一種高速嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
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本文詳細論述了一種通過嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制在線嵌入式設(shè)備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了客戶端/服務(wù)器(C/S)模式。通過簡化TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)了嵌入式Web服務(wù)器(EWS)功能。將EWS安裝到設(shè)備中，從而使得嵌入式設(shè)備可以通過Internet互聯(lián)，同時可提供網(wǎng)絡(luò)管理頁面，使用戶可用標準的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器對眾多設(shè)備進行在線遠程訪問、控制和管理，將時間與距離的限制降到最低。
1 控制系統(tǒng)架構(gòu)
微處理器(MPU)和微控制器(MCU)用于嵌入式設(shè)備的監(jiān)視和控制，成為嵌入式系統(tǒng)的核心。為了在不同的MPU/MCU間相互通信，許多工業(yè)項目采用RS-232、RS-485及CAN等通信標準，但這些途徑的通信速度和距離都有較大局限性，若要將其與Internet互聯(lián)需要特殊的嵌入式網(wǎng)關(guān)的支持，給實際使用造成很大的不便。EI是一種用于嵌入式設(shè)備接入Internet的互聯(lián)技術(shù)，它可使嵌入式設(shè)備方便可靠地接入Internet中[2]。
為了使嵌入式設(shè)備可以連接到Internet并讓用戶通過標準的Web瀏覽器對其進行操作，EI的關(guān)鍵技術(shù)在于使嵌入式設(shè)備可以支持HTTP服務(wù)并具有Web服務(wù)器的功能[2]。對于網(wǎng)絡(luò)用戶而言，EWS提供了一個基于Web的圖形界面，以便于其對接入Internet的多種嵌入式設(shè)備進行統(tǒng)一的標準化管理，而不再需要特殊的專用協(xié)議和管理軟件。監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。
在本系統(tǒng)中，EWS內(nèi)嵌于設(shè)備中并通過串口連接設(shè)備，每個設(shè)備都具有自身的IP地址，經(jīng)內(nèi)部EWS由RJ-45接口接入本地局域網(wǎng)(LAN)中(本實驗中，LAN為以太網(wǎng))。一方面EWS讀取設(shè)備狀態(tài)信息并將其發(fā)送給本地或遠程用戶；另一方面則接收控制指令并發(fā)送給設(shè)備。而更大范圍的廣局網(wǎng)通信則可通過Internet或移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。
2 EWS的設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 軟件架構(gòu)
本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，其中包括兩部分――網(wǎng)絡(luò)瀏覽器與EWS，EWS通過嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)其功能。在實際應(yīng)用中，EWS被配置在嵌入式設(shè)備中，作為設(shè)備的一部分而存在，這使得該設(shè)備無需更多改動或配置即可直接接入網(wǎng)絡(luò)。與此同時EWS還內(nèi)建了TCP/IP協(xié)議棧、嵌入式文件系統(tǒng)、設(shè)備網(wǎng)關(guān)及硬件接口等組件，其基本架構(gòu)如圖2所示。
在該架構(gòu)中，嵌入式文件系統(tǒng)對事先配置的監(jiān)控頁面進行存儲和管理。嵌入式設(shè)備網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了TCP/IP與實際使用的特定設(shè)備自身控制協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)了雙向透明通信。兩種不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)便可通過嵌入式設(shè)備相互連接，而硬件接口則負責(zé)EWS、硬件設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)之間的連接。
當本系統(tǒng)工作時，首先EWS接收到來自局域網(wǎng)的客戶端基于網(wǎng)址的請求并回應(yīng)該請求。通過回應(yīng)事先配置好并存放在嵌入式文件系統(tǒng)中的監(jiān)控網(wǎng)頁界面，用戶可通過標準的瀏覽器向遠端設(shè)備發(fā)送指令。該指令經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)傳送后被設(shè)備網(wǎng)關(guān)接收，設(shè)備網(wǎng)關(guān)將其翻譯為專用指令并進一步傳遞給硬件設(shè)備本身。與此同時，設(shè)備數(shù)據(jù)或信號也被傳輸給遠程客戶端以供用戶查看。
2.2 簡化TCP/IP協(xié)議棧
嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效地解決了嵌入式設(shè)備接入因特網(wǎng)的問題，使得這些設(shè)備可通過普通的瀏覽器進行遠程訪問和控制，如何將TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)嵌到設(shè)備中是解決問題的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧相對比較龐大復(fù)雜并需要固定的系統(tǒng)資源支持，而大部分嵌入式設(shè)備都采用8位或16位MCU，其運算能力和系統(tǒng)資源比較薄弱。若直接將傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧接入設(shè)備，則大部分運算時間和系統(tǒng)資源都將被占用，這對系統(tǒng)的整體性能影響很大[3]。為了解決此矛盾，在設(shè)計該監(jiān)控系統(tǒng)時根據(jù)具體情況選用了成熟的LWIP協(xié)議棧以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，同時最大限度地減少系統(tǒng)資源消耗并提高了可靠性。
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