，綜合運用嵌入式Web服務器BOA與CGI、AJAX等網頁開發技術，實現了接收機的控制和數據質量監測功能?？蛻舳酥恍枰獮g覽器，無需配備特定硬件平臺和App，即可實現儀器的監控功能。測試結果表明，這種基于嵌入式網關的監控接口具有實用性。

嵌入式網關；監控接口；BOA服務器；AJAX；分布式接收系統

引 言

時域激發極化法是電法勘探的重要分支之一[1]，發送機和接收機是實現該方法的主要裝備。國外，加拿大GDD公司研制生產的電法儀代表了時域激電儀器行業的先進水平，其接收機采用基于WinCE操作系統的專用掌上電腦(Personal Digital Assistant, PDA)進行控制和數據采集[2]；國內，重慶奔騰數控技術研究所、中南大學、吉林大學等科研院所也研制并推出了各具特色的激電儀，這些電法儀在工程實踐中均獲得了較好的勘探效果[3]。但是，目前國內外的時域電法儀大多采用基于特定操作系統的應用程序(Application,App)或者操作面板進行控制[2]，專用App需要配備特定的軟硬件平臺，開發難度較大，且程序無法跨平臺運行，如基于iOS和Android的應用程序無法兼容。為了提高儀器控制接口的兼容性，探索一種無需特定控制終端和特定App的儀器控制方法具有一定實用性。

中國地質大學(北京)研制了如圖1所示的多接收機、多通道分布式接收系統[4]。該系統由電源站和多臺接收機組成。其中，電源站在該系統中充當嵌入式網關，通過該網關，系統可實現接收機的控制(如接收機的上、下電，開始或停止記錄數據等)和數據質量監測功能。系統的用戶界面僅為與平臺無關的Web頁面，無需配備額外的控制硬件及專用App。本文將圍繞分布式接收系統中的嵌入式網關接口設計展開論述。

圖1 具有嵌入式網關接口的分布式時域激電接收系統

1 嵌入式網關硬件平臺

硬件平臺框圖如圖2所示，嵌入式網關硬件平臺采用工業級ARM芯片AT91SAM9G45作為核心處理器，配備128 MB DDR2 DRAM和256 MB NAND Flash，擴展了用于接入嵌入式網關的10/100M有線以太網及無線WiFi接口。平臺還擴展了2路高速RS485接口，分別用于下行命令的發送和上行數據的接收。在此基礎上，嵌入式網關移植了嵌入式Linux系統[5]，包括引導加載器(BootLoader)、系統內核(Linux Kernel-2.6.38)和根文件系統——無序區塊鏡像文件系統(Unsorted Block Image File System, UBIFS)，該系統的構建為嵌入式網關軟件的移植和運行打下了基礎。

圖2 硬件平臺框圖

2 嵌入式網關軟件設計

圖3 軟件設計框圖

為實現分布式時域激電接收系統的控制和波形質量監測功能，用戶通過訪問嵌入式網關不僅可向接收機發送控制命令、配置相關參數，而且可對采集數據進行波形預覽，以保證接收機存儲數據的質量。軟件系統采用前后臺設計，嵌入式網關通過后臺運行BOA嵌入式Web服務器程序，前臺運行CGI、RS485通信程序和JavaScript腳本，從而為客戶端(瀏覽器)提供www服務。

2.1 軟件整體設計

軟件整體設計如圖3所示，電源站在該系統中起到嵌入式網關作用，是客戶端和接收機之間的監控接口。嵌入式網關通過下行RS485總線實現接收機的控制，通過上行RS485總線實現接收機采集數據的動態波形預覽。用戶無需使用特定控制終端及專用App，通過WiFi或以太網在任何已安裝網頁瀏覽器的移動終端或PC機上即可訪問嵌入式網關Web頁面。

客戶端瀏覽器和嵌入式網關的BOA服務器采用AJAX交互方式，實現頁面定時局部刷新。用戶通過瀏覽器訪問嵌入式網關獲取Web頁面，通過單擊不同功能的按鈕，觸發在頁面中植入的JavaScript腳本調用AJAX引擎，AJAX引擎使用腳本中創建的XMLHttpRequest對象，向嵌入式網關的BOA服務器發送異步數據請求，服務器根據請求調用指定CGI程序，實現與RS485通信程序之間的數據交互。

軟件使用共享內存來實現CGI程序和RS485進程之間的通信。共享內存是Linux下進程間通信(Inter-Process Communication, IPC)的方法之一，進程可以直接讀寫內存，不需要任何數據的拷貝，即可實現兩同時運行進程間的數據傳遞和共享[6]。CGI程序將來自客戶端瀏覽器的控制命令按一定格式寫入共享內存，下行命令發送進程由阻塞變為運行態。在波形預覽模式下，接收機將采集數據發送至上行RS485總線，上行數據接收進程由阻塞變為運行態，將采集數據寫入共享內存。CGI程序讀取共享內存中的接收機數據，并將其返回至BOA服務器。服務器將數據以XML(Extensible Markup Language)文檔形式返回給AJAX引擎。根據定時器設定的頁面刷新時間，JavaScript調用DOM(Document Object Model)的應用程序編程接口(Application Programming Interface, API)定時局部更新HTML(Hypertext Markup Language)文檔，實現波形預覽功能。

2.2 嵌入式Web服務器的搭建

在嵌入式Linux系統中，常用的Web服務器有：BOA、Mini_httpd、GoAhead和Apache等。其中，BOA是一種基于HTTP、支持通用網關接口(Common Gateway Interface, CGI)且可靠穩定的開源單任務服務器。與其他Web服務器的不同之處在于，它在內部處理HTTP連接，產生獨立進程來處理CGI程序，占用較少系統資源，具有很高的請求處理速度和效率[7]。因此，本系統的嵌入式網關采用BOA服務器。

為在硬件平臺搭建BOA服務器，需先從官網上下載新版本源碼包boa-0.94.13.tar.gz，再根據需要進行相關定制[8]：對src目錄下的頭文件compat.h和源碼boa.c進行修改，執行源碼安裝命令，生成Makefile，并在當前目錄下用arm-linux-gcc交叉編譯器編譯生成boa可執行程序，修改BOA服務器的配置文件boa.conf。最后，將可執行程序、配置文件以及宿主機中的mime.types拷貝到根文件系統的etc目錄下，修改根文件系統sbin目錄下的腳本文件rcs，確保BOA服務器隨系統上電自啟動。完成上述配置后，在根文件系統的相關目錄下，編寫靜態頁面和簡單的CGI程序以測試BOA服務器的運行情況，分別驗證瀏覽器能否正常獲取靜態頁面和執行CGI程序，為動態網頁的實現作好鋪墊。

2.3 動態網頁的實現

為實現嵌入式網關的波形預覽功能，需對Web頁面進行定時局部刷新。本系統在頁面中植入可調用CGI程序的JavaScript腳本，并結合AJAX(Asynchronous JavaScript And XML)技術實現頁面動態顯示。

CGI是外部應用程序和BOA服務器交互的一種標準接口。通過該接口，用戶可向CGI程序傳遞不同參數，從而實現客戶端和服務器之間的交互[9]。在Web環境下，客戶端向BOA服務器發出數據請求，BOA服務器把接收到的有關數據放入環境變量，然后啟動JavaScript腳本指定的 CGI程序，CGI程序從環境變量中獲取相關信息，處理來自客戶端的控制命令和接收機的采樣數據，最后以HTML格式輸出相應的執行結果返回給客戶端瀏覽器[10]。

CGI程序可以用任何程序設計語言編寫，如 Shell 腳本語言、Perl、Fortran、Pascal、C語言等。但是用C語言編寫的 CGI 程序具有執行速度快、安全性高等特點，所以嵌入式網關選用C語言編寫CGI程序[11]。

AJAX是一種創建交互式網頁應用的網頁開發技術，在用戶和服務器之間引入一個中間媒介——AJAX引擎。有別于傳統Web開發中采用的同步交互方式，該引擎允許用戶與應用程序之間的交互過程異步進行，由用戶操作觸發某事件，用JavaScript調用AJAX引擎在服務器創建一個XMLHttpRequest對象，通過XMLHttpRequest對象向BOA服務器發出異步HTTP請求和處理響應，而不阻塞用戶，減少了對服務器的資源占用，提高了系統的響應速度，縮短了用戶的等待時間。服務器的響應數據以XML文檔形式返回給客戶端瀏覽器，這些返回的XML文檔通過DOM技術可被準確地解析。然后用JavaScript腳本來操作DOM定時更新HTML文檔[12]，在不重新加載整個頁面的情況下，對數據進行部分更新。嵌入式網關在Web頁面中植入JavaScript腳本，通過加入定時器每隔一定時間調用CGI程序，以獲取共享內存中的接收機預覽數據，并將數據通過Canvas繪制成動態波形顯示在Web頁面上。Canvas是HTML5提供的實現繪圖功能的標記元素，定義了一個API支持腳本化客戶端繪圖操作,該元素可通過JavaScript腳本調用其自帶函數進行圖形繪制，可以創建用戶交互的動態圖形[13-14]。

3 嵌入式網關測試

在完成嵌入式Linux系統的移植、BOA服務器的搭建、靜態和動態網頁及RS485通信程序的設計后，對嵌入式網關的功能進行測試。

在客戶端瀏覽器的地址欄中輸入嵌入式網關的IP，瀏覽器返回如圖4所示的分布式時域激電接收系統監控頁面。嵌入式網關的頁面上方為接收機控制區，用戶可選擇目標接收機的設備號和通道號，通過單擊“控制命令”欄中的相應按鈕發送控制命令：單擊“上電”和“下電”按鈕，實現所選接收機的上、下電操作；單擊“開始自檢”按鈕，完成對所選接收機的模擬通道自檢功能，頁面下方的波形預覽區動態顯示如圖4所示的自檢波形；單擊“開始預覽”按鈕，波形預覽區出現根據接收機采集的實時數據繪制的動態波形，用戶可根據波形監測采集數據的質量，以保證接收機存儲數據的有效性；單擊“開始采集”按鈕，接收機開始采集數據并將其保存于本地非易失性存儲器；單擊“停止采集”按鈕，接收機停止采集數據。

圖4 分布式時域激電接收系統監控頁面

用戶還可根據需要對接收機進行參數配置，包括A/D采樣速率、接收機的同步方式以及RS485接口的上、下行數據傳輸速率。通過“自電補償”按鈕可對自然電位進行補償。

結 語

[1] 張賽珍,王慶乙,羅延鐘.中國電法勘探發展概況[J].地球物理學報,1994(S1):408-424.

[2] GDD Instrumentation.IP Receivers:Induced Polarization Receivers[EB/OL].[2017-08]. http://www.gddinstrumentation.com/ip-receivers.

[3] 嚴加永,孟貴祥,呂慶田,等.高密度電法的進展與展望[J].物探與化探,2012(4):576-584.

[4] 曾衛華.一種分布式時間域激電接收裝置及實現方法[P].CN104155696B,2016-10-05.

[5] 劉文峰,李程遠,李善平.嵌入式Linux操作系統的研究[J].浙江大學學報:工學版,2004(4):60-65.

[6] 厲海燕,李新明.實時Linux中共享內存的實現[J].計算機應用,2001(11):75-76.

[7] 王慶輝,馮振國.Web服務器Boa在BF561上的移植及其應用[J].控制工程,2009(S3):74-76.

[8] 陳娟,李元,李萬國.基于B/S模式的嵌入式系統測試方法與實現[J].電子技術應用,2016(2):50-52,56.

[9] 張曦煌,柴志雷.嵌入式Web服務器中CGI的特點及實現[J].小型微型計算機系統,2003(11):2046-2048.

[10] 梁泰文.基于嵌入式Web的CAN總線遠程監控系統的設計與實現[D].北京:清華大學,2004.

[11] Chang Jun Han.Research on CGI in Embedded System[J].Applied Mechanics and Materials,2014(539):534-537.

[12] 呂林濤,萬經華,周紅芳.基于AJAX的Web無刷新頁面快速更新數據方法[J].計算機應用研究,2006(11):199-200,223.

[13] 劉維峰,左澤軍,趙利強,等.基于HTML5的生產裝置實時監測可視化[J].計算機工程與設計,2015(3):809-813.

[14] Steve Fulton&Jeff Fulton.HTML5 Canvas開發詳解[M].任旻，等譯.北京：人民郵電出版社，2013.

焦妍(本科生)，主要研究方向為電子通信工程；曾衛華(講師)，主要研究方向為地球物理儀器。

ApplicationofEmbeddedGatewayinDistributedTimeDomainIPReceivingSystem

JiaoYan1,ZengWeihua2

(1.School of Information Engineering,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.School of Geophysics and Information Technology,China University of Geosciences)

In order to meet the requirements of condition monitoring and controlling in distributed time domain IP receiving system,the monitoring interface based on embedded gateway is designed.The interface based on ARM Linux operating system platform adopts Client/Server (C/S) model,accomplishing the functions of controlling and data quality monitoring,with a comprehensive utilization of embedded Web server BOA and web development technologies including Common Gateway Interface (CGI) and Asynchronous JavaScript And XML (AJAX).Without specific hardware platform and applications,clients only need a browser.The test results indicate that the monitoring interface based on embedded gateway is practical.

embedded gateway;monitoring interface;BOA server;AJAX;distributed receiving system

TP368.1；TH762

A

2017-08-02)