基于嵌入式uClinux的遠程監(jiān)控系統

徐德琴　卞維新

摘要： 該文提出了一種基于ARM-uClinux和Web技術的嵌入式遠程監(jiān)控系統，討論了系統的具體技術及實現方案，該系統可以實現遠程數據的現場采集，經以太網口通過網絡將采集到的數據傳送給遠程用戶。通過Web瀏覽器遠程用戶可以對遠程數據訪問并做出相應的遠程控制決策。

關鍵詞： 遠程數據；采集；控制；uClinux；S3C44B0X

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）17-4147-03

The Remote Monitoring System Based on Embedded uClinux

XU De-qin， BIAN Wei-xin

（College of Mathematics and Computer Science， Anhui Normal University， Wuhu 241003， China）

Abstract： The remote data acquisition and control system is designed based on uClinux operating system in this paper， and the specific technology and implementation of this system are discussed. By Ethernet，this system can collect field data and transmit them to the remote users who can also access and control the system via web browser.

Key words： remote data； acquisition； control； uClinux； S3C44B0X

早期的數據采集與控制系統大多采用8位或16位單片機作為硬件平臺，用戶在此平臺之上開發(fā)一些簡單的軟件實現相應的監(jiān)測控制功能。早期的數據采集與控制系統由于硬件的限制，實現TCP/IP協議比較困難，要想實現必須附加一些額外的開銷，實現成本相對較高。因此，傳統的數據采集與控制系統無法滿足數據的遠距離采集與傳輸，并且存在安全性和通用性問題。為了解決以上問題，該文采用了基于ARM7TMDI的嵌入式處理器S3C44B0X和uClinux嵌入式操作系統相結合構建嵌入式Web遠程監(jiān)控系統[1]。

1 系統硬件平臺結構

基于嵌入式uClinux的遠程監(jiān)控系統的硬件平臺的核心是建立適合uClinux運行的硬件環(huán)境，這里選用的是S3C44B0X處理器[2]。遠程監(jiān)控系統的基本框架如圖1所示。本系統中嵌入式系統Web服務器的成功搭建是該系統能夠實現遠程監(jiān)控的關鍵。Web服務器把現場的傳感器與終端的人機界面連接起來，實現遠程監(jiān)控。通過HTTP協議和Web頁面形式實現對監(jiān)控系統的遠程訪問和控制[3]。通過標準的接口形式和通信協議，監(jiān)控系統借助Web服務器提供的基于瀏覽器方式的可視化操作和控制界面可以向任何網內的合法用戶提供便利的遠程控制操作，用戶熟悉的Web瀏覽器成為遠程監(jiān)控系統的最前端控制平臺。

2 嵌入式Web服務器硬件設計

本文設計的嵌入式Web服務器主要由系統主板和系統擴展板兩大部分構成，如圖2所示。具體包括：S3C44B0X處理器、FlASH存儲器、SDRAM存儲器及相應功能擴展模塊，它們構成了系統服務的各個功能模塊。

2.1 S3C44B0X微處理器

S3C44B0X是擁有以ARM7TDMI為內核的16/32位RISC處理器[3]，為手持設備及遠程監(jiān)測控制等特殊性應用提供了非常好的微控制器解決方案。此外，它還擁有基于以太網應用系統的許多優(yōu)良性能。它的CPU內核為ARM7TDMI處理器核，集成了Thumb代碼壓縮器，具有低功耗、全靜態(tài)和高性能的特點。S3C44B0X還提供了大量內置部件：8K一體化的Cache/SRAM、LCD控制器、DMA控制器、系統管理器、可編程I/O端口、中斷控制器和以太網控制器，并可方便地進行總線擴展。

2.2 基于ARM核的微控制器S3C44B0X的系統存儲器

S3C44B0X處理器采用統一編址的方式，最大可尋址范圍為256MB，并映射到8個32MB的地址空間。S3C44B0X的系統存儲器主要由閃速存儲器（FLASH）同步動態(tài)隨機存儲器（SDRAM）兩部分構成。FLASH存儲器具有帶電時系統自身可以進行電擦寫，掉電時數據不遺失，功耗低、容量大和檫寫速度快等優(yōu)點。在S3C44B0X的存儲器系統中FLASH存儲器主要用于存放系統的啟動代碼、系統內核以及一些系統掉電后需要保存的用戶數據等。該文選用的是16位的SST39VF160芯片，容量是1M×16位（2M字節(jié)）。

SDRAM是在標準DRAM中加入同步控制邏輯，使得SDRAM能夠和系統工作在同一頻率上。它的優(yōu)點是存取速度快，遠遠高于FALSH存儲器的存取速度，支持突發(fā)性存取操作，硬件成本低，價格低廉；其缺點是掉電后數據會丟失。SDRAM在嵌入式系統中常常用作主存，系統工作時用于運行操作系統、用戶程序等，以提高系統的運行速度，相當于PC機的內存。本系統SDRAM選用HY57V641620，存儲容量為4組×16M位（8M）字節(jié)。

2.3 以太網接口

以太網接口由媒體接入控制器（MAC）和物理層接口收發(fā)器（PHY）兩部分構成。S3C44B0X處理器內部集成了一個以太網控制器RTL8019AS，它集成了MAC和PHY的功能。RTL8019AS與NE2000相兼容，具有8/16位總線模式，內置的雙DMA通道和FIFO完成簡單有效的包管理（數據幀的接收和發(fā)送）功能，本地DMA通道的傳輸速率高達10Mbit/s。endprint

3 基于嵌入式uClinux的Web服務器

3.1 嵌入式Web服務器的設計方案

uClinux支持Httpd、Thttpd和Boa 3種Web服務器。其中Httpd Web服務器是最簡單的一種，不支持認證，不支持CGI，功能最弱，可實現靜態(tài)Web服務。Thttpd和Boa都支持認證、CGI等，可提供與用戶交互的動態(tài)Web服務。為了實現動態(tài)Web技術[4，5]，必須選用支持CGI的Web服務器。而Boa Web服務器是一單任務的小型HTTP服務器[6]，支持CGI并且源代碼開放、性能高，在嵌入式系統中得到了廣泛應用。在uClinux可以簡單的對Boa進行構造，并可以使其駐留在很小的代碼空間。基于以上優(yōu)點，所以本文選用Boa為系統搭建Web服務器。

3.2 Boa Web 服務器的配置

uClinux是開源的，其內核含有Boa的源碼。因此，要在uClinux下搭建Boa Web服務器，可根據實際需要輕松地對Boa源碼進行配置和修改即可。

1） 編譯Boa到uClinux內核

執(zhí)行make menuconfig，在應用程序選項network application項下面選中Boa，然后重新編譯內核。

2） 新建待用目錄

在編譯內核的過程中要用到一些用戶目錄，但uClinux默認的根文件系統romfs是只讀的，所以不能用mkdir等命令來創(chuàng)建目錄。因此必須在編譯內核之前通過修改makefile文件來創(chuàng)建編譯過程中要用到的目錄。

3） 設置Web服務器的訪問路徑

為了設定Web服務器的訪問路徑，可通過修改＼uCLinux-Samsung＼user＼boa＼src＼目錄下的define.h文件的#define SERVER_ROOT “/home/httpd”來指定SERVER_ROOT，從而設定Web服務器的訪問路徑。

4） 修改boa.conf文件

完成Boa的配置，使其能夠支持CGI程序的執(zhí)行。可以在Boa源碼目錄下已有的boa.conf基礎上對其進行修改，確定用戶訪問Web時服務器時根目錄路徑SERVER_ROOT。boa.conf文件的具體配置包括：

（1） 將User root和Group root分別修改為User 0和Group 0；

（2） 修改DocumentRoot/etc，配置Web服務器的文件根目錄為DocumentRoot/home；

（3） 修改MimeTypes/etc/mime.types，將類型配置文件路徑指定為MimeTypes/home /mime.types；

（4） 偵聽端口為80端口；

（5） 為了使系統支持CGI方式，將#AddType application/x-httpd-cgi cgi前面的#去掉；

（6） 設置ScriptAlias/cgi-bin//home/cgi-bin/為CGI程序所在目錄。

進行以上配置和修改后，Web服務器的根目錄即為/home，用戶用C編寫的CGI程序經編譯后必須放到＼home＼cgi-bin目錄下，這樣用戶編寫的處理特定任務的CGI程序就可以正確執(zhí)行。＼home＼index.html為遠程瀏覽用戶訪問Web服務器所看到的默認首頁。最后要把類型配置文件mime.types和修改后的Web配置文件bao.conf拷貝到根目錄“＼home＼”目錄下。

5） 修改inittab文件

系統在加載上根本文件系統之后，緊接著執(zhí)行init程序，Inittab為init進程的配置文件。這里在inittab文件中的inet：unknown：/bin/inetd后加入：boa：unknown：/bin/ boa c/home，使其能啟動用戶的腳本文件。

3.3 動態(tài)網頁的實現

配置好Boa服務器后，接下來的主要工作就是Web服務器端動態(tài)網頁的具體實現[7，8]。

1） 設計Web服務器的默認首頁文件

Web服務器的默認首頁文件Index.html的設計可根據用戶的實際控制需要來進行設計，具體實現可以利用網頁制作工具或HTML語言來完成。Index.html設計實現后，將Index.html文件和其對應的腳本文件打包放到Boa server中。

2） 基于CGI的二次開發(fā)

CGI的主要功能是實現Web瀏覽器和服務器之間的信息交互，它定義了Web服務器和CGI腳本之間的接口標準。嵌入式系統可以通過內嵌于設備的Web服務器向任何通過Internet或其他專用網絡接入它的合法用戶提供便利的基于瀏覽器方式的操作和控制方式。Web瀏覽器的可視化頁面就相當于遠程設備的前端物理控制臺，從而可以依據實際應用情況實現對遠程監(jiān)測和控制設備的相應操作。uClinux系統只能運行二進制文件，因此用戶應將編寫好的動態(tài)網頁文件重新編譯，并將編譯后的二進制文件放在uClinux的根目錄下。該文基于Web服務器的監(jiān)控主程序通過用戶編寫的CGI程序來完成。

啟動其腳本rc文件，在啟動uClinux時自啟動Boa Web服務器，完成Web服務器的IP地址、子網掩碼等網絡配置。

最后重新編譯內核，把編譯好的內核下載到S3C44B0X開發(fā)板，啟動Boa Web服務器，在PC機的IE瀏覽器地址欄中輸入：http：//192.168.0.2即可訪問設計好的Web服務器管理頁面，從而實現基于瀏覽器方式的遠程操作和控制，運行結果如圖3所示。

4 結論

本文采用S3C44B0X微處理器在uClinux操作系統構建Web服務器，可以實現對遠程進行實時監(jiān)測，并在客戶端PC的Web瀏覽器上實時連續(xù)顯示。該系統靈活性強，便于改造和開發(fā)升級，性價比高，具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1] 房芳，馬旭東.基于嵌入式 Web 技術的監(jiān)控系統設計與實現[J].計算機工程，2009，35（23）：237-239.

[2] 李巖.基于S3C44B0X嵌入式uClinux系統原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3] 戴國平，朱孝勇.基于嵌入式Web服務器的遠程監(jiān)控系統[J].南通大學學報，2013，12（3）：39-42.

[4] 宋凱，嚴麗平，甘嵐.嵌入式Web服務器的設計與實現[J].計算機工程與設計，2009，30（4）：808-810.

[5] 張駿，王俊峰，張世永.Web 應用程序的設計與分析[J].計算機工程與應用，2000（3）：116-121.

[6] 陳紅梅，陳靜.嵌入式Linux下基于CGI的動態(tài)Web的實現[J].計算機時代，2010（4）：4-5.

[7] 馬洪兵，張秋玲.HTML語言與Web站點開發(fā)技術[M].北京：清華大學出版社，1999.

[8] 莫瑞森. HTML與XML網頁程序設計基礎[M].北京：北京大學出版社，2002.endprint