基于嵌入式web遠程水質監測系統的實現*

陽仲伯 唐露新 陳輝 賓斌 韓琨 姜曉燕

（廣東工業大學信息工程學院）

1 引言

許多水廠、水源站的水質自動化數據采集系統[1]，其數據采集節點通常是以單片機為核心，數據處理及遠程數據傳輸采用PC機或工控機進行，在節點與主機之間的通信采用RS232、RS485等總線標準，利用這種傳統監測方式構成的網絡結構，存在通信速率低、專業性強、通信距離短，且工控機價格昂貴、笨重等缺點。這就需要建設一個穩定的、實時的、輕巧的、覆蓋面廣的集數據采集、數據通信、數據分析與處理為一體的水質在線監測系統來為監測部門提供技術支持。隨著Internet和web技術的高速發展，及其在網絡測控技術與智能儀器上的應用，基于嵌入式web的遠程監測在傳統遠程監測的基礎上又融合web和嵌入式技術，可提供比傳統遠程監測更為強大的功能，將成為今后遠程監測技術發展的主流方向。

將嵌入式系統應用于遠程監測系統，大大提高了系統的性能，同時降低了成本和功耗，體積也大大減小。在嵌入式操作系統的選擇上，由于Linux有完整開放的源代碼，因而它具有修改和優化系統、內核穩定、適用于多種CPU和多種硬件平臺、支持網絡等特點。本系統采用基于ARM920T架構的嵌入式處理器S3C2410X與Linux構成一個嵌入式web服務器，取代傳統以PC機作為服務器進行遠程數據傳輸，用戶可以隨時隨地通過web瀏覽器監測水質信息，不僅可以節省數據通信的成本，而且能夠實現資源共享。

2 遠程監測系統解決方案

2.1 設計要求分析

作為一套完整的在線監測系統，它能對多個供水點的水質（PH值、水溫等參數）、水流量及其變化狀況進行監測，并能對所監測結果進行存儲。由于每個監測點所處位置較分散，不利于短距離通信，根據要求，采用CAN控制子網，實現現場設備與web服務器的通信，各監測點通過以太網實現與監測客戶端進行數據通信，客戶端完成數據采集、分析等功能。

2.2 在線水質實時監測系統整體結構

基于web遠程監測一般有2種實現方案，PC機代理服務器和嵌入式實現方案[2]。傳統遠程監測中采用PC機作為web服務器，現今遠程監測多采用嵌入式微處理器作為web服務器，由于各供水點分布比較分散，本著集中監測的原則[3]，采用基于嵌入式web服務器方案，其子網采用CAN控制，由多個現場設備和web服務器構成一個節點，增加整個系統的靈活性，整體結構框圖如圖1所示。本系統解決方案具有如下特點：

圖1 在線遠程監測系統結構

（1）動態 web服務器支持監控終端數據的實時更新，實現了遠程監測。

（2）功能易于擴充，系統只需對web服務器添加和嵌套新的功能函數即可。

（3）不受地理和空間的限制，只要Internet可連接到的地方，均可通過瀏覽器實時地監測數據，改變了傳統監測系統的封閉局面。

（4）通過CAN總線組網，一個web服務器可以掛接多個現場設備（理論上不超過110個），同時方便了現場設備的即插即用，靈活性更強。

3 嵌入式web服務器硬件設計

嵌入式 web服務器不僅要實現現場設備數據采集，還要通過Internet將數據發送到互聯網上，綜合比較處理器價格和性能后，選擇 SAMSUNG公司生產的 ARM9嵌入式處理器 S3C2410X，該芯片擴展RS232、CAN、以太網接口，可為系統提供不同的通訊方式，適合不同的監測環境和條件。

ARM 微控制器作為核心控制模塊，以太網控制芯片AX88796經耦合隔離濾波器FC-518LS和RJ45接口接入以太網，擴展CAN總線接口，編寫CAN總線協議，將 CAN控制子網上的設備接入以太網[4]。S3C2410X處理器并沒有集成CAN控制器，在此系統中，采用MicroChip公司的獨立CAN總線控制器MCP2510對微處理器進行擴展，CAN收發器采用Philips公司的TJA1050。圖2為嵌入式web服務器硬件結構框圖。

圖2 嵌入式web服務器硬件結構

4 現場設備節點設計

現場設備的設計根據具體的監測水質參數，可采用多種方式靈活接入，如單片機系統、PLC系統以及現場總線系統，只要提供相應的通信接口即可實現與監控中心的通信，在設計中，考慮各分站分布范圍大、距離遠，故采用帶CAN接口的C8051F040單片機系統來實現，如圖3所示。

圖3 CAN子節點硬件結構

利用外部傳感器采集水質參數，將處理過的數據與設定的系統初始化參數值（如pH值的最高、最低值等）進行比較，當超過其報警值范圍時，則報警裝置報警，系統自動將監測點的狀態信息發給客戶端，通知水質監測員采取相應的措施。

5 嵌入式web服務器軟件設計與實現

本文提出的方案中監測系統應用軟件包含多個任務協調工作，HTTP服務負責生成包含水質狀態信息的web頁面，web server通過環境變量和CGI進行消息間的交換，完成設備的數據采集，CGI返回給web server的是頁面信息，通過編寫C代碼生成頁面文件返回給web server。系統采用B/S（瀏覽器/服務器）結構接入以太網。

5.1 HTTP服務器構建

在其硬件平臺上移植Linux操作系統，使用boa作為嵌入式web服務器的遠程在線監測系統，boa是一個單任務的小型HTTP服務器，源代碼開放、性能優秀，特別適合應用在嵌入式系統中。

boa服務器主要移植過程如下：

（1）下載boa源碼，并將其解壓；

（2）編譯代碼生成可執行文件boa；

（3）boa server的配置。為了能夠在目標平臺上運行web服務器 boa，需要修改配置文件 boa.conf，主要完成對boa運行的端口號、Server根目錄等設置，完成如上配置后，就可運行boa服務器。

5.2 嵌入式web服務器功能實現

在外部存儲器EEPROM中存儲系統需要的各種web資源，通過以太網與遠程監測主機進行數據通信，實現 web服務器功能，web動態頁面顯示使用 CGI技術，CGI全稱是“公共網關接口”（Common Gateway Interface）[5]，其程序運行在web服務器上，提供同客戶端HTML頁面的接口。

嵌入式 web服務器將客戶端提交的信息傳遞給CGI應用程序，在客戶端提交信息的主要途徑是通過HTML文檔中的表單，表單為用戶提供一個交互的界面，用戶輸入的信息構成表單數據集，并作為HTTP請求消息一部分傳送給web服務器。web服務器在收到客戶端的請求信息后，將其中包含的表單數據集按照CGI規范傳遞給相關的CGI應用程序。表單的提交方法有兩種：即GET和POST，使用不同的請求屬性，所用的環境變量也不同。CGI程序與boa服務器之間通過環境變量、命令行參數和標準輸入等方式進行通信。本設計中采用的表單編碼信息通過環境變量QUERY_STRING傳遞，并返回執行結果，將結果發送給客戶端瀏覽器，其執行工作流程如圖4所示。

圖4 web server工作流程

6 實驗結果

基于嵌入式web的在線水質監測系統，可完成水質水溫、pH值、濁度等參數的采集，用戶使用 web瀏覽器訪問嵌入式 web服務器時，需要進行身份驗證，當驗證通過時，才會向web瀏覽器發送數據。各分站完成數據采集、數據實時傳輸、現場報警等功能。遠程監測主機完負責完成顯示實時數據、查詢歷史數據、動態顯示數據等功能，并通過監控首頁查看監測狀態是否正常，起到預警作用。其具體實現步驟如下：

（1）將CGI程序cgi-test.cgi拷貝在/var/www/cgi-bin目錄下，index.html拷貝在/var/www目錄下，編譯并下載到目標平臺；

（2）運行boa，在目標板終端ifconfig命令設定目標板IP地址為192.168.0.105；

（3）打開IE瀏覽器并輸入服務器IP用地址，即可瀏覽web頁面，在客戶端可通過IE瀏覽器登陸系統，即可實時監測遠程數據，如圖5所示。

圖5 瀏覽器客戶端界面

7 結論

本文所設計的基于嵌入式 web的在線水質監測平臺，能取代以PC機代理服務器的傳統方案，可對多個供水點的水質參數進行連續采集，并在web瀏覽器上實時顯示，同時對超過閾值的監測點顯示其狀態信息，起到預警功能。

整個系統由遠程客服端和監測分站兩大部分組成。各監測分站由嵌入式 web服務器和現場設備組成，遠端計算機可通過接收各分站的系統數據和向分站發出指令，實現分站與客戶端的通信，并接收來自水質傳感器信號。監測分站中的現場設備采用 CAN控制子網掛接到服務器上，即插即用，靈活性強。實驗驗證了通過該系統進行在線遠程水質監測的可行性，與基于PC機的監測相比，性價比高，占用空間小、且安裝維修方便。

[1]劉星華,劉國輝. 基于 CAN 總線分布式水廠監控系統的研制[J]. 計算機技術與應用,2007,(3):11～13

[2]李恒超,張家樹. 基于嵌入式web的遠程監控研究[J]. 西南交通大學學報, 2003,38(3):263～266

[3]景秀眉,呂明祥. 中小型計算機監控系統的設計與實現[J].計算機應用于軟件,2008,25(8):193～195

[4]佟鳴宇,彭開香. 基于ARM芯片的CAN總線接口設計與實現[J].計算機工程與設計, 2009,30(7):1574～1576

[5]宋凱,嚴麗平,甘嵐.嵌入式 web服務器的設計與實現[J]. 計算機工程與設計,2009,30(4):808～810