Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及控制在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

引言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將不斷地和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。嵌入式Web技術(shù)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)成本低、通用性強(qiáng)，能運(yùn)行在8位或16位MCU環(huán)境中，其豐富的Web用戶圖形界面使得嵌入式設(shè)備具有極好的交互性。因此，一旦在嵌入式設(shè)備中集成了Web服務(wù)，就能實(shí)現(xiàn)用戶與嵌入式設(shè)備低成本、高通用性的信息交流，即客戶端利用HTTP瀏覽器(如IE)，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)與嵌入式設(shè)備的信息交互?？梢哉f(shuō)，嵌入式Web的應(yīng)用必將極大地促進(jìn)嵌入式設(shè)備，特別是低端控制設(shè)備、儀器、儀表的信息化，最終將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。
在MCU上開(kāi)發(fā)Web服務(wù)器的難點(diǎn)在于其資源有限。相比臺(tái)式機(jī)PC(幾個(gè)GB的雙核CPU，幾個(gè)GB的內(nèi)存和幾百個(gè)GB的硬盤(pán))來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)的各種硬軟件資源少得可憐。在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及Web控制，既沒(méi)有必要也不現(xiàn)實(shí)。因此，如何緊緊圍繞嵌入式系統(tǒng)的具體應(yīng)用要求，恰當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及Web控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是一個(gè)需要解決的技術(shù)難題。

1 嵌入式Web服務(wù)的一般實(shí)現(xiàn)方法
目前，嵌入式設(shè)備中通常使用的Web服務(wù)器有Apache、httpd、Boa、Thttpd和mini-httpd等。常用的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面的技術(shù)主要有CGI、ASP、PHP、JSP、Java、ISPI等。其中，Boa是一個(gè)運(yùn)行在類(lèi)Unix系統(tǒng)中的小型Web Server，雖然功能比較齊全，但很多功能(如virtual hos-t，內(nèi)存使用量較大)對(duì)嵌入式應(yīng)用而言是冗余的；Apache功能較強(qiáng)大，但占用空間太多(需要幾MB空間，其他Web服務(wù)器只需要幾百KB)；PHP 可擴(kuò)展性較差，安全性不高；標(biāo)準(zhǔn)的CGI需要用到文件、進(jìn)程等操作。
為節(jié)省資源、提高效率，嵌入式環(huán)境下現(xiàn)應(yīng)用較多的是嵌入式動(dòng)態(tài)Web實(shí)現(xiàn)方法，一般采用“Apache+PHP”或者是“Boa+CGI”技術(shù)。然而，在低端的嵌入式設(shè)備中，特別是8位MCU的儀器、儀表中，因?yàn)槭苜Y源尤其是存儲(chǔ)資源的限制，要用上述思路來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)不太現(xiàn)實(shí)，畢竟對(duì)于低端的嵌入式設(shè)備而言，移植操作系統(tǒng)是一件奢侈的事情。

2 嵌入式Web動(dòng)態(tài)服務(wù)的改進(jìn)思路及實(shí)現(xiàn)
考慮到嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用領(lǐng)域多數(shù)是專(zhuān)門(mén)的控制設(shè)備儀表，絕大多數(shù)控制設(shè)備儀表的工作流程都是基本固定的，所以可以考慮采用某種固定的交互模式來(lái)控制這些儀表。能否用這種思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要弄清下面兩個(gè)問(wèn)題：第一，嵌入式Web服務(wù)器的功能有哪些?第二，這些功能是否固定，是否需要擴(kuò)展?如果這種功能既不是很復(fù)雜，又相對(duì)固定，那么就可以按照這種思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，而完全沒(méi)有必要用CGI、ASP等Web動(dòng)態(tài)服務(wù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Web動(dòng)態(tài)服務(wù)。遵照這一思路，本文實(shí)現(xiàn)如下：
①將顯示界面不變的部分作為一個(gè)靜態(tài)頁(yè)面，以HTML格式存儲(chǔ)在ROM中，以方便MCU直接操作。這樣設(shè)計(jì)后，需要注意的問(wèn)題是，MCU的ROM空間是否能同時(shí)存儲(chǔ)程序代碼和網(wǎng)頁(yè)HTML代碼。筆者所設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器的程序代碼量有28 KB，而HTML代碼量有2～3 KB，采用的MCU(即W78E58B)有32 KB ROM空間，因此采用這種設(shè)計(jì)思路完全可行。
②利用替換法提供Web動(dòng)態(tài)服務(wù)。對(duì)需要?jiǎng)討B(tài)改變的內(nèi)容部分作特殊標(biāo)記，例如，環(huán)境溫度值為“TAG：Temperature”，網(wǎng)頁(yè)長(zhǎng)度為“TAG：PageLen”。程序運(yùn)行時(shí)，先將靜態(tài)頁(yè)面由ROM讀入內(nèi)存，然后將環(huán)境溫度值和網(wǎng)頁(yè)長(zhǎng)度值傳送到服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器讀取實(shí)際值并存入內(nèi)存，再用實(shí)際值代替標(biāo)記，生成一個(gè)新的頁(yè)面并將其送給瀏覽器，這樣用戶看到的就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的頁(yè)面。
③經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)后，網(wǎng)頁(yè)文件的值是動(dòng)態(tài)的，但不是實(shí)時(shí)的?？梢圆捎萌缦滤悸穼?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)服務(wù)：利用HTML語(yǔ)言的meta httpequiv =“Refresh”content=“秒數(shù)”；url=“跳轉(zhuǎn)的URL”>來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容的自動(dòng)更新，其刷新時(shí)間由文件開(kāi)頭語(yǔ)句中的content的內(nèi)容決定。該值可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)置，例如筆者設(shè)計(jì)的刷新時(shí)間為2 s。
按照這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，網(wǎng)頁(yè)文件就能在2 s范圍內(nèi)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器采集來(lái)的環(huán)境溫度。

3 嵌入式Web控制的實(shí)現(xiàn)
按照上述思路可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器對(duì)客戶端的Web動(dòng)態(tài)服務(wù)。然而在實(shí)際的嵌入式應(yīng)用中，僅僅一個(gè)Web動(dòng)態(tài)服務(wù)是不夠的，它還應(yīng)支持客戶端數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，以達(dá)到通過(guò)客戶端來(lái)控制服務(wù)器的目的。
那么，如何實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)服務(wù)器端的控制呢?遵照上述設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合HTTP請(qǐng)求中的POST命令來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的Web控制。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
①在網(wǎng)頁(yè)文件中實(shí)現(xiàn)如下表單：

②在嵌入式Web服務(wù)器的HTTP接收模塊中分析HTTP請(qǐng)求的POST數(shù)據(jù)，當(dāng)LEDCtr1=0時(shí)，發(fā)送指令點(diǎn)亮LED燈，否則熄滅LED燈。

4 功能測(cè)試
測(cè)試時(shí)可將嵌入式Web服務(wù)器與客戶端主機(jī)直接相連，并利用PC機(jī)的IE瀏覽器實(shí)時(shí)讀取服務(wù)器測(cè)量的環(huán)境溫度，結(jié)果如圖1所示。左圖是測(cè)量的當(dāng)前環(huán)境溫度顯示的結(jié)果，右圖是當(dāng)采用物理手段(如利用打火機(jī)燒烤傳感器)以提高環(huán)境溫度后顯示的結(jié)果。由圖可知，嵌入式Web服務(wù)器能完成正常的Web動(dòng)態(tài)服務(wù)。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，服務(wù)器系統(tǒng)LED燈的亮／滅完全可由圖1所示的亮／滅控件來(lái)控制，也就是說(shuō)已成功實(shí)現(xiàn)了Web控制。

5 結(jié)論
筆者分析了當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)Web動(dòng)態(tài)服務(wù)的幾種思路，以采集環(huán)境溫度、控制LED燈的亮／滅為例，給出一種在嵌入式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)Web動(dòng)態(tài)服務(wù)與Web控制的實(shí)現(xiàn)思路，并在給出實(shí)現(xiàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)思路的可行性。這為嵌入式設(shè)備，特別是低端嵌入式設(shè)備中順利實(shí)現(xiàn)Web動(dòng)態(tài)服務(wù)及Web控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。