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Web網絡傳感器的遠程數據采集系統設計
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摘要: 在智能傳感器的基礎上結合了CGI和JavaApplet技術,在μC/OS-II操作系統下將μIP協議嵌入到傳感器的ROM中...
Abstract:
Key words :

關鍵字:Web網絡傳感器遠程數據采集Java AppletCGI

引言
    隨著網絡技術和嵌入式技術的發展,將嵌入式系統與Internet相結合對系統進行數據、圖像監控和管理,成為重要研究方向之一。嵌入式Web網絡傳感器技術是傳感器、嵌入式、分布式信息處理和Internet等相關技術交叉結合的技術,它是在智能傳感器的基礎上把TCP/IP協議作為一種嵌入式應用,嵌入現成智能服務器的ROM中,利用傳感器內建的Web服務器,用戶可以通過瀏覽器采集遠程監控對象的信息。

1 Web網絡傳感器數據采集系統工作原理
    用戶通過瀏覽器訪問Web服務器上的數據,將遠程采集到的數據實時顯示到Internet網頁上。用戶需要實時看到數據的變化,而HTML網頁通常只能是靜態的數據,為此在Web服務器上應用動態網頁技術是必要的。動態網頁的實現技術有CGI和HTML腳本嵌入技術(如ASr、PHP、JSP等),由于網絡傳感器嵌入式系統采用的是單片機來實現,其資源有限,為此采用CGI技術來實現動態網頁。
1.1 CGI原理
    CGI(Common Gateway Interface,公共網關接口)提供給Web服務器一個外部程序的通道,實現處理器與瀏覽器之間的通信。CGI是一種接口規范,可以處理客戶端(一般是瀏覽器)輸入的數據,完成瀏覽器和服務器之間的交互操作。CGI是運行在Web服務器上的程序,由瀏覽器的輸入觸發,是服務器和系統中其他程序的橋梁。CGI程序屬于一個外部程序,是運行在服務器端的一個可執行文件。
    CGI程序的工作原理示意圖如圖1所示。

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    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據,并通過HTTP協議向Web服務器發出請求。服務器端的HTTP Daemon(守護進程)將描述的主頁信息通過標準輸入(STDIN)和環境變量(environment variable)傳遞給主頁指定的CGI程序,并啟動此應用程序進行處理(包括對數據庫的處理)。處理結果通過標準輸出(STDOUT)返回給HTTP Daemon,再通過HTTP協議返回給客戶端的瀏覽器,由瀏覽器負責解釋執行,將最終的結果顯示給用戶。

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1.2 基于CGI的數據采集流程
    CGI的數據采集流程如圖2所示。當用CGI實現遠程傳感器溫度數據采集時,CGI程序可以通過直接訪問硬件或調用驅動程序的方式獲得數據。當數據采集完畢后,CGI程序將數據組織成HTTP流并發送到Web服務器上,由Web服務器負責送到客戶端。 

2 實時數據采集技術
2.1 連續數據采集的實現方法
    由于HTTP是基于請求/響應模式的,客戶端和服務端進行一次交互時,開始于客戶提出的一個請求,并在服務器給出響應后結束。而一次交互只能得到一組數據,那么如何實現連續的數據采集呢? 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頁中插入定時刷新功能,它的數量級為s,可以使用戶看到數據的變化,但不能滿足強實時性的要求,而且其中會漏掉一些中間的數據。
    建立TCP連接就是通過在網頁中嵌入ActiveX控件或Java Applet小程序來增強客戶機的功能。其中,ActiveX控件只能在windows環境下運行,而Java Applet通用性強,可以實現跨平臺操作。所以本系統采用Java Applet來進行遠程數據的實時采集。
2.2 Java Applet
    Applet是用Java編寫的,含有可視化內容的,并被嵌入Web頁面中用來產生特殊頁面效果的小程序,經常被用于增加網頁多媒體效果,并使網頁產生互動功能。
    當用戶訪問帶有Java Applet的網頁時,Applet被下載到用戶計算機上執行,但前提是用戶使用的是支持Java的網絡瀏覽器。由于Applet是在用戶計算機上執行的,因此它的執行速度是不受網絡寬帶或者MODEM存取速度的限制,用戶可以更好地查看網頁上Applet產生的多媒體效果。
    Applet必須將HTML的和</applet>一對標記或者</object>嵌入到Web網頁中,使用瀏覽器才能運行。在IE中用標簽取代標簽,在Netscape 4使用標簽取代,但是都必須遵循Java Plug-in中的格式。

3 實時數據采集的具體實現
3.1 硬件實現
    嵌入式Web網絡傳感器的數據采集系統的硬件結構如圖3所示。 

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    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據采集系統芯片,是集數據轉換電路、微控制器、閃存于一體的數據采集系統。它的主要特性有:8通道模擬I/O,247 ksps、12位ADC,2個12位(單調的)電壓輸出DAC片內溫度傳感器;62 KB片內閃速/電擦除程序存儲器,4 KB片內閃速/電擦除數據存儲器,2 304字節的片內數據RAM。
    主芯片通過74LS138譯碼器來進行片選外部數據存儲器KM62256,或者網卡控制器RTL8019AS。通過74HC573地址鎖存器進行當前地址的鎖存,使得輸出端的狀態不會隨輸入端的狀態變化而變化,僅在有鎖存信號時輸入的狀態被保存到輸出,直到下一個鎖存信號到來時才改變,也是為了實現地址的復用。
    在主電路上主要設計了一個信號輸入接口,用來接工業現場的4~20 mA信號的變送器;設計了一個RJ45的網口接口,通過網口可以直接接到Internet上,進行現場數據的上傳和共享;還設計了RS485接口和RS232接口,作為工業現場特殊情況下的數據接入和處理。
    現場傳感器將采集的4~20 mA信號傳送給信號調理板,將其信號轉換為0~2.5 V的電壓信號,然后通過ADuC832轉換為數字量,再通過程序轉換為相應的溫度值,實時地將溫度值顯示在嵌有Java Applet的網頁上。
3.2 軟件實現
3.2.1 操作系統和協議棧的選用
    在嵌入式Web服務器上,選用μC/OS-II作為嵌入式實時操作系統。它是一個可移植、可固化、可裁剪、搶占式的實時操作系統,比傳統的前后臺程序可靠性更高,效率更高。
    TCP/IP是個協議簇,是諸多開放的協議的集合,但是單片機是個小型的微處理器,內部資源有限,因此必須要對協議進行裁剪。本系統采用精簡的小型TCP/IP協議棧——μIP協議棧。μIP協議代碼中包括了一些基本的通信協議:ARP協議、IP協議、ICMP協議和TCP協議,UDP協議、HTTP協議、Telnet協議、SMTP協議等。其中,ARP、IP、ICMP、TCP這4個協議就能實現網絡連接和通信的最基本的功能,同時還能實現CGI技術。其應用層就是HTTP協議,采集數據嵌入在Web服務器網頁中以網頁的形式發布到Internet。
    對于μC/OS-II和μIP的移植,詳見參考文獻。整個系統的軟件結構如圖4所示。

e.JPG

 

</applet>

</applet></object>

3.2.2 Java Applet嵌入網頁的實現
    應用Applet實現嵌入式Web傳感器實時監控程序RealtimeMonitor.java,主要結構如下:
   f.JPG
    其中,192.168.11.30是嵌入式Web服務器的IP地址,data.txt是傳感器經處理器處理后的數據,“wly.sleep(1000);”表示設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網頁中。
    最后,在已加載μC/OS-II和μIP程序的Web服務器上添加嵌入Applet的Monitotor.html網頁,將Monitor.html網頁的文本轉換成十六進制代碼,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服務器上的采集數據。網絡傳感器實時數據采集結果如圖5所示。

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結語
    本文介紹了Web服務器的工作原理,將CGI和Java Applet技術內嵌在嵌入式服務器上,通過客戶端的瀏覽器可以實現嵌入式Web網絡傳感器的實時數據采集,節約了諸多的硬件資源和人力資源,使得對遠程數據自動采集變得更加具有通用性,同時可以適合任何內建嵌入式Web網絡傳感器,具有一定的現實意義。

 

 

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