基于嵌入式服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)化遠程監(jiān)測系統(tǒng)

[摘 要]本文介紹了一種基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理和軟、硬件實現(xiàn)，該系統(tǒng)可以實時地檢測目標信息，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)檔案，為不同權(quán)限的用戶提供遠程訪問服務(wù)或數(shù)據(jù)資料下載，可以廣泛用于工業(yè)排污、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

[關(guān)鍵詞]嵌入式系統(tǒng) 服務(wù)器 在線檢測

一、引言

環(huán)境監(jiān)測是一個大的系統(tǒng)工程，監(jiān)測地域廣、采樣位置分散，靠人工采集數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法十分不便。工業(yè)排污如污水、廢氣等排放也是環(huán)境部門的重要監(jiān)管內(nèi)容，當前普遍采用人工定期檢測，該方法操作繁瑣，而且不能全面地反映企業(yè)的實際排污狀況，漏檢、偷排現(xiàn)象時有發(fā)生。針對以上問題，提供一種連續(xù)的在線監(jiān)測措施十分必要。本文介紹了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的在線檢測系統(tǒng)平臺，每一個信息采集點獨立分布，就近接入以太網(wǎng)。該系統(tǒng)可以按照用戶要求對監(jiān)測信息定時采樣分析，統(tǒng)計相關(guān)信息、建立信息數(shù)據(jù)檔案，授權(quán)用戶可以通過以太網(wǎng)查看、下載相關(guān)信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集。如果用于工業(yè)排污監(jiān)測，還可以全程監(jiān)測污染物排放、建立污染物排放的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，給管理部門提供準確可靠的信息，便于管理和排污按量收費。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

下圖是基于嵌入式服務(wù)器的在線檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，整個系統(tǒng)可分為三個基本環(huán)節(jié)：基于嵌入式服務(wù)器的排污檢測系統(tǒng)、企業(yè)（或就近）局域網(wǎng)和Internet。

其中基于嵌入式服務(wù)器的檢測系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)接口和遠程訪問服務(wù)，同時具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的功能，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)到局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。采用嵌入式系統(tǒng)，避免了現(xiàn)場配置PC機的缺陷，使得系統(tǒng)可以適應(yīng)于惡劣的環(huán)境條件，而且結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性提高，成本降低。該系統(tǒng)主要包括氣體采樣裝置、物理傳感器等檢測儀表子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、web服務(wù)子系統(tǒng)等。

檢測儀表子系統(tǒng)負責(zé)對被檢測信息實時采樣，數(shù)據(jù)采集和處理子系統(tǒng)采集儀表檢測數(shù)據(jù)，生成監(jiān)測報告，根據(jù)需要可以對相關(guān)信息進行進一步處理，建立監(jiān)測檔案。Web服務(wù)子系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)接入并為用戶提供Web服務(wù)，使授權(quán)用戶可以通過Internet連接，使用IE瀏覽器或Netscape瀏覽器進行遠程訪問，瀏覽、下載相關(guān)數(shù)據(jù)，或定制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的工作模式而不受空間限制。

三、硬件設(shè)計

基于嵌入式Web服務(wù)器的煙囪排污監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖所示。本系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器選用Cygnal的C8051F020單片機，該單片機是與MCS-51單片機兼容的高性能、高速8位單片機，速度可達到25MIPS，具有64個I/O 口，2個UART，以及SPI和SMBus/I2C串行接口。片內(nèi)具有64k 字節(jié)的Flash ROM和4352 字節(jié)的RAM，5個16位定時器、可編程計數(shù)器陣列（PCA），而且具有10路12位ADC，2路12位DAC，內(nèi)建比較器、電壓基準、溫度傳感器等。該單片機具有豐富的資源，對于檢測儀表的控制、管理以及信號采樣無需另外擴展接口。外部只需要擴展一片E2PROM作為數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)頁存儲單元，擴展一片網(wǎng)絡(luò)接口芯片即可。

外部擴展的存儲器采用24LC256，這是一種I2C總線的串行E2PROM，可以直接和C8051F020的I2C串口相連接。該芯片用于存放煙囪檢測數(shù)據(jù)、排污檔案以及網(wǎng)頁信息。網(wǎng)絡(luò)接口的擴展采用RTL8019AS，該芯片是臺灣REALTEK半導(dǎo)體器件公司生產(chǎn)的10BaseT全雙工以太網(wǎng)收發(fā)控制器。

四、軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器的軟件主要由系統(tǒng)初始化設(shè)置、數(shù)據(jù)采集及處理、TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)等模塊組成。系統(tǒng)初始化以及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理由系統(tǒng)自動完成，授權(quán)用戶也可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問進行定制。

利用RTL8019AS實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中，物理層功能由網(wǎng)絡(luò)接口芯片來完成，程序的初始化部分包含網(wǎng)絡(luò)接口芯片的驅(qū)動，網(wǎng)絡(luò)層部分加入了地址解析協(xié)議（ARP），實現(xiàn)IP地址到物理地址的映射。整個層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

協(xié)議棧主要包括接收數(shù)據(jù)包的解釋以及發(fā)送數(shù)據(jù)包的打包，以太網(wǎng)協(xié)議有兩種，一種是IEEE802.2/IEEE802.3，還有一種是以太網(wǎng)的封裝格式。現(xiàn)在的操作系統(tǒng)均能同時支持這兩種類型的協(xié)議格式，考慮到嵌入式系統(tǒng)資源的局限性，本系統(tǒng)只采用后一種格式。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)以幀的格式進行傳輸，其物理傳輸幀格式如下表所式：

其中PR稱為同步位，用于收發(fā)雙方的時鐘同步，同時也指明了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。SD稱為分隔位，表示后面跟著的是數(shù)據(jù)而不是同步時鐘。DA是目的地址，為48位二進制數(shù)，表明該幀要傳輸?shù)降木W(wǎng)卡地址。SA是源地址，表明該幀數(shù)據(jù)是哪個網(wǎng)卡發(fā)的，即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址。TYPE是類型字段，表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型的數(shù)據(jù)，不同協(xié)議的類型字段不同。DATA為數(shù)據(jù)段，該段數(shù)據(jù)不能超過1500字節(jié)。PAD稱為填充位，由于以太網(wǎng)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小不能小于60字節(jié)， 除去DA、SA、TYPE 共14字節(jié)，還必須傳輸46字節(jié)的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足46字節(jié)時，在該段用任意數(shù)補足。FCS是數(shù)據(jù)校驗位，它是32位的CRC校驗碼。在實際應(yīng)用中，PR、SD、PAD、FCS這幾個數(shù)據(jù)段是由網(wǎng)卡自動產(chǎn)生的，我們只要處理DA、SA、TYPE和DATA四個段的內(nèi)容即可。

如果幀類型字段值為0800h，表示數(shù)據(jù)為IP包，幀類型字段值為0806h，則表示數(shù)據(jù)包為ARP包。接收幀時，首先判斷幀類型，不同的幀類型由不同的程序模塊對它進行處理。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，同樣根據(jù)不同的幀類型，分別由不同的程序進行打包處理。二者的處理方法基本相同，只是讀、寫操作的切換。數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送都是建立在物理層對NIC操作的基礎(chǔ)上，包括讀接收緩沖區(qū)、寫發(fā)送緩沖區(qū)，NIC采用8位工作方式。由于在Internet中都使用TCP/IP協(xié)議，因此，基于IP的TCP和UDP協(xié)議起著非常重要的作用。因為采用單片機作為服務(wù)器，其存儲器容量相對較小，采用傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)TCP和UCP是不合理的，這里采用一邊構(gòu)造套接字（SOCKET），一邊進行應(yīng)用層處理的方式。發(fā)送數(shù)據(jù)時也是這樣，邊處理實用數(shù)據(jù)邊填充發(fā)送數(shù)據(jù)，這種方法極大地節(jié)約了內(nèi)存資源，而且有效地提高了應(yīng)用程序的處理速度。由于程序的主要功能是接收數(shù)據(jù)采集命令，發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，實際傳送的數(shù)據(jù)量很小，不需巨大的緩存空間，所以上述硬件資源足以滿足軟件處理的需求。

五、結(jié)語

本文介紹的網(wǎng)絡(luò)化遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)環(huán)境信息的在線、實時監(jiān)測，生成監(jiān)測數(shù)據(jù)報告，建立監(jiān)測檔案。同時作為一個服務(wù)器，配置了網(wǎng)頁資源，授權(quán)用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)連接對其進行訪問，瀏覽、下載相關(guān)數(shù)據(jù)，定制系統(tǒng)工作方式。服務(wù)器采用嵌入式系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、價格低廉、適應(yīng)環(huán)境能力強等特點。

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