一種高速嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)
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本文詳細(xì)論述了一種通過(guò)嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制在線嵌入式設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了客戶端/服務(wù)器(C/S)模式。通過(guò)簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了嵌入式Web服務(wù)器(EWS)功能。將EWS安裝到設(shè)備中，從而使得嵌入式設(shè)備可以通過(guò)Internet互聯(lián)，同時(shí)可提供網(wǎng)絡(luò)管理頁(yè)面，使用戶可用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器對(duì)眾多設(shè)備進(jìn)行在線遠(yuǎn)程訪問(wèn)、控制和管理，將時(shí)間與距離的限制降到最低。
1 控制系統(tǒng)架構(gòu)
微處理器(MPU)和微控制器(MCU)用于嵌入式設(shè)備的監(jiān)視和控制，成為嵌入式系統(tǒng)的核心。為了在不同的MPU/MCU間相互通信，許多工業(yè)項(xiàng)目采用RS-232、RS-485及CAN等通信標(biāo)準(zhǔn)，但這些途徑的通信速度和距離都有較大局限性，若要將其與Internet互聯(lián)需要特殊的嵌入式網(wǎng)關(guān)的支持，給實(shí)際使用造成很大的不便。EI是一種用于嵌入式設(shè)備接入Internet的互聯(lián)技術(shù)，它可使嵌入式設(shè)備方便可靠地接入Internet中[2]。
為了使嵌入式設(shè)備可以連接到Internet并讓用戶通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器對(duì)其進(jìn)行操作，EI的關(guān)鍵技術(shù)在于使嵌入式設(shè)備可以支持HTTP服務(wù)并具有Web服務(wù)器的功能[2]。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)用戶而言，EWS提供了一個(gè)基于Web的圖形界面，以便于其對(duì)接入Internet的多種嵌入式設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化管理，而不再需要特殊的專用協(xié)議和管理軟件。監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。
在本系統(tǒng)中，EWS內(nèi)嵌于設(shè)備中并通過(guò)串口連接設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都具有自身的IP地址，經(jīng)內(nèi)部EWS由RJ-45接口接入本地局域網(wǎng)(LAN)中(本實(shí)驗(yàn)中，LAN為以太網(wǎng))。一方面EWS讀取設(shè)備狀態(tài)信息并將其發(fā)送給本地或遠(yuǎn)程用戶；另一方面則接收控制指令并發(fā)送給設(shè)備。而更大范圍的廣局網(wǎng)通信則可通過(guò)Internet或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。
2 EWS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 軟件架構(gòu)
本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其中包括兩部分――網(wǎng)絡(luò)瀏覽器與EWS，EWS通過(guò)嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其功能。在實(shí)際應(yīng)用中，EWS被配置在嵌入式設(shè)備中，作為設(shè)備的一部分而存在，這使得該設(shè)備無(wú)需更多改動(dòng)或配置即可直接接入網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí)EWS還內(nèi)建了TCP/IP協(xié)議棧、嵌入式文件系統(tǒng)、設(shè)備網(wǎng)關(guān)及硬件接口等組件，其基本架構(gòu)如圖2所示。
在該架構(gòu)中，嵌入式文件系統(tǒng)對(duì)事先配置的監(jiān)控頁(yè)面進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。嵌入式設(shè)備網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了TCP/IP與實(shí)際使用的特定設(shè)備自身控制協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了雙向透明通信。兩種不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)便可通過(guò)嵌入式設(shè)備相互連接，而硬件接口則負(fù)責(zé)EWS、硬件設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)之間的連接。
當(dāng)本系統(tǒng)工作時(shí)，首先EWS接收到來(lái)自局域網(wǎng)的客戶端基于網(wǎng)址的請(qǐng)求并回應(yīng)該請(qǐng)求。通過(guò)回應(yīng)事先配置好并存放在嵌入式文件系統(tǒng)中的監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)界面，用戶可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器向遠(yuǎn)端設(shè)備發(fā)送指令。該指令經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳送后被設(shè)備網(wǎng)關(guān)接收，設(shè)備網(wǎng)關(guān)將其翻譯為專用指令并進(jìn)一步傳遞給硬件設(shè)備本身。與此同時(shí)，設(shè)備數(shù)據(jù)或信號(hào)也被傳輸給遠(yuǎn)程客戶端以供用戶查看。
2.2 簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議棧
嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效地解決了嵌入式設(shè)備接入因特網(wǎng)的問(wèn)題，使得這些設(shè)備可通過(guò)普通的瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制，如何將TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)嵌到設(shè)備中是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧相對(duì)比較龐大復(fù)雜并需要固定的系統(tǒng)資源支持，而大部分嵌入式設(shè)備都采用8位或16位MCU，其運(yùn)算能力和系統(tǒng)資源比較薄弱。若直接將傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧接入設(shè)備，則大部分運(yùn)算時(shí)間和系統(tǒng)資源都將被占用，這對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響很大[3]。為了解決此矛盾，在設(shè)計(jì)該監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)根據(jù)具體情況選用了成熟的LWIP協(xié)議棧以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，同時(shí)最大限度地減少系統(tǒng)資源消耗并提高了可靠性。
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