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　　隨著網絡技術和嵌入式技術的發展，將嵌入式系統與Internet相結合對系統進行數據、圖像監控和管理，成為重要研究方向之一。嵌入式Web網絡傳感器技術是傳感器、嵌入式、分布式信息處理和Internet等相關技術交叉結合的技術，它是在智能傳感器的基礎上把TCP／IP協議作為一種嵌入式應用，嵌入現成智能服務器的ROM中，利用傳感器內建的Web服務器，用戶可以通過瀏覽器采集遠程監控對象的信息。

　　1 Web網絡傳感器數據采集系統工作原理

　　用戶通過瀏覽器訪問Web服務器上的數據，將遠程采集到的數據實時顯示到Internet網頁上。用戶需要實時看到數據的變化，而HTML網頁通常只能是靜態的數據，為此在Web服務器上應用動態網頁技術是必要的。動態網頁的實現技術有CGI和HTML腳本嵌入技術（如ASr、PHP、JSP等），由于網絡傳感器嵌入式系統采用的是單片機來實現，其資源有限，為此采用CGI技術來實現動態網頁。

　　1.1 CGI原理

　　CGI（Common Gateway Interface，公共網關接口）提供給Web服務器一個外部程序的通道，實現處理器與瀏覽器之間的通信。CGI是一種接口規范，可以處理客戶端（一般是瀏覽器）輸入的數據，完成瀏覽器和服務器之間的交互操作。CGI是運行在Web服務器上的程序，由瀏覽器的輸入觸發，是服務器和系統中其他程序的橋梁。CGI程序屬于一個外部程序，是運行在服務器端的一個可執行文件。

　　CGI程序的工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 CGI程序的工作原理示意圖

　　客戶端的Web瀏覽器瀏覽到某個主頁后，利用一定的方式提交數據，并通過HTTP協議向Web服務器發出請求。服務器端的HTTP Daemon（守護進程）將描述的主頁信息通過標準輸入（STDIN）和環境變量（environment variable）傳遞給主頁指定的CGI程序，并啟動此應用程序進行處理（包括對數據庫的處理）。處理結果通過標準輸出（STDOUT）返回給HTTP Daemon，再通過HTTP協議返回給客戶端的瀏覽器，由瀏覽器負責解釋執行，將最終的結果顯示給用戶。

　　1.2 基于CGI的數據采集流程

　　CGI的數據采集流程如圖2所示。當用CGI實現遠程傳感器溫度數據采集時，CGI程序可以通過直接訪問硬件或調用驅動程序的方式獲得數據。當數據采集完畢后，CGI程序將數據組織成HTTP流并發送到Web服務器上，由Web服務器負責送到客戶端。

圖2 CGI的數據采集流程圖

　　2 實時數據采集技術

　　2.1 連續數據采集的實現方法

　　由于HTTP是基于請求／響應模式的，客戶端和服務端進行一次交互時，開始于客戶提出的一個請求，并在服務器給出響應后結束。而一次交互只能得到一組數據，那么如何實現連續的數據采集呢？ 一般有兩種方法：即客戶端牽引和建立TCP連接。

　　客戶端牽引就是在網頁中插入定時刷新功能，它的數量級為s，可以使用戶看到數據的變化，但不能滿足強實時性的要求，而且其中會漏掉一些中間的數據。

　　建立TCP連接就是通過在網頁中嵌入ActiveX控件或Java Applet小程序來增強客戶機的功能。其中，ActiveX控件只能在windows環境下運行，而Java Applet通用性強，可以實現跨平臺操作。所以本系統采用Java Applet來進行遠程數據的實時采集。

　　2.2 Java Applet

　　Applet是用Java編寫的，含有可視化內容的，并被嵌入Web頁面中用來產生特殊頁面效果的小程序，經常被用于增加網頁多媒體效果，并使網頁產生互動功能。

　　當用戶訪問帶有Java Applet的網頁時，Applet被下載到用戶計算機上執行，但前提是用戶使用的是支持Java的網絡瀏覽器。由于Applet是在用戶計算機上執行的，因此它的執行速度是不受網絡寬帶或者MODEM存取速度的限制，用戶可以更好地查看網頁上Applet產生的多媒體效果。

　　Applet必須將HTML的<applet>和<／applet>一對標記或者<object><／object>嵌入到Web網頁中，使用瀏覽器才能運行。在IE中用<obje-ct>標簽取代<applet>標簽，在Netscape 4使用<embed>標簽取代<applet>，但是<object>和<embed>都必須遵循Java Plug-in中的格式。

　　3 實時數據采集的具體實現

　　3.1 硬件實現

　　嵌入式Web網絡傳感器的數據采集系統的硬件結構如圖3所示。

圖3 嵌入式Web網絡傳感器的數據采集系統的硬件結構圖

　　ADuC832是ADI公司推出的混合信號單片微控制器，是真正意義上完整的數據采集系統芯片，是集數據轉換電路、微控制器、閃存于一體的數據采集系統。它的主要特性有：8通道模擬I／O，247 ksps、12位ADC，2個12位（單調的）電壓輸出DAC片內溫度傳感器；62 KB片內閃速／電擦除程序存儲器，4 KB片內閃速／電擦除數據存儲器，2 304字節的片內數據RAM。

　　主芯片通過74LS138譯碼器來進行片選外部數據存儲器KM62256，或者網卡控制器RTL8019AS。通過74HC573地址鎖存器進行當前地址的鎖存，使得輸出端的狀態不會隨輸入端的狀態變化而變化，僅在有鎖存信號時輸入的狀態被保存到輸出，直到下一個鎖存信號到來時才改變，也是為了實現地址的復用。

　　在主電路上主要設計了一個信號輸入接口，用來接工業現場的4～20 mA信號的變送器；設計了一個RJ45的網口接口，通過網口可以直接接到Internet上，進行現場數據的上傳和共享；還設計了RS485接口和RS232接口，作為工業現場特殊情況下的數據接入和處理。

　　現場傳感器將采集的4～20 mA信號傳送給信號調理板，將其信號轉換為0～2.5 V的電壓信號，然后通過ADuC832轉換為數字量，再通過程序轉換為相應的溫度值，實時地將溫度值顯示在嵌有Java Applet的網頁上。

　　3.2 軟件實現

　　3.2.1 操作系統和協議棧的選用

　　在嵌入式Web服務器上，選用μC／OS-II作為嵌入式實時操作系統。它是一個可移植、可固化、可裁剪、搶占式的實時操作系統，比傳統的前后臺程序可靠性更高，效率更高。

　　TCP／IP是個協議簇，是諸多開放的協議的集合，但是單片機是個小型的微處理器，內部資源有限，因此必須要對協議進行裁剪。本系統采用精簡的小型TCP／IP協議棧——μIP協議棧。μIP協議代碼中包括了一些基本的通信協議：ARP協議、IP協議、ICMP協議和TCP協議，UDP協議、HTTP協議、Telnet協議、SMTP協議等。其中，ARP、IP、ICMP、TCP這4個協議就能實現網絡連接和通信的最基本的功能，同時還能實現CGI技術。其應用層就是HTTP協議，采集數據嵌入在Web服務器網頁中以網頁的形式發布到Internet。

　　對于μC／OS-II和μIP的移植，詳見參考文獻。整個系統的軟件結構如圖4所示。

圖4 系統的軟件結構圖

　　3.2.2 Java Applet嵌入網頁的實現

　　應用Applet實現嵌入式Web傳感器實時監控程序RealtimeMonitor.java，主要結構如下：

　　其中，192.168.11.30是嵌入式Web服務器的IP地址，data.txt是傳感器經處理器處理后的數據，“wly.sleep（1000）；”表示設置采集的時間間隔為1s。

　　通過JDK軟件包，使用命令javac RealtimeMonitor.java將Java程序編譯成RealtimeMonitor.class，然后使用“<appletcode=Real-timeMonitor width=400 height=600><／applet>”嵌入到HTML網頁中。

　　最后，在已加載μC／OS-II和μIP程序的Web服務器上添加嵌入Applet的Monitotor.html網頁，將Monitor.html網頁的文本轉換成十六進制代碼，放置在μIP的fsdata.c文件中并嵌入到處理的ROM中，通過Keil將所有程序編譯生成HEX文件，下載到嵌入式Web處理器里。

　　打開瀏覽器輸入IP地址192.168.11.30，訪問嵌入式Web服務器上的采集數據。網絡傳感器實時數據采集結果如圖5所示。

圖5 網絡傳感器實時數據采集結果

　　結語

　　本文介紹了Web服務器的工作原理，將CGI和Java Applet技術內嵌在嵌入式服務器上，通過客戶端的瀏覽器可以實現嵌入式Web網絡傳感器的實時數據采集，節約了諸多的硬件資源和人力資源，使得對遠程數據自動采集變得更加具有通用性，同時可以適合任何內建嵌入式Web網絡傳感器，具有一定的現實意義。