嵌入式web服務(wù)器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

摘 要： 為有效滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集需求，本文對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于嵌入式Web服務(wù)器，通過(guò)綜合應(yīng)用ZigBee技術(shù)完成了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。嵌入式Web服務(wù)器同ZigBee傳感器之間通過(guò)串行總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集功能通過(guò)使用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)使用Internet瀏覽器遠(yuǎn)端用戶即可對(duì)Web服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)并實(shí)時(shí)獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng); 實(shí)現(xiàn)路徑; 嵌入式Web服務(wù)器; ZigBee技術(shù)

中圖分類號(hào)： TP393.09文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Remote Data Acquisition System Based on Embedded Web Server

CAI Chuang

（School of Information Engineering， Shanxi Polytechnic Institute， Xianyang， Shanxi 712000， China）

Abstract： In order to effectively meet the needs of remote data acquisition， this paper mainly researches and designs a remote data acquisition system. This system is based on the embedded Web server， and we complete the software and hardware design of the remote data acquisition system through the comprehensive application of ZigBee technology. The data communication process between the Web server and the ZigBee sensor is implemented through a serial bus. The real-time collection function of the field data is achieved by using the ZigBee sensor network. Remote users can access the Web server and obtain remote data in real time by using the Internet browser.

Key words： remote data acquisition system; implementing path; embedded Web server; Zigbee technology

0 引言

快速發(fā)展完善的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能提出了更高的要求，目前遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在日常生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和控制設(shè)備中的嵌入式Web服務(wù)器（Embedded Web Server，EWS，通常采用B/S的工作方式）屬于一種基于嵌入式設(shè)備的小型Web服務(wù)器，具備低資源消耗、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，此類Web服務(wù)器需嵌入式設(shè)備支持CGI功能（Common Gateway Interface，通用網(wǎng)關(guān)接口），并能夠生成動(dòng)態(tài)頁(yè)面，使用非常方便，遠(yuǎn)端用戶據(jù)此可實(shí)時(shí)高效的管理和監(jiān)控嵌入式設(shè)備（通過(guò)Ineternet瀏覽器），已經(jīng)成為嵌入式設(shè)備的主要交互及管理方式。本文的研究重點(diǎn)在于通過(guò)綜合應(yīng)用基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)（一種最具研究?jī)r(jià)值的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）及嵌入式Web服務(wù)技術(shù)，構(gòu)建一種可靠和簡(jiǎn)潔的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，從而實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集和傳送過(guò)程[1]。

1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ZigBee和嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，其總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)的服務(wù)器選用了開源的GoaheadWeb，嵌入式Web服務(wù)器通過(guò)使用三星Exynos處理器完成搭建;ZigBee傳感器使用星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)需使用路由器，僅通過(guò)使用協(xié)調(diào)器（負(fù)責(zé)發(fā)起和建立網(wǎng)絡(luò)）和端節(jié)點(diǎn)（作為終端設(shè)備，端節(jié)點(diǎn)間的通信過(guò)程需通過(guò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)完成）即可實(shí)現(xiàn)通信功能，協(xié)調(diào)器同現(xiàn)場(chǎng)Web服務(wù)器采用串行總線實(shí)現(xiàn)聯(lián)接通信過(guò)程，通過(guò)將相應(yīng)的傳感器配置于終端設(shè)備端節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集過(guò)程，并將采集到的數(shù)據(jù)向協(xié)調(diào)器直接上傳。

2 嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)硬件的主控芯片選用了三星Exynos微處理器（基于ARMCortex-A9內(nèi)核，集成了高性能圖形引擎Mail-400Mp），可有效兼容ARMMPCore技術(shù)和Cortex系列處理器，運(yùn)行主頻高達(dá)1.5 GHz，并配置了DDR3內(nèi)存和Flash存儲(chǔ)器，Exynos處理器支持清晰流暢的3D圖形（支持1080P高清視頻的播放），具備豐富的總線接口（包括SPI、UART、I2C、USB、SDIO等）。具備動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度及八級(jí)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的Cortex-A9處理器可顯著提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，具體通過(guò)利用多事件管道及亂序執(zhí)行機(jī)制實(shí)現(xiàn)了在高頻率設(shè)備（大于1 GHz）各循環(huán)中多達(dá)4條指令的同時(shí)執(zhí)行，支持豐富的通用軟件資源（包括相關(guān)應(yīng)用程序、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、中間件等），可有效滿足本文遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件功能需求[2]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

（1） 選擇EWS，Goahead（體積非常小巧）、Httpd（輕量級(jí)Web服務(wù)器）、Apache（重量級(jí)服務(wù)器）等均為常用的EWS，Httpd提供Http支持;體積較大的Apache較為成熟穩(wěn)定適用于復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用，但其服務(wù)器性能在高負(fù)載情況下要明顯低于單進(jìn)程;面向嵌入式系統(tǒng)的Goahead提供了豐富的服務(wù)特性，支持Http、CGI、靜態(tài)頁(yè)面HTML格式、ASP、JavaScript等，能夠使嵌入式系統(tǒng)相關(guān)開發(fā)問(wèn)題得到有效解決。因此本文選用了Goahead作為嵌入式Web服務(wù)器。

（2） 移植EWS，該遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了Linux操作系統(tǒng)，并以gccversion作為交叉編譯器為，移植EWS的主要步驟為：先進(jìn)入Http：//www.goahead.com網(wǎng)頁(yè)中完成服務(wù)器源碼（Webs218.tar.gz）的下載，再對(duì)源碼工程進(jìn)行解壓處理，接下來(lái)進(jìn)入源碼目錄中對(duì)Linux目錄下的Makefile文件進(jìn)行修改，添加編譯器宏定義（具體路徑為cdws0312/Linux/vim Makefile），然后加入變量CC和AR的定義（分別為arm-Linux-gCC和ARM-Linux-AR），最后通過(guò)交叉編譯make后實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器鏡像的生成，并在目標(biāo)機(jī)將其燒寫下來(lái)，在此基礎(chǔ)上即可配置、啟動(dòng)和運(yùn)行嵌入式Web服務(wù)[3]。

（3） EWS服務(wù)程序設(shè)計(jì)，具體如圖2所示。

嵌入式Web服務(wù)器主要涉及到Http和CGI（負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)），嵌入式Web服務(wù)器在對(duì)其他程序進(jìn)行調(diào)用時(shí)遵循CGI接口標(biāo)準(zhǔn)（由環(huán)境變量、標(biāo)準(zhǔn)輸入及輸出構(gòu)成）規(guī)定的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其同Web瀏覽器間的交互構(gòu)成則通過(guò)CGI程序的調(diào)用實(shí)現(xiàn)，Web服務(wù)器通過(guò)CGI程序接收（由Web瀏覽器發(fā)送）并處理信息，并且響應(yīng)結(jié)果會(huì)回送給Web瀏覽器，從而完成Web網(wǎng)頁(yè)中的相關(guān)操作處理（包括處理表單數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)庫(kù)）及集成所需應(yīng)用系統(tǒng)等工作。包括C語(yǔ)言、visualbasic、Perl等在內(nèi)的CGI編程語(yǔ)言較為常用，考慮到靈活方便的C語(yǔ)言（一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言）具備運(yùn)算豐富、簡(jiǎn)潔緊湊、可移植性好、可直接操作硬件、允許對(duì)物理地址進(jìn)行直接訪問(wèn)、執(zhí)行效率高等優(yōu)勢(shì)，因此在開發(fā)CGI程序時(shí)采用了C語(yǔ)言，Web服務(wù)器算法流程[3]如圖3所示。

3 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)方案

目前ZigBee主要包括雙芯片方案（基于MCU和ZigBee協(xié)處理器）、雙芯片方案（分離了MCU和RF收發(fā)器，Atmel、Microchip等廠商均可提供）和單芯片SOC方案（集成了RF和MCU，飛思卡爾、ST等均可提供）3種實(shí)現(xiàn)方案，德州儀器提供上述3種ZigBee芯片產(chǎn)品。作為一種片上系統(tǒng)解決方案，用于IEEE802.15.4（2.4 GHz）的CC2530具備低成本、低功耗等特點(diǎn)，并適用于基于ZigBee的ISM波段應(yīng)用，可有效滿足ZigBee的應(yīng)用需求，結(jié)合運(yùn)用工業(yè)級(jí)控制器及射頻收發(fā)器（DSSS）的設(shè)計(jì)方案可使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能得到顯著提高[4]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)方案

本文基于ZigBee協(xié)議完成了軟件的設(shè)計(jì)，作為一種ZigBee協(xié)議棧Z-Stack（美國(guó)德州儀器）具備免費(fèi)和半開源特點(diǎn)，可有效運(yùn)行于CC2530硬件體系上，并且符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，支持ZigBee和ZigBeePro協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置通過(guò)使用ZigBee協(xié)調(diào)器完成，在完成信道和網(wǎng)絡(luò)ID選擇的基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行啟動(dòng)。ZigBee協(xié)議棧在進(jìn)一步定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（即NWK和APL）的基礎(chǔ)上，對(duì)介質(zhì)訪問(wèn)層和物理層（即MAC和PHY，由IEEE802.15.4定義）進(jìn)行了規(guī)范使用，開發(fā)人員基于此協(xié)議?？筛鶕?jù)實(shí)際需要通過(guò)自定義的增添實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求的有效滿足[5]。本文采用了星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和定長(zhǎng)通信協(xié)議，具體由子節(jié)點(diǎn)同主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行通信的ZigBee協(xié)調(diào)器組合形成，協(xié)議的定義如表1所示。

固定為25字節(jié)每幀，無(wú)符號(hào)單字節(jié)整數(shù)數(shù)據(jù)類型由“u8”表示。端節(jié)點(diǎn)在ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)對(duì)傳

感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可采用簡(jiǎn)化功能設(shè)備（通常只需一個(gè)作

為端節(jié)點(diǎn)）或全功能設(shè)備作為ZigBee端節(jié)點(diǎn)，讀取傳感器數(shù)據(jù)時(shí)需通過(guò)將傳感器驅(qū)動(dòng)程序添8加到應(yīng)用層中實(shí)現(xiàn)[6]。

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本文以實(shí)時(shí)采集遠(yuǎn)程環(huán)境溫度數(shù)據(jù)為例介紹系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)方案，具體通過(guò)增加HTML frames（內(nèi)嵌框架）并將JavaScript腳本嵌入到網(wǎng)頁(yè)中實(shí)現(xiàn)，環(huán)境溫度通過(guò)調(diào)用CGI腳本完成讀取后由內(nèi)嵌框架進(jìn)行靜態(tài)顯示，通過(guò)結(jié)合運(yùn)用JavaScript腳本的refresh（）函數(shù)（將內(nèi)聯(lián)框架內(nèi)容通過(guò)CGI腳本的調(diào)用實(shí)現(xiàn)重新裝入，并延時(shí)2秒）實(shí)現(xiàn)溫度變化情況的自動(dòng)更新及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示（每?jī)擅敫乱淮螠囟龋?，溫度?shí)時(shí)顯示的核心代碼如下[7]。

〈html〉

〈script type="text/JavaScript"〉

var delay=2 000

function refresh

{getElementById "frame I ".src="get data";setTimeout （"refresh（）"，delay）;}

〈/script〉

〈body="#CCCC00" onload ="refresh（）"〉

〈Add an inline HTML frame〉

〈iframe id="framel" src="about：blank" scrolling="no" name="frame 1" frameborder-"0"〉

〈/iframe〉

〈/body〉

3.4 CGI腳本的程序設(shè)計(jì)

基于TCP/IP協(xié)議棧對(duì)CGI腳本進(jìn)行創(chuàng)建和編寫，具體步驟為：首先完成一個(gè)CGI腳本的函數(shù)原型的創(chuàng)建，并將其添加到虛擬文件系統(tǒng)，然后將具體讀取溫度應(yīng)用程序代碼添加到CGI腳本程序中，將讀取的溫度數(shù)值以HTML頁(yè)面的形式向?yàn)g覽器發(fā)送，主要程序代碼如下[8]。

prototype：

Void get_data（PSOCKET_INFO socket_ptr）;

Definition：

Void get data（socket_ptr）

{Insert application code here.}

Void main

{ Initialization Code

……

Add CGI Script to Virtual File System

Mn_pf_set_entry（（byte*）"get data";

Start mn_server（）}

……}

int temp_int，temp_fraction;

float t， ambient_temp;

ambient temp= ReadTemperature（）;

t=ambient-temp*0.0625;

temp_int =（int）（t）;

temp-fraction =（int）（（t-temp_int+0.05）* 10）;

Static byte html_buffer;

Sprintf （html_offer，”〈HTML〉〈center〉〈span style=＼" font-size： 28pt; ＼"〉%i.%i 〈/span〉〈/center〉〈/HTML〉"，temp_int，temp_fraction）;

socket_ptr-〉send_ptr=htrnl_bu}'er;

len=strlen （html_buffer）;

return;

4 總結(jié)

本文所構(gòu)建的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過(guò)綜合應(yīng)用嵌入式Web服務(wù)器和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件構(gòu)成以及軟件功能的實(shí)現(xiàn)路徑，ZigBee傳感器主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并將其上傳至嵌入式Web服務(wù)器，系統(tǒng)用戶訪問(wèn)Web服務(wù)器（通過(guò)Ineternet瀏覽器）即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確高效的獲取，并以溫度的數(shù)據(jù)采集為例詳細(xì)介紹了軟件功能的實(shí)現(xiàn)方案，該遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本較低，具有較高的實(shí)時(shí)性，顯著提高了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率。

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（收稿日期： 2019.12.18）

作者簡(jiǎn)介：蔡創(chuàng)（1976-），男，碩士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)軟件開發(fā);C語(yǔ)言;Java開發(fā);數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。