基于ARM—Linux大型試驗設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

于瀟+巨同升+崔孝鳳+宋吉和

摘要：設(shè)計了基于ARM-Linux的大型試驗設(shè)備遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大型試驗設(shè)備狀態(tài)信息的采集與監(jiān)測。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，通過開發(fā)Linux設(shè)備驅(qū)動程序、移植BOA服務(wù)器、編寫CGI程序等，將遠程嵌入式終端采集到的試驗設(shè)備信息保存在遠程數(shù)據(jù)庫中，用戶可以簡單地通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫中的信息。結(jié)果表明，該遠程監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，具有很好的實時性，能夠滿足對大型試驗設(shè)備（特別是位置偏僻或所處環(huán)境惡劣的設(shè)備）的監(jiān)測要求。

關(guān)鍵詞：遠程監(jiān)控；ARM；Linux；設(shè)備驅(qū)動程序；BOA服務(wù)器；CGI

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）15-3639-04

Designing Large-scale Test Equipment Monitoring System based on ARM-Linux

YU Xiao1，2，JU TONG-sheng1，CUI Xiao-feng1，SONG Ji-he1

（1. School of Computer Science and Technology， Shandong University of Technology， Zibo 255049，Shandong China；2.School of Computer Science， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081，China.）

Abstract： An embedded remote information collection and monitoring system based on ARM-Linux was developed. It which could collect the informations and monitor the conditions from the large-scale test equipments. By developing device drivers， transplanting BOA server and programming CGI， the system took the B/S mode. Informations of equipments collected by remote embedded terminal were stored in a remote database. The users could simply access the informations in database via browser. Results showed that the system was stable and reliable and could meet testing demands of large-scale test equipments （especially in remote locations or in bad environments）.

Key words： remote monitoring； ARM；Linux； device drivers； BOA； CGI

收稿日期：2014-01-10

基金項目：國家自然科學基金項目（61370224）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）項目（2013AA01A212）

作者簡介：于 瀟（1982-），男，山東淄博人，講師，在讀博士研究生，研究方向為網(wǎng)絡(luò)存儲、嵌入式系統(tǒng)，（電話）13969377480（電子信箱）

yuxiao8907118@163.com。

高校的分析測試實驗室擁有眾多先進、精密的大型儀器設(shè)備，是高校實驗室的重要組成部分。有別于基礎(chǔ)教學實驗室分析測試實驗室主要面向科研，為科學研究提供可靠的測試數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)。長期以來，實驗室的大型儀器大部分使用率都比較低，為提高投資效益，最大限度地利用現(xiàn)有實驗室資源，更好地為科研教學服務(wù)，實驗室加大了開放的力度。試驗設(shè)備利用率提高以后，管理人員的工作大大增加。為此，迫切需要獲得每臺試驗設(shè)備的詳細使用數(shù)據(jù)，以用于設(shè)備的日常保養(yǎng)和檢修。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于TCP/IP協(xié)議和B/S（Browser/Server）架構(gòu)的分布式監(jiān)控技術(shù)已日趨成熟。借助以太網(wǎng)和Internet技術(shù)，把嵌入式監(jiān)控設(shè)備[1，2]連接到Internet上，用戶只需要使用普通的Web瀏覽器就可以對設(shè)備進行監(jiān)視和控制，操作界面簡潔，數(shù)據(jù)傳輸量也可以降到最低。實現(xiàn)遠程監(jiān)控后，技術(shù)人員無須親臨現(xiàn)場，就可以監(jiān)視并控制生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)。特別是當現(xiàn)場地理位置比較偏僻或環(huán)境比較惡劣時，這一點的優(yōu)勢尤為突出。本研究設(shè)計了基于ARM-Linux的嵌入式遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了觀測站現(xiàn)場大型試驗設(shè)備信息的采集與監(jiān)測。

1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，分為前方監(jiān)測終端和后方監(jiān)視終端兩部分。系統(tǒng)主要設(shè)計集中在前方監(jiān)測終端，后方監(jiān)視終端只需一臺安裝Web瀏覽器的PC即可。遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

前方監(jiān)測終端由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。每個需要監(jiān)測的大型試驗設(shè)備需安裝一個監(jiān)測終端，每個終端分配一個獨立的IP地址，所有的監(jiān)測終端連接到路由器上。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和嵌入式終端設(shè)備組成，主要負責采集試驗設(shè)備工作時的光電信息，并轉(zhuǎn)換為有效的模擬信號輸入。數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)采集模塊共用一個嵌入式終端設(shè)備，另外搭載了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及應(yīng)用程序。嵌入式終端設(shè)備本身是一個完整的嵌入式設(shè)備，包括CPU、存儲器、GPIO（General Purpose Input /Output Ports）、網(wǎng)絡(luò)接口等[1]。試驗設(shè)備工作的信息和應(yīng)用程序都放在數(shù)據(jù)處理模塊上。后方監(jiān)視終端（一般為PC或智能設(shè)備）需要安裝Web瀏覽器，輸入前方監(jiān)測終端相應(yīng)的IP地址便可直接訪問它。在客戶端，由HTML負責表示邏輯，根據(jù)特定終端的URL（統(tǒng)一資源定位符）提出的服務(wù)請求，前方監(jiān)測終端上安裝的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器會把數(shù)據(jù)文件返回給客戶端。endprint

2 前方監(jiān)測終端的硬件設(shè)計

前方監(jiān)測終端由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。由于試驗設(shè)備價格昂貴，為避免破壞設(shè)備，數(shù)據(jù)采集模塊使用電流互感器和光敏電阻兩種傳感器。傳感器可根據(jù)試驗設(shè)備的特征及檢測終端的安裝方便程度進行選擇。數(shù)據(jù)處理模塊采用Samsung公司基于ARM9核心的S3C2440處理器。前方監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，SDRAM主要功能是存放運行代碼、系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)、堆棧等；FLASH主要功能是存儲嵌入式Linux鏡像、根文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序等；GPIO主要功能是提供電流互感器和光敏電阻的模擬輸入接口；RS232是系統(tǒng)的調(diào)試接口；USB接口用于外部擴展，例如連接外部存儲器；以太網(wǎng)控制器中的接口芯片采用DM9000，它可自適應(yīng)10 M/100 M網(wǎng)絡(luò)。

3 前方監(jiān)測終端的軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用B/S模式設(shè)計，主要軟件設(shè)計集中在前方監(jiān)測終端，前方監(jiān)測終端的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當前方監(jiān)測終端加電運行時，首先啟動系統(tǒng)引導程序Bootloader，在Bootloader的引導下啟動嵌入式Linux，Linux的內(nèi)核版本為2.6.29[3]。然后Linux內(nèi)核啟動，依次加載各設(shè)備的驅(qū)動程序，最后運行監(jiān)測應(yīng)用程序[4]。其中Web服務(wù)器使用BOA服務(wù)器，其優(yōu)點是不僅能夠支持靜態(tài)Web頁面，還可以配合CGI支持動態(tài)頁面，實現(xiàn)與用戶的動態(tài)交互。圖形界面采用QT，它具有優(yōu)良的跨平臺特性，同時還提供了豐富的API函數(shù)，使用非常方便。

3.1 A/D驅(qū)動開發(fā)

嵌入式Linux設(shè)備文件主要分為字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和混合設(shè)備四種類型。其中，混合設(shè)備是在嵌入式系統(tǒng)中用得比較多的一種設(shè)備，特指不能嚴格劃分的設(shè)備類型。系統(tǒng)中，A/D設(shè)備的主要用途是將電流互感器和光敏電阻采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸入嵌入式設(shè)備的GPIO接口，系統(tǒng)在實現(xiàn)時，將A/D設(shè)備作為一種混合設(shè)備來處理。

A/D設(shè)備驅(qū)動程序主要功能是提供設(shè)備的注冊與注銷，設(shè)備的打開與關(guān)閉，設(shè)備的讀、寫操作以及設(shè)備的控制操作，設(shè)備的中斷服務(wù)響應(yīng)等[5]。Linux內(nèi)核通過file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供文件系統(tǒng)的入口點函數(shù)，該函數(shù)是定義在中的函數(shù)指針表，結(jié)構(gòu)中的每個成員的名字對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用。file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義及主要功能描述如下：

struct file_operations {

struct module* owner；

int（*open） （struct inode*，struct file*）；

//打開I/O設(shè)備并初始化

int （*release）（struct inode*，struct file*）；

//關(guān)閉I/O設(shè)備

ssize_t（*read）（struct file*，char_user*，size_t， loff_t *）；

//讀I/O設(shè)備

ssize_t（*write）（struct file*，const char__user *， size_t，loff_t*）；

//寫I/O設(shè)備

int（*ioctl）（struct inode*，struct file*，unsigned int， unsigned long）；

//控制I/O設(shè)備

……

}；

A/D設(shè)備驅(qū)動在初始化時通過misc_register（）函數(shù)注冊混合設(shè)備；在釋放模塊時通過misc_deregister（）注銷設(shè)備驅(qū)動。系統(tǒng)調(diào)用部分實際上是對設(shè)備的操作，如open、read、write、ioctl等操作。

系統(tǒng)采用動態(tài)加載設(shè)備驅(qū)動程序的方法。在編譯2.6版本的驅(qū)動程序時需要把驅(qū)動程序的源代碼加入內(nèi)核代碼樹，并做相應(yīng)的配置，然后在Linux源代碼根目錄位置執(zhí)行make modules，就可以生成所需要的內(nèi)核模塊文件，通過nfs將編譯出的內(nèi)核模塊文件下載至下位機，然后使用#insmod命令裝載驅(qū)動程序。

3.2 BOA服務(wù)器的設(shè)計

由于嵌入式設(shè)備資源都非常有限，一般不會使用Linux下最普遍的服務(wù)器，如Apache等，而需要使用一些專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計的Web服務(wù)器，比較典型的嵌入式Web服務(wù)器有HTTPD、BOA和THTTPD等。由于BOA支持認證、CGI等功能，同時占用系統(tǒng)資源較少，它最終被選擇作為系統(tǒng)的Web服務(wù)器。

BOA服務(wù)器的基礎(chǔ)是TCP/IP協(xié)議棧，需要實現(xiàn)HTTP、TCP和UDP等協(xié)議。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置了獨立的IP地址，通過網(wǎng)絡(luò)就可以將設(shè)備接入Internet。嵌入式BOA服務(wù)器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在使用BOA服務(wù)器之前，首先需要對BOA服務(wù)器的源代碼進行交叉編譯和配置。編譯可在Linux下用make命令完成，配置文件位于根目錄下，名稱為“BOA.conf”，“BOA.conf”配置如下：

Port 80 //監(jiān)聽端口號，默認為80

User 0

Group 0

ServerName yx //服務(wù)器名稱

DocumentRoot /sdcard/www/pages/

//網(wǎng)頁文件所在目錄

UserDir public_html

DirectoryIndex index.html

//BOA服務(wù)器的默//認首頁

KeepAliveMax 100//一個連接所允許的HTTP持續(xù)作用請求最大數(shù)目

KeepAliveTimeout 10//HTTP持續(xù)作用中服務(wù)器在兩次請求之間等待的時間

MimeTypes/sdcard/www/web-conf/mime.types

//mimetype配置文件路徑

ScriptAlias

/cgi-bin//sdcard/www/cgi-bin/

//CGI程序路徑

3.3 CGI程序的設(shè)計

CGI（Common Gateway Interface）指公共網(wǎng)關(guān)接口，是Web服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序之間信息傳遞的一個公共標準，是外部應(yīng)用擴展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個標準接口[6]。CGI工作原理如圖5所示。

當用戶使用客戶端與服務(wù)器進行動態(tài)交互時，Web瀏覽器先將用戶數(shù)據(jù)傳送給BOA服務(wù)器，BOA服務(wù)器把接收到的有關(guān)信息存入環(huán)境變量，然后啟動指定的CGI進程；CGI進程從環(huán)境變量中獲得相關(guān)信息后按指令執(zhí)行，操作完成后通過BOA服務(wù)器以HTML格式將結(jié)果返回給Web瀏覽器。因為用戶能通過瀏覽器傳遞不同的參數(shù)給CGI程序，所以CGI使得瀏覽器和服務(wù)器之間具有了可交互性。

3.4 主監(jiān)測程序的設(shè)計

試驗設(shè)備往往價格高昂，為保證測量精度并不破壞試驗設(shè)備，傳感器板支持兩種類型的傳感器：電流互感器和光敏電阻。GPIO上提供4個模擬量輸入通道，監(jiān)測程序?qū)㈨樞驋呙韪鱾€通道，檢查是否存在有效的信號輸入。主監(jiān)測程序執(zhí)行流程如圖6所示。

3.5 試驗結(jié)果

遠程監(jiān)測系統(tǒng)需要為每個監(jiān)測終端（監(jiān)測服務(wù)器）分配獨立的IP地址。當在遠程客戶端瀏覽器中輸入監(jiān)測終端的IP時，BOA將返回監(jiān)測系統(tǒng)的首頁。監(jiān)測系統(tǒng)主要提供儀器狀態(tài)采集等功能。當監(jiān)測系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，若儀器啟動，經(jīng)監(jiān)測程序確認后，檢測系統(tǒng)將實時采集試驗設(shè)備的狀態(tài)信息，并定期在檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中做記錄。記錄括開關(guān)機時間、運行時間、運行狀態(tài)等。

4 小結(jié)

基于S3C2440平臺和Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)了一個嵌入式遠程信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)。通過因特網(wǎng)實現(xiàn)了對一組大型試驗儀器使用信息的遠程監(jiān)測。試驗結(jié)果表明，遠程監(jiān)測系統(tǒng)能采集并記錄試驗儀器的使用信息，為儀器的維護提供第一手資料，在一定程度上實現(xiàn)了實驗室的信息化。該遠程測控系統(tǒng)具有一定的通用性，根據(jù)需求在功能上作進一步完善后可應(yīng)用于一系列領(lǐng)域，如機房監(jiān)控、智能小區(qū)監(jiān)控等。

參考文獻：

[1] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3] 趙 炯.Linuxn內(nèi)核完全剖析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4] 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：北京航空航天大學出版社，2006.

[5] 劉 嵐，尹 勇，李京蔚.基于ARM的嵌入式開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 楊大千，梅大成，張 巖.基于ARM9和Linux的嵌入式動態(tài)Web技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2006（8）：45-46.endprint

KeepAliveTimeout 10//HTTP持續(xù)作用中服務(wù)器在兩次請求之間等待的時間

MimeTypes/sdcard/www/web-conf/mime.types

//mimetype配置文件路徑

ScriptAlias

/cgi-bin//sdcard/www/cgi-bin/

//CGI程序路徑

3.3 CGI程序的設(shè)計

CGI（Common Gateway Interface）指公共網(wǎng)關(guān)接口，是Web服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序之間信息傳遞的一個公共標準，是外部應(yīng)用擴展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個標準接口[6]。CGI工作原理如圖5所示。

當用戶使用客戶端與服務(wù)器進行動態(tài)交互時，Web瀏覽器先將用戶數(shù)據(jù)傳送給BOA服務(wù)器，BOA服務(wù)器把接收到的有關(guān)信息存入環(huán)境變量，然后啟動指定的CGI進程；CGI進程從環(huán)境變量中獲得相關(guān)信息后按指令執(zhí)行，操作完成后通過BOA服務(wù)器以HTML格式將結(jié)果返回給Web瀏覽器。因為用戶能通過瀏覽器傳遞不同的參數(shù)給CGI程序，所以CGI使得瀏覽器和服務(wù)器之間具有了可交互性。

3.4 主監(jiān)測程序的設(shè)計

試驗設(shè)備往往價格高昂，為保證測量精度并不破壞試驗設(shè)備，傳感器板支持兩種類型的傳感器：電流互感器和光敏電阻。GPIO上提供4個模擬量輸入通道，監(jiān)測程序?qū)㈨樞驋呙韪鱾€通道，檢查是否存在有效的信號輸入。主監(jiān)測程序執(zhí)行流程如圖6所示。

3.5 試驗結(jié)果

遠程監(jiān)測系統(tǒng)需要為每個監(jiān)測終端（監(jiān)測服務(wù)器）分配獨立的IP地址。當在遠程客戶端瀏覽器中輸入監(jiān)測終端的IP時，BOA將返回監(jiān)測系統(tǒng)的首頁。監(jiān)測系統(tǒng)主要提供儀器狀態(tài)采集等功能。當監(jiān)測系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，若儀器啟動，經(jīng)監(jiān)測程序確認后，檢測系統(tǒng)將實時采集試驗設(shè)備的狀態(tài)信息，并定期在檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中做記錄。記錄括開關(guān)機時間、運行時間、運行狀態(tài)等。

4 小結(jié)

基于S3C2440平臺和Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)了一個嵌入式遠程信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)。通過因特網(wǎng)實現(xiàn)了對一組大型試驗儀器使用信息的遠程監(jiān)測。試驗結(jié)果表明，遠程監(jiān)測系統(tǒng)能采集并記錄試驗儀器的使用信息，為儀器的維護提供第一手資料，在一定程度上實現(xiàn)了實驗室的信息化。該遠程測控系統(tǒng)具有一定的通用性，根據(jù)需求在功能上作進一步完善后可應(yīng)用于一系列領(lǐng)域，如機房監(jiān)控、智能小區(qū)監(jiān)控等。

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[4] 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：北京航空航天大學出版社，2006.

[5] 劉 嵐，尹 勇，李京蔚.基于ARM的嵌入式開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6] 楊大千，梅大成，張 巖.基于ARM9和Linux的嵌入式動態(tài)Web技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2006（8）：45-46.endprint

KeepAliveTimeout 10//HTTP持續(xù)作用中服務(wù)器在兩次請求之間等待的時間

MimeTypes/sdcard/www/web-conf/mime.types

//mimetype配置文件路徑

ScriptAlias

/cgi-bin//sdcard/www/cgi-bin/

//CGI程序路徑

3.3 CGI程序的設(shè)計

CGI（Common Gateway Interface）指公共網(wǎng)關(guān)接口，是Web服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序之間信息傳遞的一個公共標準，是外部應(yīng)用擴展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個標準接口[6]。CGI工作原理如圖5所示。

當用戶使用客戶端與服務(wù)器進行動態(tài)交互時，Web瀏覽器先將用戶數(shù)據(jù)傳送給BOA服務(wù)器，BOA服務(wù)器把接收到的有關(guān)信息存入環(huán)境變量，然后啟動指定的CGI進程；CGI進程從環(huán)境變量中獲得相關(guān)信息后按指令執(zhí)行，操作完成后通過BOA服務(wù)器以HTML格式將結(jié)果返回給Web瀏覽器。因為用戶能通過瀏覽器傳遞不同的參數(shù)給CGI程序，所以CGI使得瀏覽器和服務(wù)器之間具有了可交互性。

3.4 主監(jiān)測程序的設(shè)計

試驗設(shè)備往往價格高昂，為保證測量精度并不破壞試驗設(shè)備，傳感器板支持兩種類型的傳感器：電流互感器和光敏電阻。GPIO上提供4個模擬量輸入通道，監(jiān)測程序?qū)㈨樞驋呙韪鱾€通道，檢查是否存在有效的信號輸入。主監(jiān)測程序執(zhí)行流程如圖6所示。

3.5 試驗結(jié)果

遠程監(jiān)測系統(tǒng)需要為每個監(jiān)測終端（監(jiān)測服務(wù)器）分配獨立的IP地址。當在遠程客戶端瀏覽器中輸入監(jiān)測終端的IP時，BOA將返回監(jiān)測系統(tǒng)的首頁。監(jiān)測系統(tǒng)主要提供儀器狀態(tài)采集等功能。當監(jiān)測系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，若儀器啟動，經(jīng)監(jiān)測程序確認后，檢測系統(tǒng)將實時采集試驗設(shè)備的狀態(tài)信息，并定期在檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中做記錄。記錄括開關(guān)機時間、運行時間、運行狀態(tài)等。

4 小結(jié)

基于S3C2440平臺和Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計實現(xiàn)了一個嵌入式遠程信息采集與監(jiān)測系統(tǒng)。通過因特網(wǎng)實現(xiàn)了對一組大型試驗儀器使用信息的遠程監(jiān)測。試驗結(jié)果表明，遠程監(jiān)測系統(tǒng)能采集并記錄試驗儀器的使用信息，為儀器的維護提供第一手資料，在一定程度上實現(xiàn)了實驗室的信息化。該遠程測控系統(tǒng)具有一定的通用性，根據(jù)需求在功能上作進一步完善后可應(yīng)用于一系列領(lǐng)域，如機房監(jiān)控、智能小區(qū)監(jiān)控等。

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[6] 楊大千，梅大成，張 巖.基于ARM9和Linux的嵌入式動態(tài)Web技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2006（8）：45-46.endprint