物聯(lián)網(wǎng)設備精簡Web服務實現(xiàn)框架設計

李光明 黃立昌

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，機器設備都要提供Web服務實現(xiàn)網(wǎng)上操作與管理。針對其配置與管理復雜的局限性，目前提供的Web服務大多依賴于第三方軟件。通過采用微軟.NET框架中Http Listener類實現(xiàn)本地PC端應用軟件對遠程瀏覽器HTTP請求報文的監(jiān)聽，從而實現(xiàn)HTTP協(xié)議的握手，利用SQL Server數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)Web服務端和客戶端的實時通信，同時設計一種比較簡潔的Web服務實現(xiàn)框架。通過實現(xiàn)步進電機的Web服務對該框架進行測試。實驗結果表明，該框架在實現(xiàn)Web服務的同時，系統(tǒng)架構精小，無需配置Web服務軟件，系統(tǒng)可移植性較強。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Web;Http Listener;工廠模式

中圖分類號：TP311.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-04

0 引 言

近些年，隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，機器設備都在朝著智能化方向發(fā)展。其中典型的特征就是機器設備具有“連網(wǎng)”功能，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上遠程控制，從而把操作人員從機器設備身邊解放出來，減少機器污染對人體的傷害。而機器設備的“連網(wǎng)”功能可通過提供設備的Web服務實現(xiàn)，同時Web技術的發(fā)展也為實現(xiàn)Web服務提供了許多方式。一般情況下，實現(xiàn)高性能的Web服務需要借用I2S，Apache等第三方服務軟件[1]，但是每一個Web服務軟件在運行前都需前期配置，實現(xiàn)過程比較復雜，系統(tǒng)龐大，不易于管理。而利用微軟.NET框架下的Http Listener類可實現(xiàn)精簡的Web服務，同時能夠避免借用Web服務軟件帶來的問題，使系統(tǒng)變得清晰，容易理解，減少一些繁鎖的配置。

基于物聯(lián)網(wǎng)設備實現(xiàn)其“連網(wǎng)”功能只需一些基本W(wǎng)eb服務就可滿足，且設備的種類較多，借用Http Listener類和工廠模式，本文設計了一套適合于物聯(lián)網(wǎng)設備的精簡Web服務實現(xiàn)框架。

1 Web服務實現(xiàn)框架

Web服務是一組模塊化的API，可通過網(wǎng)絡對該API進行調(diào)用，執(zhí)行遠程系統(tǒng)的請求服務，從而實現(xiàn)機器設備間跨網(wǎng)、平臺的相互操作及數(shù)據(jù)交互。為了實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)設備的跨網(wǎng)和平臺實時控制，需要實現(xiàn)其Web服務。

由于物聯(lián)網(wǎng)設備種類較多，為提高框架的通用性，以適用于不同的物聯(lián)網(wǎng)設備，本文設計的簡易Web服務采用工廠設計模式，將框架分成三層。頂層是邏輯控制模塊;中間層是工廠類;底層由控制函數(shù)模塊、HTTP應答模塊和數(shù)據(jù)訪問模塊組成。它們相互作用，實現(xiàn)設備的本地控制和Web服務兩個功能，軟件框架結構如圖1所示。

1.1 邏輯控制模塊

邏輯控制模塊作為軟件的邏輯控制中心，通過調(diào)用工廠類中函數(shù)在邏輯控制模塊實例底層各模塊中的控制函數(shù)類，利用控制函數(shù)類調(diào)用控制函數(shù)實現(xiàn)對設備的邏輯控制。邏輯控制模塊同時具有顯示作用，在實現(xiàn)具體操作的同時也可將設備的實時狀態(tài)顯示在操作界面。

其中，邏輯控制模塊和控制函數(shù)模塊的主要作用是實現(xiàn)設備的本地控制，而在實現(xiàn)本地控制的基礎上借助HTTP應答模塊和數(shù)據(jù)訪問模塊實現(xiàn)Web服務。

1.2 工廠類

工廠類來源于工廠設計模式，其主要思想是把類的創(chuàng)建封裝到工廠類的函數(shù)中[2]，當需要對象時，無需親自創(chuàng)建，只需通過調(diào)用工廠類中的函數(shù)就可得到類。因此工廠設計模式能夠把類的創(chuàng)建和使用相分離，減小程序間的耦合度，提高復用性。

為了適用于不同的物聯(lián)網(wǎng)設備，本文設計的Web實現(xiàn)框架需提高通用性。因此借用工廠類作為中間層封裝底層各模塊中類的創(chuàng)建，減小邏輯控制模塊與其他三個模塊的耦合度。例如，當要實現(xiàn)不同設備的Web服務時，只需更新控制函數(shù)類，在工廠類中進行新類的創(chuàng)建即可，邏輯控制模塊無需修改代碼。

1.3 底層模塊

底層模塊包括控制函數(shù)模塊、HTTP應答模塊和數(shù)據(jù)訪問模塊，各模塊由接口和類組成。其中，接口中封裝的是各模塊的功能函數(shù)，而模塊中的類需要繼承接口對各功能函數(shù)進行具體實現(xiàn)。通過借用接口把各模塊中類的創(chuàng)建封裝在工廠類的函數(shù)中，供邏輯控制模塊調(diào)用。

1.3.1 控制函數(shù)模塊

作為設備控制的直接程序，控制函數(shù)模塊包含對設備進行操作的各種函數(shù)。通常情況下，對設備的控制主要通過設備的初始化、起停控制、狀態(tài)讀取和參數(shù)設置等操作實現(xiàn)，因此控制函數(shù)類主要是對以上四個功能的函數(shù)進行實現(xiàn)。

1.3.2 HTTP應答模塊

HTTP協(xié)議作為實現(xiàn)Web服務的基礎，建立在TCP/IP協(xié)議基礎上，對HTTP協(xié)議報文的監(jiān)聽一般需借用第三方Web服務軟件，雖然Web服務軟件可實現(xiàn)高性能Web服務，但是配置繁瑣。而物聯(lián)網(wǎng)設備通常只需一些簡單的Web服務，同時.NET中的Http Listener類是對TCP/IP協(xié)議的封裝，因此使用Http Listener類可以較容易地在HTTP應答模塊中創(chuàng)建響應HTTP請求的簡單HTTP協(xié)議偵聽器。在監(jiān)聽到網(wǎng)頁請求后向客戶端返回HTML文件，通過瀏覽器對HTML文件的渲染得到控制界面就能實現(xiàn)設備的Web服務。因此該模塊的類中只需借用Http Listener類實現(xiàn)HTTP請求報文監(jiān)聽和HTML文件響應兩個功能函數(shù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)訪問模塊

由于HTTP是一個短連接的通信方式，每次連接只持續(xù)較短的一段時間，如果要用HTTP協(xié)議實現(xiàn)Web服務端和客戶端的實時通信，則需要采用輪詢方式[3]。但實現(xiàn)輪詢方式時，無論數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，都要間隔一段時間向服務端發(fā)送一個請求，對服務器造成了較大壓力。雖然Web Socket可以簡單方便地實現(xiàn)實時通信，但需借助Web服務器。而本文實現(xiàn)的Web服務框架需精簡系統(tǒng)，因此借用數(shù)據(jù)庫作為中間橋梁實現(xiàn)服務端和客戶端的數(shù)據(jù)交互。

數(shù)據(jù)訪問模塊的功能是將設備狀態(tài)信息寫進數(shù)據(jù)庫供遠程客戶端讀取，同時從數(shù)據(jù)庫中讀取遠程客戶端對設備的操作信息以及HTML文件中的Java Script代碼，實現(xiàn)服務端和客戶端的數(shù)據(jù)實時交互。此外，還可實現(xiàn)設備歷史數(shù)據(jù)查詢和大數(shù)據(jù)分析。要實現(xiàn)以上功能只需在數(shù)據(jù)訪問模塊中封裝數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查函數(shù)即可。

2 步進電機Web服務實現(xiàn)

由于步進電機應用廣泛，且和其他設備一樣實現(xiàn)“連網(wǎng)”和遠程跨網(wǎng)控制只需簡單的Web服務就可滿足需求，因此本文以實現(xiàn)步進電機的Web服務為例，說明如何利用Http Listener類采用C#編程實現(xiàn)Web服務。

2.1 步進電機Web服務系統(tǒng)結構

本文設計的軟件框架只用于開發(fā)步進電機控制軟件，是Web服務的服務端。要實現(xiàn)步進電機的Web服務和跨網(wǎng)控制，還需要步進電機、客戶端和SQL Server數(shù)據(jù)庫。由以上四部分組成步進電機Web服務系統(tǒng)，如圖2所示。

步進電機作為被控制和管理的設備，是Web服務的落腳點。

電機控制軟件作為Web服務端，是整個結構的核心部分。控制軟件采用C#作為開發(fā)語言，框架軟件包括邏輯控制、控制函數(shù)、HTTP應答、數(shù)據(jù)訪問和工廠類五個模塊。

Web客戶端即瀏覽器，需向服務端發(fā)送網(wǎng)頁請求報文，在收到響應報文中的HTML文件后，對HTML文件進行渲染得到步進電機遠程控制界面，從而實現(xiàn)步進電機的Web服務。

SQL Server數(shù)據(jù)庫作為Web服務端和客戶端實時通信的中間橋梁，在本地PC機中通過C#代碼操作數(shù)據(jù)庫，而遠程瀏覽則利用接收到的HTML文件中的Java Script程序?qū)QL Server數(shù)據(jù)庫進行操作，實現(xiàn)Web服務端和客戶端的實時數(shù)據(jù)通信。

2.2 步進電機控制軟件實現(xiàn)

本文設計的框架中，工廠類作為中間層主要是隔離模塊，而其他四個模塊則是步進電機控制軟件的實現(xiàn)基礎。

2.2.1 邏輯控制模塊

邏輯控制模塊的主要功能是調(diào)用控制函數(shù)模塊中的函數(shù)，實現(xiàn)步進電機的邏輯控制和狀態(tài)顯示，實現(xiàn)過程可分為以下三步：

（1）步進電機初始化

工作之前，一般需對機器設備進行基本參數(shù)設置，在對步進電機進行實時控制前需對電機和PC機的USB通信進行初始化。初始化的主要過程：在程序操作界面起停控件“Click”事件函數(shù)中，依次調(diào)用控制函數(shù)模塊中的OpenDevi-ce（ ）函數(shù)和SetTimeout（ ）函數(shù)，打開USB串口，設置USB通信超時時間;在USB串口打開后調(diào)用WriteData（ ）函數(shù)，對電機的衰減模式電壓和電機驅(qū)動電流進行設置，從而完成對電機的初始化。

（2）步進電機轉(zhuǎn)速和行進距離控制

目前，對步進電機的控制主要是對步進電機轉(zhuǎn)速和行進距離的控制，再利用圓弧和直線的插補算法可合成工程上所需的行進路線。

完成初始化后，根據(jù)步進電機提供的USB通信數(shù)據(jù)表將控制軟件界面中的轉(zhuǎn)速和行進距離輸入控件中的數(shù)據(jù)寫入到字節(jié)數(shù)組中對應的字節(jié)中，通過調(diào)用WriteData（ ）函數(shù)將控制命令字節(jié)數(shù)組寫入驅(qū)動器中實現(xiàn)對步進電機的控制。

（3）步進電機運行狀態(tài)讀取

在實現(xiàn)對電機進行控制的同時也需顯示電機的工作狀態(tài)，為操作人員提供操作參考數(shù)據(jù)。通過調(diào)用ReadData（ ）函數(shù)從USB串口中讀取電機狀態(tài)字節(jié)數(shù)組，然后根據(jù)電機提供的USB通信數(shù)據(jù)表對所讀取的狀態(tài)字節(jié)數(shù)組進行解析，再將解析結果顯示在軟件界面相對應的顯示控制中。

2.2.2 控制函數(shù)模塊

在步進電機控制過程中，轉(zhuǎn)速和行進距離是比較常用的兩個參數(shù)，而且這兩個參數(shù)有取值范圍限制。因此在電機控制類中定義電機轉(zhuǎn)速Servo_Speed和電機行進距離Servo_Distance屬性，對電機轉(zhuǎn)速字段servo_speed和行進距離字段servo_distance進行保護和取賦值限定。電機轉(zhuǎn)速和行進距離不僅要進行寫入也要讀取，因此屬性定義時要有get和set訪問器。

控制函數(shù)類作為控制函數(shù)模塊的主體，其實現(xiàn)的函數(shù)主要有以下幾個：

OpenDevice（ ）：打開電機驅(qū)動器;

CloseDevice（ ）：關閉電機驅(qū)動器;

SetTimeout（ ）：設置USB數(shù)據(jù)讀寫超時時間;

WriteData（ ）：寫入控制命令數(shù)據(jù)塊;

ReadData（ ）：讀取控制命令數(shù)據(jù)塊。

以上控制函數(shù)通過引用步進電機驅(qū)動器提供的DLL動態(tài)鏈接庫中所對應的外部函數(shù)，在電機控制類中對所引用的函數(shù)進行外部函數(shù)聲明實現(xiàn)。

2.2.3 HTTP應答模塊

HTTP應答模塊的功能是對HTTP請求作出反應，其實現(xiàn)過程是先對HTTP請求進行監(jiān)聽，然后向客戶端響應HTML文件。

（1）遠程瀏覽器HTTP請求報文監(jiān)聽

對HTTP請求報文的監(jiān)聽主要通過創(chuàng)建HTTP協(xié)議偵聽器完成，偵聽器創(chuàng)建的部分源代碼如下：

HttpListener listener = new HttpListener（）;

listener.AuthenticationSchemes = AuthenticationSchemes.Anonymous;

listener.Prefixes.Add（“http：//192.168.0.21：9216/”）;

listener.Start（）;

HttpListenerContext context = await listener.GetContextAsync（）;

HttpListenerRequest request = context.Request;

本文利用Prefixes屬性將偵聽器綁定到9216端口上，也可根據(jù)需要綁定到其他未被占用的端口，而Authentication Schemes屬性的功能是設置是否允許匿名和無身份驗證的客戶端訪問。在執(zhí)行Start（ ）函數(shù)后，開始監(jiān)聽瀏覽器的HTTP請求。在接收到HTTP請求時GetContextAsync（ ）函數(shù)會返回一個HttpListenerContext類，利用該類實現(xiàn)HTML文件響應。為了實現(xiàn)對客戶端網(wǎng)頁請求的實時監(jiān)聽，該段程序需要分配子線程循環(huán)執(zhí)行。

（2）HTML文件響應

返回HttpListenerContext類后，該類的Response屬性返回一個HttpListerResponse類。通過HttpListerResponse類可響應遠程瀏覽器的請求，給遠程瀏覽器響應HTML文件，從而實現(xiàn)對瀏覽器的Web服務。具體源代碼如下：

HttpListenerResponse response = context.Response;

response.ContentType = “text/html;charset=utf-8”;

response.ContentLength64 = bytes.Length;

System.IO.Stream output = response.OutputStream;

output.Write（bytes， 0， bytes.Length）;

output.Close（）;

為了實現(xiàn)對瀏覽器的實時響應，該段代碼需要和監(jiān)聽代碼在同一子線程，并且在監(jiān)聽代碼后循環(huán)執(zhí)行。代碼中使用ContentType屬性設置響應文件的格式，如果不設置，瀏覽器會將文件以.txt格式顯示在窗口上。而Write（bytes，0， bytes.Length）函數(shù)的功能則是向瀏覽器傳遞響應文件，其中參數(shù)bytes為一個字節(jié)類型的數(shù)組，該數(shù)組存放了HTML文件的二進制數(shù)據(jù)。

2.2.4 數(shù)據(jù)訪問模塊

數(shù)據(jù)庫太小不利于系統(tǒng)擴展，太大不利于管理，因此選用中型數(shù)據(jù)庫SQL Server作為中間橋梁實現(xiàn)服務端和瀏覽器的數(shù)據(jù)交互。SQL Server表中不僅存儲步進電機的狀態(tài)信息，如實時轉(zhuǎn)速、周期行進距離與串口通信狀態(tài)等，同時還存儲來自客戶端的操作信息，如轉(zhuǎn)速給定、行進距離給定、正反轉(zhuǎn)與起停等。

在服務端，電機控制軟件的C#代碼將電機的實時狀態(tài)寫進數(shù)據(jù)庫，同時從數(shù)據(jù)庫中讀取瀏覽器對電機的操作數(shù)據(jù)，根據(jù)操作數(shù)據(jù)調(diào)用控制函數(shù)模塊中相應的控制函數(shù)，實現(xiàn)電機的遠程操作。

在客戶端實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作需借助Java Script代碼，因此要在HTML文件中嵌入對數(shù)據(jù)庫進行操作的Java Script函數(shù)，將在瀏覽器中對步進電機的操作數(shù)據(jù)寫進數(shù)據(jù)庫中，同時將數(shù)據(jù)庫中存放的電機狀態(tài)信息讀出，并顯示在瀏覽器網(wǎng)頁上。

3 Web服務測試

將步進電機驅(qū)動器USB數(shù)據(jù)線接入本地PC機，運行控制軟件，對電機參數(shù)進行設置，啟動按鈕，即可實現(xiàn)對電機的控制。控制軟件界面如圖3所示。

軟件運行后，在同一局域網(wǎng)內(nèi)的瀏覽器中輸入IP地址及其端口號192.168.0.21：9216，瀏覽器將收到的HTML文件渲染到瀏覽器窗口，即步進電機遠程控制界面。遠程控制界面如圖4所示。

若要實現(xiàn)外網(wǎng)Web服務，只需向網(wǎng)絡運營商申請外網(wǎng)IP地址，或者借用花生殼軟件將本機IP映射到外網(wǎng)即可實現(xiàn)。

4 結 語

從對步進電機Web服務的測試過程可以看出，本文設計的Web服務實現(xiàn)方案可以很好地應用，在實現(xiàn)既定功能的同時系統(tǒng)也能穩(wěn)定運行。該方案不僅規(guī)避了借用Web服務軟件帶來的復雜配置過程，同時精簡了系統(tǒng)，提高了軟件的可移植性。

本文只用了兩個步進電機進行測試，在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中類似步進電機只需向外提供簡單Web服務的設備還大量存在。而本文設計的Web實現(xiàn)框架采用工廠模式，各模塊間的耦合度低，且具有很強的可擴展性，因此只要在框架中添加不同設備的模塊即可實現(xiàn)其他物聯(lián)網(wǎng)設備的Web服務，從而對分布式物聯(lián)網(wǎng)設備進行集中管理。

參 考 文 獻

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