基于嵌入式WEB的AllLightSYS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要HTTP協(xié)議是目前流行的Web技術(shù)的主要協(xié)議，是Web瀏覽器和Web服務(wù)器之間進(jìn)行通信的基礎(chǔ)。本文首先對(duì)嵌入式系統(tǒng)從整體上進(jìn)行了簡(jiǎn)析，說明了嵌入式系統(tǒng)不同于通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性。然后從協(xié)議的角度出發(fā)論述了HTTP協(xié)議。最后介紹了一個(gè)基于嵌入式Web技術(shù)的AllLightSYS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)闡述嵌入式服務(wù)器軟硬件部分的設(shè)計(jì)思想和體系架構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
關(guān)鍵詞：嵌入式Web服務(wù)器；HTTP協(xié)議；AllLightSYS系統(tǒng)

1 引言

21世紀(jì)是嵌入式計(jì)算系統(tǒng)時(shí)代，人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦兴佑|的儀器與設(shè)備中，都將嵌入具有強(qiáng)大計(jì)算能力的微處理器。嵌入式系統(tǒng)是任意包含一個(gè)可編程計(jì)算機(jī)的設(shè)備，但是這個(gè)設(shè)備不是作為通用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的。即嵌入式計(jì)算系統(tǒng)是嵌入在其他設(shè)備中，起智能控制作用的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一臺(tái)通用個(gè)人電腦不能稱為嵌入式計(jì)算系統(tǒng)，盡管有時(shí)會(huì)把它嵌入到某些設(shè)備中，而一臺(tái)包含有微處理器的打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)就可以算嵌入式計(jì)算系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制設(shè)備系統(tǒng)、信息家電、智能家庭設(shè)備等眾多領(lǐng)域中。隨著因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，Web應(yīng)用程序的應(yīng)用也越來越廣泛，它廣泛地用于各種監(jiān)控系統(tǒng)、通信設(shè)備等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)日益與Internet技術(shù)和 WWW技術(shù)結(jié)合起來發(fā)展為嵌入式Web或嵌入式Internet技術(shù)。嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來。下文介紹一種嵌入式智能家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，它是在Microchip公司提供硬件的基礎(chǔ)，在功能實(shí)現(xiàn)上獨(dú)立完成了TCP/IP協(xié)議、HTTP協(xié)議的編寫，并在此基礎(chǔ)上加載了實(shí)際的應(yīng)用。

2 HTTP協(xié)議

HTTP是超文本傳輸協(xié)議的縮寫，用于傳送WWW方式的數(shù)據(jù)。HTTP協(xié)議采用了請(qǐng)求／響應(yīng)模型?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，請(qǐng)求頭包含請(qǐng)求的方法、URI、協(xié)議版本、以及包含請(qǐng)求修飾符、客戶信息和內(nèi)容類似于MIME的消息結(jié)構(gòu)。服務(wù)器以一個(gè)狀態(tài)行作為響應(yīng)，相應(yīng)的內(nèi)容包括消息協(xié)議的版本，成功或者錯(cuò)誤編碼加上包含服務(wù)器信息、實(shí)體元信息以及可能的實(shí)體內(nèi)容。通常HTTP消息包括客戶機(jī)向服務(wù)器的請(qǐng)求消息和服務(wù)器向客戶機(jī)的響應(yīng)消息。這兩種類型的消息由一個(gè)起始行，一個(gè)或者多個(gè)頭域，一個(gè)頭域結(jié)束的空行和可選的消息體組成。在Internet上，HTTP通訊通常發(fā)生在TCP/IP連接之上。缺省端口是TCP80，但其它的端口也是可用的。但這并不預(yù)示著HTTP協(xié)議在Internet或其它網(wǎng)絡(luò)的其它協(xié)議之上才能完成。HTTP只預(yù)示著一個(gè)可靠的傳輸。基于HTTP協(xié)議的客戶/服務(wù)器模式的信息交換過程，它分四個(gè)過程，建立連接、發(fā)送請(qǐng)求信息、發(fā)送響應(yīng)信息、關(guān)閉連接。WWW服務(wù)器運(yùn)行時(shí)，一直在TCP80端口監(jiān)聽，等待連接的出現(xiàn)。

3 嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)AllLightSYS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3．1 功能概要

這里所提及的系統(tǒng)，它的芯片類型是由Microchip公司提供的PIC18F6722。該機(jī)器是通過AllLight System和Internet相連，從而對(duì)住所內(nèi)的電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的Interface單元。它是通過Modem，Rote連接到Internet，使用手機(jī)的WEB瀏覽器訪問AllLight系統(tǒng)來遠(yuǎn)程控制空調(diào)、電燈等電器的開和關(guān)，只要在手機(jī)的WEB瀏覽器上輸入該系統(tǒng)的URL后，在該登陸頁面上輸入遠(yuǎn)程操作的AllLight的ControlUnit的編號(hào)，從而對(duì)登錄WEB I/F UNIT的用戶進(jìn)行認(rèn)證，經(jīng)過認(rèn)證的用戶可以繼續(xù)，認(rèn)證不通過的轉(zhuǎn)到認(rèn)證錯(cuò)誤畫面。同時(shí)可以啟動(dòng)該系統(tǒng)的防盜監(jiān)視功能時(shí)，當(dāng)有入侵者打開被監(jiān)視的電器設(shè)備時(shí)，就可以向用戶手機(jī)（計(jì)算機(jī)終端）發(fā)送郵件進(jìn)行提醒。這里最多可以控制的AllLightControlUnit數(shù)是32臺(tái)。 （如圖）

在手機(jī)的WEB瀏覽器上輸入WEB I/F UNIT的URL后，為了防止非法登錄，一旦用戶登錄3次失敗以后，外部的登錄將失效，WEB I/F UNIT將通過HTTP協(xié)議向AllLight服務(wù)器發(fā)送非法登錄的警告信號(hào)。警告信息中包含了WEB I/F UNIT的MAC地址（為了和用戶的郵件地址關(guān)聯(lián)）。AllLight專用服務(wù)器根據(jù)WEB I/F UNIT傳送警告信息中的MAC地址數(shù)據(jù)，將警告郵件發(fā)送到與MAC對(duì)應(yīng)的用戶手機(jī)上。外部登錄的失效解除，是通過WEB I/F UNIT的外部登錄無效解除按鈕來實(shí)行的。

該系統(tǒng)還可以對(duì)和WEB I/F UNIT直接相連的AllLight Control Unit（Local Port連接）的回路進(jìn)行監(jiān)視。監(jiān)視回路和檢測(cè)狀態(tài)（ON/OFF）是通過在WEBPAGE設(shè)定的，根據(jù)設(shè)定的內(nèi)容對(duì)回路監(jiān)視。如果是檢測(cè)到防盜信息，向AllLight專用服務(wù)器發(fā)送警告信號(hào)，AllLight專用服務(wù)器向用戶發(fā)送郵件。防盜監(jiān)視機(jī)能的開和關(guān)是通過手機(jī)登陸頁面中的一個(gè)功能鍵來控制的。通過“外部接點(diǎn)”，可以對(duì)WEB I/F UNIT的防盜監(jiān)視機(jī)能進(jìn)行設(shè)定。因?yàn)橹荒茉谖輧?nèi)通過開關(guān)解除防盜監(jiān)視機(jī)能，回路狀態(tài)上的“有入侵者”通過回路狀態(tài)和設(shè)定的數(shù)據(jù)（監(jiān)視回路，監(jiān)視狀態(tài)）是否一致來判斷。回路不一致的情況下，在一定時(shí)間內(nèi)，如果沒有解除“防盜監(jiān)視機(jī)能”，判斷為“有入侵者”；如果在這段時(shí)間內(nèi)，解除了“防盜監(jiān)視機(jī)能”，判斷為“無入侵者”。上述的“一定時(shí)間”，是可以設(shè)定的數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)通過外部接點(diǎn)打開“防盜監(jiān)視機(jī)能”時(shí)，為了避免屋內(nèi)操作電器的誤判為“有入侵者”，設(shè)計(jì)了延時(shí)。

另外，在AllLightSystem設(shè)計(jì)了和PC機(jī)的Interface。和計(jì)算機(jī)的Interface是通過Ethernet實(shí)現(xiàn)的。將AllLightSystem的通信協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)使用的通信協(xié)議。只能在Local內(nèi)使用。計(jì)算機(jī)和WEB I/F UNIT是靠Socket進(jìn)行通信的。在WEB I/F UNIT中封裝Sokect的通信服務(wù)，連接端口通過設(shè)定機(jī)能設(shè)定。計(jì)算機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)求后，建立連接。連接建立后，如果Sokect存在，進(jìn)行以下處理。如果是從AllLightSystem發(fā)來數(shù)據(jù)包，收到的數(shù)據(jù)包加上TCP協(xié)議的包頭，向計(jì)算機(jī)發(fā)送。如果是從計(jì)算機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，從收到的數(shù)據(jù)包（TCP數(shù)據(jù)包）中取出AllLight數(shù)據(jù)包，向AllLightSystem發(fā)送AllLight數(shù)據(jù)包。

通過外部接點(diǎn)（AllLight的配套機(jī)器：SX）的操作，在AllLightSystem的管理下，可以將電燈，空調(diào)等電器全關(guān)閉。

3．2 軟件實(shí)現(xiàn)

l 軟件構(gòu)成圖

l HTTP服務(wù)處理

接收從手機(jī)、計(jì)算機(jī)發(fā)送過來的HTTP數(shù)據(jù)包，通過HTTP服務(wù)將HTTP數(shù)據(jù)解析。將接收到的HTTP請(qǐng)求解析，根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容（WEBPAGE請(qǐng)求或CGI請(qǐng)求），發(fā)送WEBPAGE的內(nèi)容或進(jìn)行CGI處理。生成客戶端請(qǐng)求的WEBPAGE，將該WEBPAGE送到客戶端。如果，設(shè)定模式的數(shù)據(jù)限制了該客戶端請(qǐng)求的WEBPAGE，將錯(cuò)誤頁面發(fā)送到客戶端。如果外部登錄FLAG是有效的，進(jìn)行HTTP協(xié)議解析；如果外部登錄FLAG是無效的，為了禁止從Internet的登陸，檢查HTTP請(qǐng)求的IP協(xié)議的發(fā)包IP和WEB I/F UNIT的IP,子網(wǎng)掩碼是否是同一個(gè)網(wǎng)段，如果是同一個(gè)網(wǎng)段，進(jìn)行HTTP協(xié)議解析，不是同網(wǎng)段，返回錯(cuò)誤頁面。根據(jù)HTTP請(qǐng)求的CGI種類可以進(jìn)行各種請(qǐng)求，例如，進(jìn)行用戶認(rèn)證處理是通過手機(jī)、計(jì)算機(jī)實(shí)行用戶認(rèn)證，和登錄在WEB I/F UNIT上的內(nèi)容進(jìn)行一致性檢查。（用戶ID，PASSWORD）如果一致則認(rèn)證失敗計(jì)數(shù)=0，將“主菜單”畫面的HTTP數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。如果不一致則認(rèn)證失敗計(jì)數(shù)+1，“登錄失敗”畫面的HTTP數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。如果連續(xù)登錄3次不一致，外部登錄無效。進(jìn)行防盜監(jiān)視設(shè)定處理是將防盜監(jiān)視機(jī)能FLAG設(shè)定成有效無效，控制SL的LED（有效：紅燈ON，無效：綠燈ON），更新“主菜單”畫面的防盜監(jiān)視狀態(tài)。處理后，將“主菜單”畫面的HTTP送到客戶端。

這里需要說明的是，由于WEB I/F UNIT的GlobalIP地址是動(dòng)態(tài)分配的，所以必須構(gòu)建AllLight的專用服務(wù)器，并且在該服務(wù)器上將WEB I/F UNIT的GlobalIP登錄。GlobalIP的登錄需要定期執(zhí)行，在AllLight專用服務(wù)器上，是將WEB I/F UNIT的IP地址和MAC地址綁定的，因此，WEB I/F UNIT必須將自己的MAC地址通過HTTP協(xié)議傳送到AllLight專用服務(wù)器上。

l AllLight響應(yīng)的接收處理

通過PIC的UART機(jī)能，接收AllLightSystem發(fā)出的數(shù)據(jù)包。只響應(yīng)AllLight ControlUnit發(fā)出的數(shù)據(jù)。（其它數(shù)據(jù)忽略。）如果遠(yuǎn)程操作機(jī)能FLAG，防盜監(jiān)視機(jī)能FLAG有效，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)更新WEB I/F UNIT的回路狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果PC I/F機(jī)能FLAG有效，由于發(fā)送的數(shù)據(jù)是有AllLight協(xié)議的信息，為了使接受的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行PC I/F處理，除去AllLight協(xié)議的報(bào)文頭。

l AllLight指令發(fā)送處理

遠(yuǎn)程操作機(jī)能如果FLAG有效，實(shí)行有效回路檢查。有效回路設(shè)定數(shù)據(jù)Check，如果指令控制的回路遠(yuǎn)程操作有效，實(shí)行指令發(fā)送處理。根據(jù)手機(jī)發(fā)出的要求，將“ON”，“OFF”指令轉(zhuǎn)換成AllLight協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送。如果是通過PC I/F處理，去掉TCP數(shù)據(jù)的報(bào)頭，將取出的數(shù)據(jù)加上AllLight協(xié)議的報(bào)頭，發(fā)送數(shù)據(jù)包。

4 結(jié)論

本文介紹了一個(gè)基于對(duì)嵌入式Web技術(shù)的家庭遠(yuǎn)程操作監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)或電腦對(duì)自己家用電器進(jìn)行監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，極大地保證了家庭的安全，也方便了人們的生活。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)就是：服務(wù)器的設(shè)計(jì)基于嵌入式WEB技術(shù)，支持動(dòng)態(tài)IP，可以直接進(jìn)入以太網(wǎng)，用戶無需使用專用的操作系統(tǒng)和軟件，可以直接通過瀏覽器進(jìn)行操作，通過HTTP與嵌入式WEB進(jìn)行通信。通過這次項(xiàng)目的完成，相信隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，基于嵌入式WEB的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)必將有良好的發(fā)展前景。

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