Web動態(tài)服務及控制在物聯(lián)網(wǎng)中的應用設計

引言
隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)將不斷地和網(wǎng)絡相結合。嵌入式Web技術是計算機領域研究的熱點，其優(yōu)點是開發(fā)成本低、通用性強，能運行在8位或16位MCU環(huán)境中，其豐富的Web用戶圖形界面使得嵌入式設備具有極好的交互性。因此，一旦在嵌入式設備中集成了Web服務，就能實現(xiàn)用戶與嵌入式設備低成本、高通用性的信息交流，即客戶端利用HTTP瀏覽器(如IE)，在任何時間、任何地點都能實現(xiàn)與嵌入式設備的信息交互。可以說，嵌入式Web的應用必將極大地促進嵌入式設備，特別是低端控制設備、儀器、儀表的信息化，最終將促進物聯(lián)網(wǎng)的各種應用。
在MCU上開發(fā)Web服務器的難點在于其資源有限。相比臺式機PC(幾個GB的雙核CPU，幾個GB的內存和幾百個GB的硬盤)來說，嵌入式系統(tǒng)的各種硬軟件資源少得可憐。在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)復雜的Web動態(tài)服務及Web控制，既沒有必要也不現(xiàn)實。因此，如何緊緊圍繞嵌入式系統(tǒng)的具體應用要求，恰當?shù)貙崿F(xiàn)Web動態(tài)服務及Web控制，進而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用是一個需要解決的技術難題。

1 嵌入式Web服務的一般實現(xiàn)方法
目前，嵌入式設備中通常使用的Web服務器有Apache、httpd、Boa、Thttpd和mini-httpd等。常用的實現(xiàn)動態(tài)Web頁面的技術主要有CGI、ASP、PHP、JSP、Java、ISPI等。其中，Boa是一個運行在類Unix系統(tǒng)中的小型Web Server，雖然功能比較齊全，但很多功能(如virtual hos-t，內存使用量較大)對嵌入式應用而言是冗余的；Apache功能較強大，但占用空間太多(需要幾MB空間，其他Web服務器只需要幾百KB)；PHP 可擴展性較差，安全性不高；標準的CGI需要用到文件、進程等操作。
為節(jié)省資源、提高效率，嵌入式環(huán)境下現(xiàn)應用較多的是嵌入式動態(tài)Web實現(xiàn)方法，一般采用“Apache+PHP”或者是“Boa+CGI”技術。然而，在低端的嵌入式設備中，特別是8位MCU的儀器、儀表中，因為受資源尤其是存儲資源的限制，要用上述思路來實現(xiàn)嵌入式Web服務不太現(xiàn)實，畢竟對于低端的嵌入式設備而言，移植操作系統(tǒng)是一件奢侈的事情。

2 嵌入式Web動態(tài)服務的改進思路及實現(xiàn)
考慮到嵌入式Web服務器的應用領域多數(shù)是專門的控制設備儀表，絕大多數(shù)控制設備儀表的工作流程都是基本固定的，所以可以考慮采用某種固定的交互模式來控制這些儀表。能否用這種思路進行設計的關鍵是要弄清下面兩個問題：第一，嵌入式Web服務器的功能有哪些?第二，這些功能是否固定，是否需要擴展?如果這種功能既不是很復雜，又相對固定，那么就可以按照這種思路進行設計，而完全沒有必要用CGI、ASP等Web動態(tài)服務技術來實現(xiàn)Web動態(tài)服務。遵照這一思路，本文實現(xiàn)如下：
①將顯示界面不變的部分作為一個靜態(tài)頁面，以HTML格式存儲在ROM中，以方便MCU直接操作。這樣設計后，需要注意的問題是，MCU的ROM空間是否能同時存儲程序代碼和網(wǎng)頁HTML代碼。筆者所設計的嵌入式Web服務器的程序代碼量有28 KB，而HTML代碼量有2～3 KB，采用的MCU(即W78E58B)有32 KB ROM空間，因此采用這種設計思路完全可行。
②利用替換法提供Web動態(tài)服務。對需要動態(tài)改變的內容部分作特殊標記，例如，環(huán)境溫度值為“TAG：Temperature”，網(wǎng)頁長度為“TAG：PageLen”。程序運行時，先將靜態(tài)頁面由ROM讀入內存，然后將環(huán)境溫度值和網(wǎng)頁長度值傳送到服務器節(jié)點，服務器讀取實際值并存入內存，再用實際值代替標記，生成一個新的頁面并將其送給瀏覽器，這樣用戶看到的就是一個動態(tài)的頁面。
③經(jīng)過上述設計后，網(wǎng)頁文件的值是動態(tài)的，但不是實時的。可以采用如下思路實現(xiàn)實時動態(tài)服務：利用HTML語言的meta httpequiv =“Refresh”content=“秒數(shù)”；url=“跳轉的URL”>來實現(xiàn)網(wǎng)頁內容的自動更新，其刷新時間由文件開頭語句中的content的內容決定。該值可根據(jù)具體應用需求進行設置，例如筆者設計的刷新時間為2 s。
按照這種設計實現(xiàn)后，網(wǎng)頁文件就能在2 s范圍內實時顯示系統(tǒng)通過溫度傳感器采集來的環(huán)境溫度。

3 嵌入式Web控制的實現(xiàn)
按照上述思路可實現(xiàn)服務器對客戶端的Web動態(tài)服務。然而在實際的嵌入式應用中，僅僅一個Web動態(tài)服務是不夠的，它還應支持客戶端數(shù)據(jù)上傳到服務器，以達到通過客戶端來控制服務器的目的。
那么，如何實現(xiàn)客戶端對服務器端的控制呢?遵照上述設計思路，并結合HTTP請求中的POST命令來實現(xiàn)簡單的Web控制。實現(xiàn)過程如下：
①在網(wǎng)頁文件中實現(xiàn)如下表單：

②在嵌入式Web服務器的HTTP接收模塊中分析HTTP請求的POST數(shù)據(jù)，當LEDCtr1=0時，發(fā)送指令點亮LED燈，否則熄滅LED燈。

4 功能測試
測試時可將嵌入式Web服務器與客戶端主機直接相連，并利用PC機的IE瀏覽器實時讀取服務器測量的環(huán)境溫度，結果如圖1所示。左圖是測量的當前環(huán)境溫度顯示的結果，右圖是當采用物理手段(如利用打火機燒烤傳感器)以提高環(huán)境溫度后顯示的結果。由圖可知，嵌入式Web服務器能完成正常的Web動態(tài)服務。經(jīng)實踐驗證，服務器系統(tǒng)LED燈的亮／滅完全可由圖1所示的亮／滅控件來控制，也就是說已成功實現(xiàn)了Web控制。

5 結論
筆者分析了當前嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)Web動態(tài)服務的幾種思路，以采集環(huán)境溫度、控制LED燈的亮／滅為例，給出一種在嵌入式設備中實現(xiàn)Web動態(tài)服務與Web控制的實現(xiàn)思路，并在給出實現(xiàn)結果的基礎上驗證了該設計思路的可行性。這為嵌入式設備，特別是低端嵌入式設備中順利實現(xiàn)Web動態(tài)服務及Web控制，進而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術打下了堅實的基礎。