基于嵌入式WEB的机电设备传感器监控系统研究

基于嵌入式Ｗ　Ｅ　Ｂ的机电设备　传感器监控系统研究　侯明　张学云　潘毅　（昆明理工大学信息工程与自动化学院　昆明　６５００３１）　，　（云南省爱因森软件职业学院信息工程学院），　摘要结合机电设备传感器监控系统管理需要，我们分析了远程监控系统的特点，提出基于嵌入式Ｗｅｂ服务器的机电设备传感器　监控系统设计思路、体系架构方法以及具体的硬件实现结构框图，并对基于　Ｃ／ＯＳ—ＩＩ操作系统技术的嵌入式Ｗｅｂ开发研究和分　析设计做了详细的说明。　关键词嵌入式Ｗｅｂ服务器传感器监控　中图分类号ＴＰ２１２．９　文献标识码Ａ　文章编号０８０４１６—４４８５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｅｂ　Ｈｏｕ　Ｍｉｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｘｕｅｙｕｎ　Ｐａｎ　Ｙｉ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，　Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００３　１　１，２　（Ｔｈｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｙｕｎｎａｎ　Ｅｉｎｓｕｎ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＣｏＵｅｇｅ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，　ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｅｂ　ｓｅｒｖｅｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ．Ａｎｄ　ｗｅ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｗｅｂ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃ／ＯＳ－ＩＩ．　Ｋｅｙｗｏｄｓ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｅｒ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　●＿●一●＿＿一　一理用户请求并返回数据。这些数据通常以格式固定、含有文本　、刖昂　随着微电子技术的不断创新和发展，嵌入式系统已经广泛　或图片的页面出现在用户端浏览器。基于嵌入式Ｗｅｂ的远程监　渗透到科学研究、工程设计、国防军事、自动化控制等领域。由　控是在传统远程监控的基础上又融合了Ｗｅｂ和嵌入式技术，比　嵌入式微控制器组成的系统其最明显的优势就是可以嵌入到　传统远程监控更为功能强大，将成为今后远程监控技术发展的　任何微型或小型仪器和设备中，同时由于Ｗｅｂ技术的迅速发　主流方向。Ｗｅｂ技术弥补了传统监控系统的不足，致使运用　展．Ｂｒｏｗｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ（Ｂ／Ｓ）模式已成为流行的开发模式，这种方式基　Ｗｅｂ技术实现设备的远程监控，嵌入式设备的Ｗｅｂ服务为现场　本上不用开发客户端程序，只需对服务器端程序进行开发程　设备的数据采集、监控、诊断和维护开辟了一个新的领域，已经　序，在客户端采用诸如ＩＥ这样的浏览器就可以对服务器上的数　越来越多地成为设备监控系统不可或缺的一部分。　据进行浏览。从功能上来讲，ＷｅｂＪ￣务器监听用户端的服务请　二、基于嵌入式Ｗｅｂ的机电设备传感器监控　求，根据用户请求提供相应的服务。用户端使用Ｗｅｂ浏览器和　系统模型　Ｗｅｂ服务器进行通信。ＷｅｂＨ￣务器在接收到用户端的请求后，处　基于嵌入式Ｗｅｂ的监控思想是在机电设备中实现ＨＴｒＰ　・２２・　办公自动化杂志　维普资讯 http://www.cqvip.com 服务，将其转化成Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｅｒ嵌入到被监控的机电设备中，为　Ｉｎｔｅｍｅｔ或局域网用户提供基于Ｗｅｂ的图形化管理接口，从而　Ｆｌ矗拳ｌｌ　ｌ　Ｉ　ＳＤＲＡ　矗　省去了专用客户端管理软件的设计开发，实现对接入到网络中　各种设备的统一监控管理。用户可以通过现有的公共通信网　络，不受地域限制，使用标准的Ｗｅｂ浏览器作为接口直接访问　机电设备上的Ｗｅｂ服务器，实现对网络中各个节点现场设备的　远程监控、诊断与维护。　一丸譬　５芒２　２　ｅ　ＵＳ　（艇掰　Ｒ　？ＴＤ　ＭＩ｛蓉娃囊　嚣坟）　埔鼯数字量ｌ　ｆ８路梗拟量　般的　Ｉ：业机电设备的基本功能有：人机接口、电机控制、　图２基于嵌入式ＷＥＢ的机电设备传感器　监控系统的硬件结构框图　阀门控制、机电设备的各种状态检测、温度、水位、压力、油量等　参数的传感器检测。要实现远程监控和远程故障诊断，传统的　机电设备还应具有网络功能。通过上述分析，要实现机电设备　的基本功能以及智能化和网络化，嵌入式系统至少要有以下接　口：ＬＣＤ接口、触摸屏接口（矩阵键盘接口、ＬＥＤ指示灯接口）、　ＲＳ２３２或ＲＳ４８５接口、ＵＡＲＴ接口、多路Ａ／Ｄ转换输入、２１路数　字量输出、８路数字量输入（两个可作为中断源）及Ｅｔｈｅｒｎｅｔ接　口，基于嵌入式ＷＥＢ的机电设备传感器监控系统的总体框图　如图１所示。　ｓ・｛ｒ（操作蓉蟪）ｌ　ｌ塾！！！　塑墨　ｒ７５Ｃ　２２０　Ｃ　５８垫９００墅￣堡　（采用　＝臣　兰　＾ＲⅫ　０Ｃ一　ＴＤｌ娃ｌ　存髓蕊ｌ　—嚣程聋　弼］　敝处理　ＨＴＴＰ捌宽器３＃ｌ　嚣核）　ｉ　蕊　吝薅ＡｆＤ转换　：　多种攘戆器　辘电设备　图１基于嵌入式ＷＥＢ的机电设备传感器监控系统的总体框　三、硬件设计　随着嵌入式微处理器的发展，出现了Ｐｏｗｅｒ　ＰＣ、６８Ｋ、　ＭＩＰＳ、ＡＲＭ等一系列低功耗、高性能的嵌入式ＣＰＵ。因此选择　低成本的３２位ＡＲＭ系列嵌入式处理器，不但价格低廉，而且　功耗低、处理速度快，应用前景广泛，比较适合远程监控需求。　ＡＴ７５Ｃ２２０是定位于智能互联网应用的高性能ＡＲＭ处理器，墨　采　用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ微处理器核，具有ＯａｄＤＳＰ核，强大的外设（如中　断控制器和外设数据控制器），其ＤＭＡ通道增强了微控制器的　实时性能。它集成ＡＲＭ７ＴＤＭＩ　ＡＲＭ　Ｔｈｕｍｂ处理器核，有一个　１６ｂ定点ＤＳＰ核，具备双以太网１０／１００Ｍｂ／ｓＭＡＣ接口和　８８ｋＢ的完整快速ＲＡＭ（支持ＤＭＡ方式），并且有多媒体数字信　号编解码器（ＣＯＤＥＣ接口）和集成ＳＤＲＡＭ控制器。因此　ＡＴ７５Ｃ２２０就适用于需要图像处理功能并具有互联网通信能力　的设备，如图像和性能要求都比较高的机电设备等。同时，该芯　片完备的开发软件支持（包括ＬＩＮＵＸ操作系统和ＤＳＰ算法程序　支持等）也有利于产品的研发，减少产品上市时间。具体硬件模　块如图２所示。　四、嵌入式系统软件设计　Ｃ／ＯＳ—ＩＩ是一个源代码公开的占先式多任务微内核　ＲＴＯＳ，与其它实时操作系统相比，能够很好的满足实时性需求。　Ｃ／ＯＳ—ＩＩ结构简单、容易移植，广泛运用于丁业控制的各领　域。将　Ｃ／ＯＳ—ＩＩ（Ｖ２．５１）移植到ＡＴ７５Ｃ２２０上的主要工作是修　改三个和ＡＲＭ体系结构相关的文件ＯＳ—ＣＰＵ．Ｈ，ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ　和ＯＳ—ＣＰＵ—Ａ．Ｓ。ＯＳ—ＣＰＵ．Ｈ主要包含编译器相关的数据类型的　定义、堆栈类型的定义以及几个宏定义和函数说明。而　ＯＳ＿ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ中则包含与移植有关的Ｃ函数，包括堆栈的初始　化函数和一些钩子（ｈｏｏｋ）函数的实现。ＯＳ＿ＣＰＵ＿Ａ．Ｓ中则包含　与移植有关的汇编语言函数，包括开／关中断、上下文切换、时　钟中断服务程序等。　在硬件设计上采用以太网口，软件上通过实现瘦ＴＣＰ／ＩＰ　网络通信协议，针对嵌入式系统特点对传统的ＴＣＰ／ＩＰ协议进行　裁减，让嵌入式支持轻量级ＴＣＰ／ＩＰ协议栈而直接连入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。　在设计将无实时要求和费时的ＴＣＰ／ＩＰ协议簇的处理放在主程　序顺序循环中。网络程序结构采取顺序执行和硬件中断相配合　的方式，这种硬件中断是外部时钟中断，中断级别要比非向量　模式的ＦＩＱ中断级别低，在系统空闲时进行网络数据交互；对　网络接口控制芯片采用查询方式，即在其他中断任务的执行间　隙处理瘦ＴＣＰ／ＩＰ协议簇，以牺牲响应速度来换取系统可靠性。　系统采用ＴＣＰ／ＩＰ协议栈ＬｗＩＰ（ＩＪｉｇｈｔ　Ｗｅｉｇｈｔ　ＩＰ），它是一套　用于嵌入式系统的开放源代码ＴＣＰ／ＩＰ协议栈。ＬＷＩＰ实现的重　点是在保持ＴＣＰ协议主要功能的基础上减少对ＲＡＭ的占用，　一般它只需要数１０ｋＢ　ＲＡＭ和４０ｋＢ左右的ＲＯＭ就可以运行，　这使ＬＷＩＰ协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。ＬＷＩＰ协议栈　在设计时就考虑到了将来的移植问题，把所有与硬件、ＯＳ、编译　器相关的部分独立出来，放在／ｓｒｃ／ａｒｃｈ目录下。因此ＬＷＩＰ在　ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ上的实现就是修改这个目录下的文件，其他的文件一　般不用修改。本系统移植的是ＬＷＩＰ是１．１．０版本。ＬｗｌＰ的移植　工作主要有：　１、修改ｓｙｓ　ａｒｃｈ．ｈ和ｓｙｓ　ａｒｃｈ．ｃ中与操作系统相关　部分；　２、修改与ＣＰＵ或编译器相关的ｉｎｃｌｕｄｅ文件：ｃｃ．ｈ、ｃｐｕ．　ｈ、ｐｅｒｆ．ｈ，正确设置数据长度，字的高低位顺序等。ＬｗＩＰ协议　栈中用到了６个外部函数（１ｉｂａｒｃｈ．ｅ），这些函数与用户使用的　系统或编译器有关，因此需要自己实现。／ｓｒｃ／ｎｅｔｉｆ／ｅｔｈｅｍｅｔ正ｃ　文件即为网络驱动的模板，我们可以参照此模板实现选用的网　络设备驱动。做完上面的移植修改工作以后，就可以在　Ｃ／ＯＳ—ＩＩ中创建一个任务初始化ＬＷ１Ｐ，并创建ＴＣＰ任务、　ＵＤＰ任务和Ｈ１ＴｒＰ任务。　五、具体实现　嵌入式Ｗｅｂ服务器的软件开发主要包括以下几项内容：　首先，完成嵌入式操作系统的移植和ＴＣＰ／ＩＰ协议的剪裁；第二，　编写数据采集、数据处理应用子程序；第三，编写远程通信子程　（下转第５８页）　办公自动化杂志　・２３．　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｄ　ｉ　ａｌ　ｏｇ　ｉ　ｃ重组了服务支持　Ｄｉｉａｌｏｇｉｃ　Ｒｅｅｎｇｉｃ　Ｈｅｅｎｌ＝ＩＩｎｅｅｒｉｎｅｅ　ｒＩｎｇ　ｔｈｅ　Ｓｅｒｎａ　ｔｈｅ　Ｓｅｒｖｉｃ￣Ｓｕｐｌｔｃｅ　ＳＵＤＤＯｒ　Ｄａｖｅ　Ｎｏｗｌａｎ　Ｄｉａｌｏ　ｃ⑧Ｐｒ　服务部门努力地为面向全球移动和固网运　ＴＦＣ　Ｔｅｌｅｋｏｍｕｎｉｋａｃｅ公司开发的调度终端。其中使用了ＤｉＭｏ￣ｃ￣　营商创建产品或服务的客户们提供全系列的支持服务。最近对　的模块产品，例如Ｄｉａｌｏｇｉｃ￣主机媒体处理软件，大大降低了其　服务产品进行了重组来更好地满足客户的需求。目前针对两个　运营成本。　级别的服务（高级和标准）提供两种类型的服务协议（服务协议和　单设备支持计划）。　服务协议是面向需要直接联系Ｄｉａｌｏｇｉｃ专家并需要确保响　二、技术前沿　１、信令产品继续升级　Ｄｉａｌｏｇｉｃ最近发布了关于它的信令产品的最新更新信息。可　应速度的服务提供商，开发商，系统集成商和企业客户。客户购　以查看最近的更新的产品简介了解所有传统和高级的Ｄｉａｌｏｇｉｃ￣ＳＳ７　买高级服务协议后可继续从Ｄｉａｌｏｇｉｃ￣ＰｒｏＭ优势服务计划中选　和ＳＩＴＧＴＲＡＮ协议ＡＰＩ的分层架构，它们支持目前领先的电信级　择各种可选服务。　操作系统。关于ＰＣＩｅ总线的Ｄｉａｌｏｇｉｃ￣ＳＳ７ＨＤＥ　ＳＳ７接口板卡信　单设备支持计划为特定的Ｄｉａｌｏｇｉｃ产品提供服务支持帮助　息也可供参阅。　确保特定程度的可用性和性能。单设备支持计划是在购买时确　２、呼叫监控应用开发　定的。　一一个Ｄｉａｌｏｇｉｃ新的应用手册描述了使用ＤｉＭｏ￣ｃ￣ＳＳ７信令　、商业展望　捷克铁路的运营成本大大降低　捷克为它新的铁路调度中心选择了ＩＰ　ＴｏｕｃｈＣａｌｌ，一个由　和媒体产品创建一个呼叫监控应用。你可以查阅和下载一个例　子应用，它被设计用来监控ＳＳ７链路并记录链路上的呼叫。　（０８０５０４—４５０４）　（上接第２３页）　序；第四，报警处理子程序；第五，数据查询和报表生成子程序。　这些功能应先在上述的开发环境中进行初步实现之后，再移植　到自定义的环境中。　在此方案中，嵌入式Ｗｅｂ服务器与Ｗｅｂ浏览器及其他应用　程序之间的交互，可以通过调用ＣＧＩ（Ｃｏｍｍｏｎ　Ｇａｔｅｗａｙ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）　用化的传感器监控方案并加以实现。经使用证明，该设计方案　是成功的并取得了较为理想的效果。　参考文献　【１】周启平，张杨编著．ＶＸ　ＷＯＲＫＳ下设备驱动程序及　程序来实现。ＣＧＩ规定了Ｗｅｂ服务器与浏览器及其他可执行程序　ＢＳＰ开发指南［Ｍ］．中国电力出版社，２００４．９．　的接口协议标准。当Ｗｅｂ浏览器将请求信息发送给Ｗｅｂ服务器　［２】Ａｎｔｈｏｎｙ　Ｊｏｎｅｓ．Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　时，Ｗｅｂ服务器触发—个可执行的ＣＧＩ程序，该程序根据用户请　Ｗｉｎｄｏｗｓ［Ｍ］．Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｐｒｅｓｓ，１９９９．　求的内容做出相应的处理，并将处理结果以Ｗｅｂ服务器可识别　【３】（美）Ｄａｖｉｄ　Ｅ．Ｓｉｍｏｎ著陈向群等译．嵌入式系统软件教　的方式输出，Ｗｅｂ服务器再将该结果回送给Ｗｅｂ浏览器。　ＣＧＩ程序中的信息传递是通过标准输入设备ｓｔｄｉｎ和标准　输出设备ｓｔｄｏｕｔ来完成的。Ｗｅｂ服务器在调用ＣＧＩ程序之前，　程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５．　【４】李卓桓等．Ｌｉｎｕｘ网络编程［Ｍ］．北京：机械工业出版　社。２０００．１．　需要预先设置好所有的环境变量，以便把客户的请求转化为参　【５】孙琼编著．嵌入式Ｌｉｎｕｘ应用程序开发详解［Ｍ］．北　数后存人环境变量，然后就可以调用ＣＧＩ程序了。ＣＧＩ程序根　京：人民邮电出版社，２００６．　据不同的请求方法确定如何获取客户的请求内容，而Ｗｅｂ服务　【６】张仑编著．３２位嵌入式系统硬件设计与调试［Ｍ］．　器则通过标准输入设备ｓｔｄｉｎ获得客户请求；对于ＣＧＩ程序的　机械工业出版社，２００５．７．　・　输出结果，Ｗｅｂ服务器则是通过标准输出设备ｓｔｄｏｕｔ来获得，　【７】孙纪坤，张小全编著．嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统开发技术详解　Ｗｅｂ服务器对其进行语法分析之后，再传送给客户浏览器。至　一基于ＡＲＭ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００６．　于ＣＧＩ程序的实现，本方案选用Ｃ语言，以保证ＣＧＩ程序的快　作者简介　速、高效和安全。　侯明（１９７４一），男，云南昭通人，昆明理工大学信息与　六、结束语　基于嵌入式ＷＥＢ的机电设备传感器监控系统，以其体积　自动化学院讲师，硕士毕业，在读博士。　张学云（１９４９～），男，云南墨江人，昆明理工大学信息与自　教授、硕士生导师。　小、可连续工作时间长、性能稳定等特点，得到人们的广泛认　动化学院从事计算机教学和科研工作，潘毅（１９７４一），男，四川人，云南省爱因森软件职业学　可，成为网络化远程监控系统的主流方向。在本设计中，借助于　相对稳定和成熟的软硬件开发环境，设计了一套较为完整和实　・院信息工程学院副院长。　５８・　办公自动化杂志