基于嵌入式Web服務(wù)器的農(nóng)機(jī)車載終端設(shè)計(jì)

王喜恩， 貢 軍， 盧澤民， 王業(yè)球

(1.中聯(lián)重機(jī)股份有限公司，安徽蕪湖 241018，2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

基于嵌入式Web服務(wù)器的農(nóng)機(jī)車載終端設(shè)計(jì)

王喜恩1， 貢 軍1， 盧澤民2， 王業(yè)球1

(1.中聯(lián)重機(jī)股份有限公司，安徽蕪湖 241018，2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式Web服務(wù)器的農(nóng)機(jī)車載終端，系統(tǒng)中ARM6處理器既作為采集電路單元又作為嵌入式網(wǎng)關(guān)單元，通過編寫相應(yīng)的應(yīng)用層CGI程序，實(shí)現(xiàn)瀏覽器/服務(wù)器器(B/S)通信。同時，在Linux操作系統(tǒng)上移植TCP/IP協(xié)議，構(gòu)建Web服務(wù)器，編寫應(yīng)用層通用網(wǎng)關(guān)接口程序，可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，滿足了低成本下數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和控制要求。

農(nóng)機(jī)；嵌入式Web服務(wù)器；車載終端

三夏、三秋重要農(nóng)事期間，農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)普遍，作業(yè)集中度高、連續(xù)作業(yè)時間長，機(jī)器磨損大，對機(jī)器維修的及時性要求較高，對跨區(qū)作業(yè)相關(guān)市場服務(wù)信息需求強(qiáng)烈。但機(jī)手在跨區(qū)作業(yè)過程中，與服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)處于“雙盲”狀態(tài)，面臨維修和零配件供應(yīng)問題；由于作業(yè)市場的不確定性，面臨盲目流動問題；對所跨區(qū)域天氣、油料補(bǔ)給點(diǎn)不熟悉，面臨后勤補(bǔ)給問題。得益于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，建立一個遠(yuǎn)程在線服務(wù)平臺成為可能，開發(fā)一種適用當(dāng)前農(nóng)機(jī)技術(shù)水平和成本接受度的車載終端，進(jìn)行信息發(fā)出和接收，成為必要[1-2]。

筆者基于ARM-Linux嵌入式服務(wù)器構(gòu)建了農(nóng)機(jī)連載終端，系統(tǒng)中ARM6處理器既作為采集電路單元又作為嵌入式網(wǎng)關(guān)單元，通過編寫相應(yīng)的應(yīng)用層CGI程序，實(shí)現(xiàn)瀏覽器/服務(wù)器器(B/S)通信，嵌入式服務(wù)器代碼和服務(wù)器端應(yīng)用程序代碼編制簡便，滿足Web服務(wù)器基本功能；B/S通信架構(gòu)可直接讀取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，系統(tǒng)開發(fā)簡單，成本低，適合當(dāng)前農(nóng)機(jī)技術(shù)和用戶使用水平。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該農(nóng)機(jī)車載終端硬件由數(shù)據(jù)采集電路與嵌入式網(wǎng)關(guān)兩部分組成。以發(fā)動機(jī)冷卻液溫度傳輸為例，溫度傳感器由于不同的溫度，其電阻發(fā)生變化，調(diào)理電路對變化值放大、濾波和穩(wěn)壓處理[3]，處理后的信號經(jīng)過2路數(shù)模電路板進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算，得到溫度值；溫度數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，按通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和交換，在客戶端的瀏覽器實(shí)時讀取。

1.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)建選用由Davicom公司生產(chǎn)的DM9000A控制器作為以太網(wǎng)芯片的核心組件，它有1個10/100 M的自適應(yīng)物理層與4 K雙字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存儲器；支持8位和16位的接口，以訪問內(nèi)部存儲器設(shè)備，從而支持不同類型的處理器[4-5]。構(gòu)建的嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。1.3 硬件封裝車載終端根據(jù)用戶功能需求，封裝數(shù)據(jù)采集模塊、衛(wèi)星定位模塊、電源模塊、控制及接口單元、天線、彩色液晶屏等，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)裝備的定位、導(dǎo)航，作業(yè)數(shù)據(jù)、圖像、聲頻、視頻的采集與傳輸。各模塊相互關(guān)系如圖3所示，封裝成型的嵌入式農(nóng)機(jī)車載終端如圖4所示，搭配顯示信息終端的設(shè)備組合如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)構(gòu)建Web服務(wù)器，socket網(wǎng)絡(luò)連接是基礎(chǔ)[6-7]。當(dāng)Web服務(wù)器建立起socket連接后，服務(wù)器端和客戶端相互響應(yīng)[8-9]。響應(yīng)內(nèi)容主要為客戶端請求及服務(wù)器應(yīng)答。

該研究設(shè)計(jì)了一個簡易Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了Web服務(wù)器的基本功能，包括頁面請求與響應(yīng)、HTML文件解析和數(shù)據(jù)傳送，工作流程如圖6所示?？蛻舭l(fā)送請求( GET filename HTTP/version)；Web服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答(HTTP/version status-code status-message)。

用戶瀏覽器端與服務(wù)器端建立socket連接后，用戶通過在瀏覽器端單擊一個鏈接的形式獲取網(wǎng)頁，即發(fā)送一個命令請求，服務(wù)器端利用GET命令接受請求、讀取請求，并打印輸出相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2.2 應(yīng)用層CGI程序設(shè)計(jì)通用網(wǎng)關(guān)接口 (Common gateway interface，CGI)表達(dá)一段程序，運(yùn)行在Web服務(wù)器上，其主要功能是在Web的環(huán)境下，從客戶端向Web服務(wù)器傳達(dá)信息或命令，Web服務(wù)器啟動指定程序來完成特定工作。在瀏覽器/服務(wù)器模式下，CGI是由瀏覽器的輸入命令進(jìn)行觸發(fā)[10-11]。

用戶在瀏覽器端的地址欄中輸入要訪問的地址，回車觸發(fā)指令申請，同時瀏覽器將申請命令通過TCP協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器端。Web服務(wù)器端在接收到申請后，按.htm或者.html的后綴名來識別文件是否是HTML類型的文件。如果是HTML類型的文件，Web服務(wù)器會從當(dāng)前的存儲中讀取到正確的HTML型文件，并將其以網(wǎng)頁的形式送回到瀏覽器端。Web瀏覽器、服務(wù)器以及CGI程序運(yùn)行關(guān)系如圖7所示。

該研究設(shè)計(jì)的簡易Web服務(wù)器僅支持GET命令，主循環(huán)如下所示：

sock = make_server_socket(atoi(av[1])); //建立socket連接監(jiān)聽客戶端請求

if (sock == -1)

exit(2);

while(1)

{ fd = accept(sock， NULL， NULL)； //接受請求

fpin = fdopen(fd， "r")；

fgets(fpin， request， LEN)； //讀取客戶端的請求

read_until_crnl(fpin)； //跳過其他命令

process_rq(request， fd)； //接收客戶端請求

Fclose(fpin)；

}

3 裝機(jī)及測試

將車載終端安裝到本公司生產(chǎn)的4YZ-5自走式玉米收割機(jī)上，進(jìn)行性能測試。

首先，確定ZigBee是否組網(wǎng)成功，然后測試采集節(jié)點(diǎn)能否根據(jù)程序的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)時的數(shù)據(jù)并顯示。

對發(fā)動機(jī)冷卻液溫度進(jìn)行測量，系統(tǒng)通電后開始組建網(wǎng)絡(luò)，并對系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，傳感節(jié)點(diǎn)加入到該網(wǎng)絡(luò)后，實(shí)時地發(fā)送數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點(diǎn)，最后在液晶顯示屏顯示。每隔30 s液晶顯示屏變化一次數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)冷卻液溫度測量結(jié)果

由表1可知，該車載終端的測量誤差較小，在可接受的范圍內(nèi)。說明該研究所設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)車載終端具有實(shí)用價值。

4 結(jié)論

該研究設(shè)計(jì)的基于嵌入式Web服務(wù)器的農(nóng)機(jī)車載終端，其ARM芯片既可作為信號采集終端，又可作為以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組件，有效利用了硬件資源。同時，在Linux操作系統(tǒng)上移植TCP/IP協(xié)議，構(gòu)建Web服務(wù)器，編寫應(yīng)用層通用網(wǎng)關(guān)接口程序，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，滿足了低成本下數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和控制要求。試驗(yàn)證明，系統(tǒng)具備較強(qiáng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性，可以搭載到相關(guān)農(nóng)機(jī)局上，作為遠(yuǎn)程服務(wù)平臺的前端設(shè)備。

[1] 唐世浩，朱啟疆，閆廣建，等． 關(guān)于數(shù)字農(nóng)業(yè)的基本構(gòu)想[J]．農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究， 2002，23(3):183-187．

[2] 張小超，胡小安，任繼平，等． 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研究進(jìn)展[C]//2005 年中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集第三分冊．廣州:出版者不詳，2005．

[3] 金珍珍.基于 Protel DXP 的電路設(shè)計(jì)技巧[J].電腦與電信,2010 (2): 37-39.

[4] 項(xiàng)雷軍.基于 ZigBee,GPRS 和 TCP/IP 協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(8):51-54.

[5] CHALLA V R，PRASAD M G，F(xiàn)ISHER F T.Towards an autonomous self-tuning vibration energy harvesting device for wireless sensor network applications[J].Smart Materials and Structures,2011,20(2): 25004.

[6] 王江濤，陳志剛，鄧曉衡.WSN 中基于可信核心樹的路由算法研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2012,38(12): 36-42.

[7] 司海飛，楊忠，王珺.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].機(jī)電工程,2011,28(1):16-20.

[8] HIERTZ G R，DENTENEER D，MAX S,et al.IEEE 802.11 s: the WLAN mesh standard[J].Wireless Communications,IEEE,2010,17(1): 104-111.

[9] LIANG G,LIU D,HAO F.Design of ZigBee wireless network node based on CC2430[J].Electronic Design Engineering,2010,2:9.

[10] XIN Y，YAO H，JIANG Y,et al.Analysis and Design of ZigBee Network Layer Protocol under Cellular Network Environment[C]//Computer Science and Electronics Engineering (ICCSEE),2012 International Conference on.IEEE,2012:59-62.

[11] 錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報,2013,35(1): 215-227.

Design of Agricultural Machinery Vehicle Terminal Based on Embedded Web Server

WANG Xi-en1, GONG Jun1, LU Ze-min2et al

(1. Zoomlion Heavy Machinery Co. Ltd., Wuhu, Anhui 241018; 2. Institute of Agricultural Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013)

This paper designed an agricultural machinery vehicle terminal based on embedded Web server, the ARM6 processor system not only as the acquisition circuit unit and as the embedded gateway unit in the system, by writing the corresponding application layer CGI program, communication between browser/server(B/S) was realized. At the same time, TCP / IP protocol is transplanted to the Linux operating system, building Web servers, writing the corresponding application layer common gateway interface program can be achieved on agricultural machinery remote online monitoring of operating parameters to meet the low-cost remote data transmission and under control requirements.

Agricultural machinery; Embedded Web server; Vehicle terminal

蕪湖市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2103ZD05);“十二五”先進(jìn)制造領(lǐng)域國家科技計(jì)劃項(xiàng)目(2103AA040401)。

王喜恩(1966- )，男，河南尉氏人，高級工程師，從事農(nóng)機(jī)先進(jìn)制造及管理研究。

2015-03-25

S 126

A

0517-6611(2015)13-346-02