《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Web網(wǎng)絡(luò)傳感器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
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摘要: 在智能傳感器的基礎(chǔ)上結(jié)合了CGI和JavaApplet技術(shù),,在μC/OS-II操作系統(tǒng)下將μIP協(xié)議嵌入到傳感器的ROM中...
Abstract:
Key words :

關(guān)鍵字:Web網(wǎng)絡(luò)傳感器遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,;Java Applet,;CGI

引言
    隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展,將嵌入式系統(tǒng)與Internet相結(jié)合對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù),、圖像監(jiān)控和管理,,成為重要研究方向之一,。嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)是傳感器,、嵌入式,、分布式信息處理和Internet等相關(guān)技術(shù)交叉結(jié)合的技術(shù),它是在智能傳感器的基礎(chǔ)上把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式應(yīng)用,,嵌入現(xiàn)成智能服務(wù)器的ROM中,,利用傳感器內(nèi)建的Web服務(wù)器,用戶可以通過瀏覽器采集遠(yuǎn)程監(jiān)控對象的信息,。

1 Web網(wǎng)絡(luò)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理
    用戶通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器上的數(shù)據(jù),,將遠(yuǎn)程采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示到Internet網(wǎng)頁上。用戶需要實(shí)時看到數(shù)據(jù)的變化,,而HTML網(wǎng)頁通常只能是靜態(tài)的數(shù)據(jù),,為此在Web服務(wù)器上應(yīng)用動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)是必要的。動態(tài)網(wǎng)頁的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有CGI和HTML腳本嵌入技術(shù)(如ASr,、PHP,、JSP等),,由于網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式系統(tǒng)采用的是單片機(jī)來實(shí)現(xiàn),,其資源有限,為此采用CGI技術(shù)來實(shí)現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁,。
1.1 CGI原理
    CGI(Common Gateway Interface,,公共網(wǎng)關(guān)接口)提供給Web服務(wù)器一個外部程序的通道,實(shí)現(xiàn)處理器與瀏覽器之間的通信,。CGI是一種接口規(guī)范,,可以處理客戶端(一般是瀏覽器)輸入的數(shù)據(jù),完成瀏覽器和服務(wù)器之間的交互操作,。CGI是運(yùn)行在Web服務(wù)器上的程序,,由瀏覽器的輸入觸發(fā),是服務(wù)器和系統(tǒng)中其他程序的橋梁,。CGI程序?qū)儆谝粋€外部程序,,是運(yùn)行在服務(wù)器端的一個可執(zhí)行文件。
    CGI程序的工作原理示意圖如圖1所示,。

b.JPG


    客戶端的Web瀏覽器瀏覽到某個主頁后,,利用一定的方式提交數(shù)據(jù),,并通過HTTP協(xié)議向Web服務(wù)器發(fā)出請求。服務(wù)器端的HTTP Daemon(守護(hù)進(jìn)程)將描述的主頁信息通過標(biāo)準(zhǔn)輸入(STDIN)和環(huán)境變量(environment variable)傳遞給主頁指定的CGI程序,,并啟動此應(yīng)用程序進(jìn)行處理(包括對數(shù)據(jù)庫的處理),。處理結(jié)果通過標(biāo)準(zhǔn)輸出(STDOUT)返回給HTTP Daemon,再通過HTTP協(xié)議返回給客戶端的瀏覽器,,由瀏覽器負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行,,將最終的結(jié)果顯示給用戶。

c.JPG


1.2 基于CGI的數(shù)據(jù)采集流程
    CGI的數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示,。當(dāng)用CGI實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳感器溫度數(shù)據(jù)采集時,,CGI程序可以通過直接訪問硬件或調(diào)用驅(qū)動程序的方式獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后,,CGI程序?qū)?shù)據(jù)組織成HTTP流并發(fā)送到Web服務(wù)器上,,由Web服務(wù)器負(fù)責(zé)送到客戶端。 

2 實(shí)時數(shù)據(jù)采集技術(shù)
2.1 連續(xù)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方法
    由于HTTP是基于請求/響應(yīng)模式的,,客戶端和服務(wù)端進(jìn)行一次交互時,,開始于客戶提出的一個請求,并在服務(wù)器給出響應(yīng)后結(jié)束,。而一次交互只能得到一組數(shù)據(jù),,那么如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集呢? 一般有兩種方法:即客戶端牽引和建立TCP連接。
    客戶端牽引就是在網(wǎng)頁中插入定時刷新功能,,它的數(shù)量級為s,,可以使用戶看到數(shù)據(jù)的變化,但不能滿足強(qiáng)實(shí)時性的要求,,而且其中會漏掉一些中間的數(shù)據(jù),。
    建立TCP連接就是通過在網(wǎng)頁中嵌入ActiveX控件或Java Applet小程序來增強(qiáng)客戶機(jī)的功能。其中,,ActiveX控件只能在windows環(huán)境下運(yùn)行,,而Java Applet通用性強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)跨平臺操作,。所以本系統(tǒng)采用Java Applet來進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的實(shí)時采集,。
2.2 Java Applet
    Applet是用Java編寫的,含有可視化內(nèi)容的,,并被嵌入Web頁面中用來產(chǎn)生特殊頁面效果的小程序,,經(jīng)常被用于增加網(wǎng)頁多媒體效果,并使網(wǎng)頁產(chǎn)生互動功能,。
    當(dāng)用戶訪問帶有Java Applet的網(wǎng)頁時,,Applet被下載到用戶計算機(jī)上執(zhí)行,但前提是用戶使用的是支持Java的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。由于Applet是在用戶計算機(jī)上執(zhí)行的,,因此它的執(zhí)行速度是不受網(wǎng)絡(luò)寬帶或者M(jìn)ODEM存取速度的限制,,用戶可以更好地查看網(wǎng)頁上Applet產(chǎn)生的多媒體效果。
    Applet必須將HTML的和</applet>一對標(biāo)記或者</object>嵌入到Web網(wǎng)頁中,,使用瀏覽器才能運(yùn)行,。在IE中用標(biāo)簽取代標(biāo)簽,在Netscape 4使用標(biāo)簽取代,,但是都必須遵循Java Plug-in中的格式,。

3 實(shí)時數(shù)據(jù)采集的具體實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件實(shí)現(xiàn)
    嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。 

d.JPG

    ADuC832是ADI公司推出的混合信號單片微控制器,,是真正意義上完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片,,是集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、微控制器,、閃存于一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。它的主要特性有:8通道模擬I/O,247 ksps,、12位ADC,,2個12位(單調(diào)的)電壓輸出DAC片內(nèi)溫度傳感器;62 KB片內(nèi)閃速/電擦除程序存儲器,,4 KB片內(nèi)閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器,,2 304字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。
    主芯片通過74LS138譯碼器來進(jìn)行片選外部數(shù)據(jù)存儲器KM62256,,或者網(wǎng)卡控制器RTL8019AS,。通過74HC573地址鎖存器進(jìn)行當(dāng)前地址的鎖存,使得輸出端的狀態(tài)不會隨輸入端的狀態(tài)變化而變化,,僅在有鎖存信號時輸入的狀態(tài)被保存到輸出,,直到下一個鎖存信號到來時才改變,也是為了實(shí)現(xiàn)地址的復(fù)用,。
    在主電路上主要設(shè)計了一個信號輸入接口,,用來接工業(yè)現(xiàn)場的4~20 mA信號的變送器;設(shè)計了一個RJ45的網(wǎng)口接口,,通過網(wǎng)口可以直接接到Internet上,進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的上傳和共享,;還設(shè)計了RS485接口和RS232接口,,作為工業(yè)現(xiàn)場特殊情況下的數(shù)據(jù)接入和處理。
    現(xiàn)場傳感器將采集的4~20 mA信號傳送給信號調(diào)理板,,將其信號轉(zhuǎn)換為0~2.5 V的電壓信號,,然后通過ADuC832轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,再通過程序轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值,實(shí)時地將溫度值顯示在嵌有Java Applet的網(wǎng)頁上,。
3.2 軟件實(shí)現(xiàn)
3.2.1 操作系統(tǒng)和協(xié)議棧的選用
    在嵌入式Web服務(wù)器上,,選用μC/OS-II作為嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。它是一個可移植,、可固化,、可裁剪、搶占式的實(shí)時操作系統(tǒng),,比傳統(tǒng)的前后臺程序可靠性更高,,效率更高。
    TCP/IP是個協(xié)議簇,,是諸多開放的協(xié)議的集合,,但是單片機(jī)是個小型的微處理器,內(nèi)部資源有限,,因此必須要對協(xié)議進(jìn)行裁剪,。本系統(tǒng)采用精簡的小型TCP/IP協(xié)議棧——μIP協(xié)議棧。μIP協(xié)議代碼中包括了一些基本的通信協(xié)議:ARP協(xié)議,、IP協(xié)議,、ICMP協(xié)議和TCP協(xié)議,UDP協(xié)議,、HTTP協(xié)議,、Telnet協(xié)議、SMTP協(xié)議等,。其中,,ARP、IP,、ICMP,、TCP這4個協(xié)議就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和通信的最基本的功能,同時還能實(shí)現(xiàn)CGI技術(shù),。其應(yīng)用層就是HTTP協(xié)議,,采集數(shù)據(jù)嵌入在Web服務(wù)器網(wǎng)頁中以網(wǎng)頁的形式發(fā)布到Internet。
    對于μC/OS-II和μIP的移植,,詳見參考文獻(xiàn),。整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

e.JPG

 

</applet>

</applet></object>

3.2.2 Java Applet嵌入網(wǎng)頁的實(shí)現(xiàn)
    應(yīng)用Applet實(shí)現(xiàn)嵌入式Web傳感器實(shí)時監(jiān)控程序RealtimeMonitor.java,,主要結(jié)構(gòu)如下:
   f.JPG
    其中,,192.168.11.30是嵌入式Web服務(wù)器的IP地址,data.txt是傳感器經(jīng)處理器處理后的數(shù)據(jù),,“wly.sleep(1000),;”表示設(shè)置采集的時間間隔為1s,。
    通過JDK軟件包,使用命令javac RealtimeMonitor.java將Java程序編譯成RealtimeMonitor.class,,然后使用“</applet>”嵌入到HTML網(wǎng)頁中,。
    最后,在已加載μC/OS-II和μIP程序的Web服務(wù)器上添加嵌入Applet的Monitotor.html網(wǎng)頁,,將Monitor.html網(wǎng)頁的文本轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制代碼,,放置在μIP的fsdata.c文件中并嵌入到處理的ROM中,通過Keil將所有程序編譯生成HEX文件,,下載到嵌入式Web處理器里,。
    打開瀏覽器輸入IP地址192.168.11.30,訪問嵌入式Web服務(wù)器上的采集數(shù)據(jù),。網(wǎng)絡(luò)傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖5所示,。

a.JPG


結(jié)語
    本文介紹了Web服務(wù)器的工作原理,將CGI和Java Applet技術(shù)內(nèi)嵌在嵌入式服務(wù)器上,,通過客戶端的瀏覽器可以實(shí)現(xiàn)嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)傳感器的實(shí)時數(shù)據(jù)采集,,節(jié)約了諸多的硬件資源和人力資源,使得對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)自動采集變得更加具有通用性,,同時可以適合任何內(nèi)建嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)傳感器,,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

 

 

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