一種高速嵌入式遠程監控系統的研究與實現

肖 樂，李 兵，邱 雅

(西華大學 數學與計算機學院，四川 成都 610039)

隨著Internet的廣泛普及和通信技術的高速發展，大量基于TCP/IP的Internet應用可以被部署在嵌入式平臺之上，同時各種嵌入式設備可以和PC機一樣連入網絡之中。由此發展的嵌入式互聯網技術(EI)解決了不同網絡與Internet之間連通的問題，使得通過嵌入式互聯網對網絡中嵌入式設備的在線遠程訪問、控制與管理成為可能[1]。目前，對分布在Internet網絡中的嵌入式設備進行高效、可靠的集中遠程控制和管理成為嵌入式技術中較為高端的課題。

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。

圖1 基于EI的監控系統架構

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通過嵌入式互聯網技術實現其功能。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。

圖2 嵌入式Web軟件架構

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。

LWIP(Light-weight Internet Protocol)是瑞士計算機科學院的Adam、Dunkels等人開發出來的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。從系統需求上，LWIP既可移植到操作系統上，又可在無操作系統的情況下獨立運行。并且LWIP協議棧在保持了TCP/IP協議主要功能的基礎上，減少了對RAM的占用。只需容量幾十KB的RAM和40 KB的ROM就可以運行，使得LWIP協議非常適合在嵌入式系統中使用[4]。其主要特點有：

(1)支持多網絡接口下的IP轉發。

(2)支持網間控制報文協議ICMP(Internet Control Messages Protocol)。

(3)包含有實驗性擴展的用戶數據報協議UDP(User Datagram Protocol)。

(4)包括阻塞控制、RTT估算和快速恢復及快速轉發的傳輸控制協議TCP(Transfer Control Protocol)。

(5)具有專門提供的內部回調應用編程接口Raw API(Application Programming Interface)，可用于提高應用程序性能。

(6)帶有可選擇的Berkeley接口API(多線程情況下)；能支持動態主機配置協議(DHCP)和動態分配IP地址。

LWIP協議棧的內部分層結構如圖3所示。經分析和實際測試，該協議棧可在16位MCU順利運行并可滿足本監控系統的全部功能需求。

2.3 嵌入式文件系統

在實際工作時，根據客戶端瀏覽器的請求，EWS將相應的管理頁面發送至客戶端。因此對于本系統來說，必需要實現對這些頁面文件的存儲和訪問管理，為此在本系統中內建了一個嵌入式文件系統以便于對Flash中的頁面文件及其他數據進行管理和訪問控制[5]。

本系統中，文件系統根據文件的名稱、長度及起始地址對其進行管理。在結構上，該文件系統并未采用多級目錄，而是將所有的文件都列于單個根目錄之下。這種目錄結構雖然并不適合于容量快速增加的文件系統，但定位和提取文件的速度有較大的優勢。

圖3 LWIP協議棧層次結構圖

當本監控系統的文件需要進行較大的變更時，可通過TFTP協議對文件系統進行重構。雖然這種文件系統的結構和功能比較簡單，但可滿足絕大多數情況下嵌入式互聯網的需求，即頻繁地文件訪問和較少地文件變更。

3 實際應用和測試

本監控系統已在無線電信號監測項目中得到應用，其硬件平臺為遠程無人監測站，通過Internet網絡接收用戶指令并將監測數據上傳。在這個項目中，測量儀器通過本監控系統中的EWS接入互聯網中，測量儀器本機采用Megatec協議。遠程用戶指令由EWS翻譯成Megatec協議格式再交由儀器執行，同時將監測數據回傳給客戶端。從功能上來說，客戶可執行如下操作：

(1)實時或定時獲取遠程無人站的測量數據。

(2)實時監控遠程無人站的狀態和參數。

(3)對遠程無人站的運行參數進行配置，以便于滿足預定的或突發狀態的需求。

本項目中的主監控界面如圖4所示。

本文研究并實現了一種基于EI的遠程監控系統。該系統采用客戶端/服務器的結構。通過在嵌入式設備中內建一個嵌入式Web服務器，本監控系統可使嵌入式設備直接接入Internet，同時用戶可使用標準的網絡瀏覽器對嵌入式設備進行遠程管理和控制。本系統已在無線電監測項目中得到實際應用，成功地獲取了遠程無人監測站的監測數據并可對監測站進行控制。由此，其設計功能全部得以實現。實際測量數據顯示本監控系統的數據響應時延為毫秒級，此項指標可以滿足絕大多數遠程監控項目的需求。

圖4 測試版監控主界面

[1]RASKOVIC， REVURI D， GIESSEL V， et al.Embedded web serverforwirelesssensornetworks， system theory(SSST)[M].41st Southeastern Symposium on： Tullahoma，TN，USA.2009.

[2]SHIMANO M，OKAZAKI F，SAITO Y，et al.Small embedded Web server for home appliances with embedded MPU and real-time operating system[C].IEEE International Symposium on Consumer Electronics，2007.

[3]王力生，梅巖，曹南洋.輕量級嵌入式TCP/IP協議棧的設 計[J].計 算 機 工 程，2007(1)∶247-248.

[4]孫樂鳴，江來，代鑫.嵌入式TCP/IP協議棧 LWIP的內部結構探索與研究[J].技術前沿，2008(3)∶79-82.

[5]ISHIZUMI N，SAISHO K，FUKUDA A.A design of flash memory file system for embedded systems[M].Proceedings of Systems and Computers， Japan， 2004.