基于 ARM和 Web服務(wù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計?

舒 劍

(集美大學(xué) 信息工程學(xué)院,福建 廈門 361021)

在工業(yè)控制領(lǐng)域,對測量數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測是必不可少的重要環(huán)節(jié).目前,對這些設(shè)備的集中控制大都采用CAN,RS-485,RS-232等局部組網(wǎng)方式,只能在本地顯示和控制,相對孤立.隨著信息化進程的加快和控制規(guī)模的擴大,這些設(shè)備面臨更緊迫的聯(lián)網(wǎng)需求.而 Internet在這一領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢.近些年,把 Internet技術(shù)和Web技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng),實現(xiàn)終端設(shè)備智能化、網(wǎng)絡(luò)化,一直是熱點[1].

本系統(tǒng)采用 ARM平臺,可掛接多個串口設(shè)備,將采集到的多路數(shù)據(jù)以 Web服務(wù)的形式發(fā)布,任何聯(lián)網(wǎng)的遠程計算機可通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù).

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以 Samsung公司的 S3C2410 ARM處理器為核心,搭配以太網(wǎng)接口芯片 DM9000,通過網(wǎng)絡(luò)接口的軟件設(shè)計實現(xiàn)嵌入式的Web服務(wù)器,支持 HT TP遠程訪問.數(shù)據(jù)采集部分使用 S3C2410集成的串行控制 器 UART0和UART1,擴展掛接多個外部數(shù)據(jù)采集單元,稱為設(shè)備端點,以 RS-485方式連接.采集數(shù)據(jù)以文件形式保存在 S3C2410核心板的存儲器中,供遠程計算機通過瀏覽器訪問.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示.

2 硬件設(shè)計

2.1 以太網(wǎng)接口設(shè)計[2-3]

S3C2410通過外接一片 DM9000以太網(wǎng) MAC芯片擴展了一個 10/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)接口.DM9000是一款高性能和低功耗的 CMOS芯片,完全兼容 IEEE802.3u,支持 10/100 Mbit/s單工和雙工模式的以太網(wǎng)傳輸,支持 IEEE802.3x全雙工流控制,具備載波多路訪問和碰撞檢測(CSM A/CD)機制,具備 4 k雙字 SRAM的接收緩沖區(qū).支持與處理器之間的 8 bit,16 bit,32 bit接口方式.

S3C2410與 DM9000的連接需完成數(shù)據(jù)、地址、控制三大總線的連接,如圖 2所示.將 S3C2410的數(shù)據(jù)線 MD[0：15]和 DM9000的 SD[0：15]連接,用于數(shù)據(jù)傳輸.S3C2410是 32 bit CPU,支持最大 4 GB的存儲空間,其中 00000000H～ 40000000H地址空間等分為 8個區(qū)域,由 nGCS0～ nGCS7片選.在設(shè)計中DM9000占用 nGCS2片選.為使 DM9000能夠被正確尋址,需將 AEN(地址允許)與 nGCS2連接,并將SA9,SA8置高電平,SA7,SA6,SA5,SA4置低電平,當(dāng) CPU將 nGCS2置低電平時,DM9000被選中.CMD端用于設(shè)置數(shù)據(jù) /地址模式,當(dāng) CMD為高電平時選通數(shù)據(jù)端口,為低電平時選通地址端口.IN T端用于向 CPU發(fā)出中斷,使用了 S3C2410的 EINT2中斷.另外,DM9000支持 3種接口寬度,設(shè)計中設(shè)置 DM9000為 16 bit模式,需將 W AKEUP和 EEDO接低電平.

2.2 RS-485串行接口設(shè)計

S3C2410內(nèi)部具有 3個獨立的 UART控制器,每個控制器都可以工作在中斷模式或 DM A模式,也就是說 UART控制器可以在 CPU與 UART控制器傳送數(shù)據(jù)的時候產(chǎn)生中斷或 DMA請求.每個UART控制器均具有 16字節(jié)的 FIFO,在使用系統(tǒng)時鐘時支持的最高波特率可達 230.4 kbit/s.設(shè)計中使用其中的 UART0和 UART1,各連接 4個設(shè)備端點,采用軟件查詢工作模式,波特率發(fā)生器采用CPU的系統(tǒng)時鐘,波特率定為 9600 bit/s.

RS-232通信距離不超過 20 m,而 RS-485可達 1200 m,為了便于設(shè)備端點的安置,需將 RS-232接口轉(zhuǎn)換為 RS-485接口.設(shè)計中使用 MAX3232作為 RS-232接口器件,該器件采用+3.3 V供電,實現(xiàn) EIA-232電平與 T TL/CMOS電平的轉(zhuǎn)換.RS-485轉(zhuǎn)換器采用深圳宇泰科技有限公司的 UT-201轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器不需外部供電,實現(xiàn) RS-232到 RS-485的雙向透明轉(zhuǎn)換[4].串行接口模塊的連接如圖 3所示.在水產(chǎn)育種場的實際應(yīng)用中,設(shè)備端點用于測量海水的溶解氧含量、氨氮濃度、含鹽量、pH值、水溫參數(shù)等.各設(shè)備端點均包括 AT89C52單片機、傳感器和 MAX485芯片,M AX485將端點連接到系統(tǒng)的 RS-485總線上.

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計有兩方面,一是本地數(shù)據(jù)采集,將數(shù)據(jù)寫入文件;二是網(wǎng)絡(luò)編程,實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)查詢.

本地數(shù)據(jù)采集通過 RS-485進行,采用 UT-201將 RS-232單端信號透明地轉(zhuǎn)換為 RS-485平衡差分信號,對于 S3C2410而言,UT-201不可見,外部仍是 RS-232串行設(shè)備,且 UART0和 UART1外接的RS-232接口是板載 Linux系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口,使用系統(tǒng) API函數(shù)可方便地進行讀寫操作.主控端(S3C2410)與設(shè)備端點之間采用主從通信方式,所有設(shè)備端點始終處于被動地位,等待主控端發(fā)出控制指令,如“id01rd00”,“01”表示此次呼叫的是設(shè)備端點 1,“00”表示讀取該設(shè)備端點的傳感器模塊第0通道的值.各設(shè)備端點收到指令并根據(jù)其中編號判斷此時主控端是否在與自己通信,若是則做一次數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)回送主控端.為此需設(shè)計一個單獨的數(shù)據(jù)采集進程,該進程任務(wù)簡單,每隔固定的 15 min時間間隔輪詢一次各設(shè)備端點,發(fā)出控制指令并回收測量數(shù)據(jù),寫入歷史數(shù)據(jù)文件 mass.dat.在寫入之前可設(shè)置一個全局變量標(biāo)志,寫入完成后撤銷,供后面的查詢程序判讀,需等待至標(biāo)志撤銷再進行查詢,以免讀寫沖突.由于測量數(shù)據(jù)的量小,寫操作執(zhí)行時間在幾十至幾百 ms之間.對串口的讀寫在 3.3節(jié)敘述,對文件的讀寫使用 Linux API函數(shù)即可簡單實現(xiàn),相關(guān)函數(shù)為 open(),read(),write()和close(),在此不贅述.

網(wǎng)絡(luò)編程包含兩個層次,首先要建立以太網(wǎng)通信接口,然后在此基礎(chǔ)上建立 Web服務(wù),按 HTTP協(xié)議與遠程計算機交換信息,設(shè)計的 Web服務(wù)支持 HT TP指令集中的 GET指令.在微處理器系統(tǒng)中實現(xiàn)嵌入式 Web服務(wù)器是嵌入式 TCP/IP協(xié)議棧的典型應(yīng)用,也是微處理器系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢[5].

3.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信接口設(shè)計[6]

Socket共3種類型.出于可靠性的考慮,在設(shè)計中使用流式Socket,能提供比UDP連接更可靠的 TCP連接方式.服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖 4(a)和(b)所示.服務(wù)器程序使用 socket()函數(shù)打開套接字,用bind()函數(shù)綁定指定端口,本設(shè)計使用 80端口.然后在綁定的端口上監(jiān)聽任何連接請求,若有請求到來則調(diào)用accept()函數(shù)接受該連接,并為該連接創(chuàng)建新的子進程,在子進程中處理該連接,這樣設(shè)計的目的是為了使服務(wù)器能夠處理多客戶的并發(fā)連接請求.連接建立后,子進程使用recv()函數(shù)獲取客戶瀏覽器發(fā)來的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)的格式符合 HTT P請求消息的格式.解析出 HTT P請求消息后,做相應(yīng)處理,根據(jù)不同的請求消息返回相應(yīng)數(shù)據(jù)給客戶的瀏覽器,返回的數(shù)據(jù)也需符合 HT TP消息響應(yīng)的格式.客戶端使用現(xiàn)有的通用瀏覽器軟件,如 Internet Explorer不需再行編程,其主要流程如圖 4(c)所示.

3.2 嵌入式 Web服務(wù)器設(shè)計

實現(xiàn)嵌入式 Web服務(wù)器的關(guān)鍵在于使系統(tǒng)支持 HTT P協(xié)議,它是萬維網(wǎng)的基本傳輸協(xié)議[7].為了明確 Web服務(wù)器和客戶瀏覽器的相互操作,HT TP協(xié)議定義了瀏覽器發(fā)送到服務(wù)器的請求的格式,以及服務(wù)器返回應(yīng)答的格式.編程實現(xiàn)對 HTT P協(xié)議的解析,其過程具體而言是對客戶瀏覽器發(fā)送過來的HTTP請求消息進行接收、處理和應(yīng)答,在圖 4(b)中已反映了這一過程,但還需具體說明其中 HTTP請求消息的處理過程.根據(jù)系統(tǒng)功能的需要,在嵌入式環(huán)境下服務(wù)器并不需要支持所有的 HT TP請求消息,本設(shè)計支持 GET請求消息.根據(jù)客戶瀏覽器的請求,返回相應(yīng)的HTM L超文本文件、圖片文件等.嵌入式Web服務(wù)器 IP為192.168.2.120,端口為 80.在客戶計算機上打開瀏覽器并輸入http：//192.168.2.120/query.html,這是數(shù)據(jù)查詢的首頁面,回車后服務(wù)器收到 HT TP請求消息內(nèi)容為：

＞＞ GET /query.html HTTP/1.1;

＞ ＞ Host：192.168.2.120;

＞ ＞ Accept：image/gif,image/x-xbitmap,image/jpeg,image/pjpeg,*.*;

＞ ＞ Accept-Language：en;

＞ ＞ Accept-Encoding：gzip,deflate;

＞ ＞ User-Agent：Mozilla/4.0(compatible;MSIE6.0;Windows N T5.0);

＞ ＞ Connection：Keep-Alive.

服務(wù)器收到上述消息后,回應(yīng)的內(nèi)容由響應(yīng)消息頭和文件數(shù)據(jù)流構(gòu)成：

＜＜HTTP/1.1200 O K;

＜ ＜ Date：Fri May 3019：12：162008 GM T;

＜ ＜ Server：Embedded Web Server(Linux);

＜ ＜ Last-Modified：Fri Sep2114：16：182007GM T;

＜ ＜ Content-Length：555;

＜ ＜ Connection：close;

＜ ＜ Content-Type：text/html;

＜＜;

＜＜文件數(shù)據(jù)流.在.根據(jù)所請求文件的類型,若請求的是 html文件則調(diào)用 do html( )函數(shù),將文件內(nèi)容和相應(yīng)的響應(yīng)消息頭打包為 HTT P響應(yīng)消息發(fā)送給客戶瀏覽器;若請求的是 jpg,gif等圖形文件則調(diào)用 do_ img ()函數(shù),將文件內(nèi)容和相應(yīng)的響應(yīng)頭格式打包為 HT TP響應(yīng)消息發(fā)送給客戶瀏覽器;若請求的是其它文件,則以下載形式發(fā)送給客戶瀏覽器;若請求的文件不存在,則調(diào)用 do _404()函數(shù),返回一個文件不存在的HTTP響應(yīng)消息.

圖5 在瀏覽器中輸入查詢條件Fig.5 Input query condition on browser

圖6 瀏覽器顯示查詢結(jié)果Fig.6 Show query result on browser

如圖 5所示,輸入查詢條件并點擊“查詢”按鈕,依 query.html中的按鈕動作設(shè)置,客戶瀏覽器將向服務(wù)器請求 result.html文件,同時附帶 4個 INPUT元素的內(nèi)容作為請求參數(shù).對 result.html的請求過程和響應(yīng)過程與 query.html是一樣的,但 do html ()函數(shù)需區(qū)別處理對 query.html和 result.html的請求,如圖 8所示,當(dāng)客戶瀏覽器請求 query.html時,服務(wù)器只需簡單地讀取 Flash中事先編制好的query.html文件返回給客戶瀏覽器,而請求 result.html時,Flash中并沒有真實的result.html文件存在,而是服務(wù)器程序根據(jù)4個參數(shù)中的水池編號、查詢開始時間和結(jié)束時間到歷史數(shù)據(jù)文件 mass.dat中搜索符合條件的數(shù)據(jù)記錄,整理存放在 RAM中動態(tài)開辟的空間中,并在返回給客戶瀏覽器后釋放空間.若先將符合條件的記錄保存為靜態(tài)磁盤文件 reqult.html,再將其返回給客戶瀏覽器,則在多用戶同時查詢時會出現(xiàn)文件相互覆蓋的現(xiàn)象,造成客戶瀏覽器數(shù)據(jù)顯示錯亂,采用動態(tài)方式可避免此問題.查詢之前先判斷確認(rèn)碼,可保護數(shù)據(jù)不被非法查詢.查詢結(jié)果如圖 6所示.

3.3 串口讀寫控制程序

對串行口進行讀寫操作之前需設(shè)置波特率和數(shù)據(jù)幀格式.可以使用 cfsetospeed()和 cfsetispeed()函數(shù)在 termios結(jié)構(gòu)體中設(shè)置波特率,設(shè)置波特率為 9 600 bit/s的方法為

struct termios options;

tcgetattr(uart0_hd,&options);

cfsetispeed(&options,B9600);

cfsetospeed(&options,B9600);

options.c cflag |=(CLOCAL|CREAD);

設(shè)置幀格式為 8 bit數(shù)據(jù),無校驗位：

options.c cflag |=PARENB;

options.c_cflag&=～CSTO PB;

options.c cflag&=～CSIZE;

options.c_cflag |= CS8;

最后執(zhí)行 tcsetattr(uart0_hd,TCSANOW,&options)為端口寫入新的參數(shù).

根據(jù)軟件的設(shè)計構(gòu)想,串口需對各設(shè)備端點進行輪詢和數(shù)據(jù)采集.Linux通過設(shè)備文件訪問串行口,在本設(shè)計中 UART0和 UART1所對應(yīng)的設(shè)備文件為“/dev/ttyS0”和 “/dev/tty S1”.以 UART0為例,輪詢一次圖 3中設(shè)備端點1的過程如下：

4 結(jié) 語

把 Internet應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的目的是使現(xiàn)場終端設(shè)備接入 Internet,其中由 ARM平臺構(gòu)建的嵌入式 Web服務(wù)器起到了橋梁的作用.本設(shè)計實現(xiàn)了一個嵌入式 Web服務(wù)器,可對本地的多路串口數(shù)據(jù)進行采集,并將數(shù)據(jù)保存在服務(wù)器的歷史數(shù)據(jù)文件中,支持遠程計算機瀏覽器以 HT TP方式查詢訪問.該系統(tǒng)應(yīng)用于水產(chǎn)育種養(yǎng)殖場中,對現(xiàn)場數(shù)個養(yǎng)殖池的水質(zhì)進行遠程監(jiān)測,運行穩(wěn)定可靠.

[1]楊豐萍,邢劍,馬書研.基于 Linux的嵌入式安全 Web Server的實現(xiàn) [J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2007,24(2)：110-112.Yang Fengping,Xing Jian,Ma Shuyan.Realization of embedded secure web server based on linux[J].Journal of East China Jiaotong University,2007,24(2)：110-112.(in Chinese)

[2]韓超,王可人.基于 DM9000的嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計與實現(xiàn) [J].工業(yè)控制計算機,2007,20(4)：17-18.Han Chao,Wang Keren.Design and realization of embedded system network interface based on DM 9000[J].Industrial Control Computer,2007,20(4)：17-18.(in Chinese)

[3]劉永峰,鄒逢興.嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計 [J].兵工自動化,2006,25(2)：49-51.Liu Yongfeng,Zou Fengxing.Network interface module design of embedded system[J].Ordnance Industry Automation,2006,25(2)：49-51.(in Chinese)

[4]許永康.RS-232轉(zhuǎn) RS-485網(wǎng)絡(luò)的通信 [J].微計算機信息,2007,23(4-1)：228-229.Xu Yongkang.Network communication of RS-232convert to RS-485[J].Control&Automation,2007,23(4-1)：228-229.(in Chinese)

[5]Quinnell,Richard A.Web servers in embedded system enhance user interaction[J].European Documentary Network,1997(10)：61-63.

[6]童銘,李志蜀.基于 Socket的多用戶通信框架及實現(xiàn) [J].四川大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,43(3)：702-705.Tong Ming,Li Zhishu.Implementation of multi-client communication based on socket[J].Journal of Sichuan University(Natural Science Edition),2006,43(3)：702-705.(in Chinese)

[7]王超,胡晨,劉新寧,等.嵌入式系統(tǒng)中 HT TP協(xié)議的實現(xiàn) [J].電子器件,2002,25(1)：93-96.Wang Chao,Hu Chen,Liu Xinning,et al.Implementation of HT TP protocol in the embedded system[J].Journal of Electron Devices,2002,25(1)：93-96.(in Chinese)