一種高速嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
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本文詳細論述了一種通過嵌入式互聯(lián)網技術控制在線嵌入式設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了客戶端/服務器(C/S)模式。通過簡化TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)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(lián)，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(tǒng)架構
微處理器(MPU)和微控制器(MCU)用于嵌入式設備的監(jiān)視和控制，成為嵌入式系統(tǒng)的核心。為了在不同的MPU/MCU間相互通信，許多工業(yè)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(lián)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(lián)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(tǒng)一的標準化管理，而不再需要特殊的專用協(xié)議和管理軟件。監(jiān)控系統(tǒng)的架構如圖1所示。
在本系統(tǒng)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(tài)信息并將其發(fā)送給本地或遠程用戶；另一方面則接收控制指令并發(fā)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(xiàn)。
2 EWS的設計與實現(xiàn)
2.1 軟件架構
本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務器的結構實現(xiàn)，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(xiàn)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(xié)議棧、嵌入式文件系統(tǒng)、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(tǒng)對事先配置的監(jiān)控頁面進行存儲和管理。嵌入式設備網關實現(xiàn)了TCP/IP與實際使用的特定設備自身控制協(xié)議之間的相互轉換，從而實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)中的監(jiān)控網頁界面，用戶可通過標準的瀏覽器向遠端設備發(fā)送指令。該指令經由互聯(lián)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(shù)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(xié)議棧
嵌入式互聯(lián)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(xié)議棧內嵌到設備中是解決問題的關鍵所在。傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧相對比較龐大復雜并需要固定的系統(tǒng)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(tǒng)資源比較薄弱。若直接將傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧接入設備，則大部分運算時間和系統(tǒng)資源都將被占用，這對系統(tǒng)的整體性能影響很大[3]。為了解決此矛盾，在設計該監(jiān)控系統(tǒng)時根據具體情況選用了成熟的LWIP協(xié)議棧以實現(xiàn)網絡功能，同時最大限度地減少系統(tǒng)資源消耗并提高了可靠性。
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