一種高速嵌入式遠程監控系統的研究與實現
本文詳細論述了一種通過嵌入式互聯網技術控制在線嵌入式設備的遠程監控系統。本系統采用了客戶端/服務器(C/S)模式。通過簡化TCP/IP協議棧實現了嵌入式Web服務器(EWS)功能。將EWS安裝到設備中,從而使得嵌入式設備可以通過Internet互聯,同時可提供網絡管理頁面,使用戶可用標準的網絡瀏覽器對眾多設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 控制系統架構
微處理器(MPU)和微控制器(MCU)用于嵌入式設備的監視和控制,成為嵌入式系統的核心。為了在不同的MPU/MCU間相互通信,許多工業項目采用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互聯需要特殊的嵌入式網關的支持,給實際使用造成很大的不便。EI是一種用于嵌入式設備接入Internet的互聯技術,它可使嵌入式設備方便可靠地接入Internet中[2]。
為了使嵌入式設備可以連接到Internet并讓用戶通過標準的Web瀏覽器對其進行操作,EI的關鍵技術在于使嵌入式設備可以支持HTTP服務并具有Web服務器的功能[2]。對于網絡用戶而言,EWS提供了一個基于Web的圖形界面,以便于其對接入Internet的多種嵌入式設備進行統一的標準化管理,而不再需要特殊的專用協議和管理軟件。監控系統的架構如圖1所示。
在本系統中,EWS內嵌于設備中并通過串口連接設備,每個設備都具有自身的IP地址,經內部EWS由RJ-45接口接入本地局域網(LAN)中(本實驗中,LAN為以太網)。一方面EWS讀取設備狀態信息并將其發送給本地或遠程用戶;另一方面則接收控制指令并發送給設備。而更大范圍的廣局網通信則可通過Internet或移動通信網絡實現。
2 EWS的設計與實現
2.1 軟件架構
本系統采用瀏覽器/服務器的結構實現,其中包括兩部分――網絡瀏覽器與EWS,EWS通過嵌入式網絡技術實現其功能。在實際應用中,EWS被配置在嵌入式設備中,作為設備的一部分而存在,這使得該設備無需更多改動或配置即可直接接入網絡。與此同時EWS還內建了TCP/IP協議棧、嵌入式文件系統、設備網關及硬件接口等組件,其基本架構如圖2所示。
在該架構中,嵌入式文件系統對事先配置的監控頁面進行存儲和管理。嵌入式設備網關實現了TCP/IP與實際使用的特定設備自身控制協議之間的相互轉換,從而實現了雙向透明通信。兩種不同結構的網絡便可通過嵌入式設備相互連接,而硬件接口則負責EWS、硬件設備及網絡之間的連接。
當本系統工作時,首先EWS接收到來自局域網的客戶端基于網址的請求并回應該請求。通過回應事先配置好并存放在嵌入式文件系統中的監控網頁界面,用戶可通過標準的瀏覽器向遠端設備發送指令。該指令經由互聯網傳送后被設備網關接收,設備網關將其翻譯為專用指令并進一步傳遞給硬件設備本身。與此同時,設備數據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協議棧
嵌入式互聯網技術有效地解決了嵌入式設備接入因特網的問題,使得這些設備可通過普通的瀏覽器進行遠程訪問和控制,如何將TCP/IP協議棧內嵌到設備中是解決問題的關鍵所在。傳統的TCP/IP協議棧相對比較龐大復雜并需要固定的系統資源支持,而大部分嵌入式設備都采用8位或16位MCU,其運算能力和系統資源比較薄弱。若直接將傳統的TCP/IP協議棧接入設備,則大部分運算時間和系統資源都將被占用,這對系統的整體性能影響很大[3]。為了解決此矛盾,在設計該監控系統時根據具體情況選用了成熟的LWIP協議棧以實現網絡功能,同時最大限度地減少系統資源消耗并提高了可靠性。
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