基于嵌入式Web服務(wù)器的遠程控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

王海龍，徐曉輝，王 盟 ，張曉婷

（河北工業(yè)大學 信 息工程學院，天津 3 00401）

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)等方面對基于以太網(wǎng)進行遠程通信和控制的要求日益強烈。目前市場上雖已有成熟的Web服務(wù)器可供遠程控制系統(tǒng)選擇，但多是基于通用計算機或?qū)Ｓ梅?wù)器，體積及成本不適合小型控制系統(tǒng)，尤其是在一些環(huán)境惡劣，不易值守或無法安裝計算機控制系統(tǒng)的場所。如今嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，嵌入式處理器的性能不斷提高，基于嵌入式的控制系統(tǒng)得到廣泛應用。考慮到嵌入式系統(tǒng)高性能、低成本、低功耗等諸多特點，這里通過32位嵌入式處理器和以太網(wǎng)控制器構(gòu)建了嵌入式Web服務(wù)器，實現(xiàn)設(shè)備遠程控制。

1 遠程控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

基于嵌入式Web服務(wù)器的遠程控制系統(tǒng)主要由嵌入式Web服務(wù)器以及被控制的現(xiàn)場設(shè)備組成。服務(wù)器通過交換機或調(diào)制解調(diào)器與Internet互聯(lián)網(wǎng)連接，用戶端只需在已聯(lián)網(wǎng)的計算機上通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問該遠程服務(wù)器的IP地址，即可使用該服務(wù)器并實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制。遠程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該嵌入式Web服務(wù)器采用三星公司的S3C44B0X器件作為整個系統(tǒng)的處理器，該器件是以ARM7TDMI為內(nèi)核的RISC處理器，是一種性價比較高的嵌入式32位處理器。網(wǎng)絡(luò)控制部分選用Realtek公司的RTL8019AS作為以太網(wǎng)控制器，系統(tǒng)的Flash選用AMD公司的容量為2 MB，NOR Flash型AM29LV160存儲器，SDRAM選用現(xiàn)代公司的容量為8 MB的HY57V641620HGT存儲器。圖2為該硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖。

2 遠程控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)的選取、網(wǎng)頁服務(wù)器的配置、網(wǎng)頁的編輯、驅(qū)動程序和服務(wù)器應用程序的配置移植，軟件層次如圖3所示。

圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖3 軟件層次

由于該處理器不具有MMU（存儲器管理單元）且需要完備以太網(wǎng)協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)頁服務(wù)器，故選擇開源的嵌入式μClinux操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)從Linux2.0.發(fā)展而來，專門應用于不具備MMU的微控制系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)提供了3個Web服務(wù)器：httpd，Thttpd和BOA。其中功能最簡單的是httpd，不支持認證、CGI。Thttpd和BOA服務(wù)器都支持認證、CGI（Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關(guān)接口）等，但由于Thttpd服務(wù)器需要的資源比BOA大得多，故該系統(tǒng)最終采用BOA服務(wù)器作為遠程控制的網(wǎng)頁服務(wù)器[1]。

2.1 BOA服務(wù)器的配置

BOA是一個單任務(wù)的http服務(wù)器，安全性高、源代碼開放、性能高。在μClinux的發(fā)行版中，在主目錄下的user目錄里，有BOA服務(wù)器的目錄，在example子目錄中，有2個文件boa.conf和mime.types，這里需要修改配置boa.conf文件，它是BOA服務(wù)器的參數(shù)配置文件，配置如下：

另外該系統(tǒng)將src目錄下的defines.h頭文件SERVER_ROOT宏定義設(shè)置為home目錄，即服務(wù)器目錄，配置操作系統(tǒng)時，boa.conf和mime.typs都必須復制到此服務(wù)器目錄下，從而完成服務(wù)器的配置。

2.2 服務(wù)器與客戶端動態(tài)交互的實現(xiàn)

在動態(tài)網(wǎng)頁交互設(shè)計中，主要有CGI（Common Gateway Interface），PHP（Personal Home Page），ASP（Active Server Page）和JSP（Java Server Page）4種技術(shù)。在Linux下實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁通常選擇CGI技術(shù)。CGI稱為公共網(wǎng)關(guān)接口，是一段運行于服務(wù)器上的程序，可以將客戶端瀏覽器遞交的信息傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器則會啟動對應CGI程序去執(zhí)行，最終可將結(jié)果再反饋給客戶端。CGI程序的編寫可以采用任何編程語言，只要這種語言具有標準輸入、輸出和環(huán)境變量。由于C語言具有較強的平臺無關(guān)性，因此該系統(tǒng)采用C語言來編寫CGI程序[2]。

動態(tài)網(wǎng)頁是通過網(wǎng)頁內(nèi)嵌表單的方式進行信息傳遞的。該系統(tǒng)首先采用網(wǎng)頁編輯軟件Dreamweaver編輯登陸界面index.html及遠程控制界面remote.html。在編輯表單選項時由action屬性指向相應CGI程序路徑，由method屬性決定提交數(shù)據(jù)的方式是GET方式還是POST方式?？蛻舳藗魉偷椒?wù)器的數(shù)據(jù)采用URL編碼的方式傳送，例如參數(shù)采用name=value的形式，每對之間用"&"連接，特殊字符用"%"加一個十六進制數(shù)字編碼，輸入的空格用"+"來表示等，所以服務(wù)器端的CGI在接收數(shù)據(jù)時需經(jīng)過解碼操作[3]。

環(huán)境變量在CGI程序設(shè)計中很重要，客戶端和服務(wù)器端都將信息存儲在某些變量中，環(huán)境變量有3類：與服務(wù)器相關(guān)的環(huán)境變量、與客戶端相關(guān)的環(huán)境變量以及與請求相關(guān)的環(huán)境變量。其中最常用的環(huán)境變量有REQUEST_METHOD記錄請求方式，QUERY_STRING存儲傳遞的數(shù)據(jù)，CONTENT_LENGTH傳遞數(shù)據(jù)的長度。

編程時先創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)entry，用來記錄要使用的變量和變量名。

當采用GET方式傳遞信息時，可使用如下代碼獲得傳輸?shù)臄?shù)據(jù)：

當采用POST方法傳遞信息時，可使用如下代碼獲得傳輸?shù)臄?shù)據(jù)：

2.3 驅(qū)動程序和應用程序設(shè)計

設(shè)備驅(qū)動程序是系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口，它為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，在應用程序看來，硬件設(shè)備已抽象為設(shè)備文件，可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進行操作。Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口[4－5]。應用程序在系統(tǒng)中是不能直接訪問硬件地址的，因此應用程序?qū)唧w設(shè)備的操作必須通過設(shè)備驅(qū)動程序來實現(xiàn)。本例通過編寫對應端口的驅(qū)動程序，實現(xiàn)了對端口的輸入輸出設(shè)置，以及輸出高低電平的系統(tǒng)調(diào)用接口。在目錄/μClinux－dist/linux－2．4．x/drivers/char下創(chuàng)建驅(qū)動源文件port．c和驅(qū)動頭文件port．h。編寫端口的驅(qū)動程序最重要的是編寫port_ioctl接口調(diào)用函數(shù)，其中定義了實現(xiàn)功能的所有命令，以供應用程序調(diào)用。

設(shè)備驅(qū)動程序加入系統(tǒng)有2種方式，一種是直接編入內(nèi)核中，另一種是以模塊的方式靈活添加。由于本例較簡單，所以直接編入內(nèi)核中。通過在當前目錄下的Makefile管理文件和Config．in配置文件添加相應項，并在vendor/Samsung/44B0/目錄下的Makefile中device部分添加port,c,126,0，使系統(tǒng)啟動時即注冊設(shè)備[6]。

編寫CGI應用程序時，只需打開相應的設(shè)備文件，就可通過調(diào)用驅(qū)動中的命令控制接口實現(xiàn)對端口的控制。

然后可通過ioctl系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)對端口的控制，程序結(jié)束時再調(diào)用close（fd）關(guān)閉設(shè)備。

在配置BOA服務(wù)器時，這里設(shè)定CGI程序的目錄是/home/www/cgi－bin/目錄，使用交叉編譯工具生成CGI程序并放入此目錄下，然后對整個操作系統(tǒng)內(nèi)核進行配置裁剪，最終生成的系統(tǒng)鏡像中就可以包含編寫的程序功能，實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制。圖4為遠程控制界面。

通過測試該遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對外部設(shè)備的遠程控制，只需對CGI程序進行適當修改即可實現(xiàn)較復雜系統(tǒng)的控制。

圖4 遠程控制界面

3 結(jié)束語

隨著計算機、通信、嵌入式和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)已不能滿足遠程控制的要求，而基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)正逐漸成為遠程控制的首選。本文利用ARM內(nèi)核的32位處理器及以太網(wǎng)控制器搭建硬件平臺，移植了μClinux嵌入式操作系統(tǒng)，配置了BOA服務(wù)器，通過編寫設(shè)備驅(qū)動程序和CGI程序，實現(xiàn)了遠程控制系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景。

[1]李磊．利用CGI程序?qū)崿F(xiàn)動態(tài)WEB的方法[J]．科學技術(shù)與工程，2009，9（6）：1611－1613．

[2]盧玲．CGI與動態(tài)網(wǎng)站設(shè)計技術(shù)綜述[J]．重慶工學院學報，2003（5）：53－56．

[3]李勇．CGI在嵌入式WEB服務(wù)器中的應用與實現(xiàn)[J]．微計算機信息，2008，24（10－3）：110－111．

[4]周立功，陳明計，陳渝．ARM嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建與驅(qū)動開發(fā)范例[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006．

[5]劉淼．嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M]．北京：北京航天航空大學出版社，2006．

[6]廖日坤．ARM嵌入式應用開發(fā)技術(shù)白金手冊[M]．北京：中國電力出版社，2005．