吳輝，侯思祖

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，保定071003）

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)一步推動了嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，使得嵌入式系統(tǒng)變得越來越智能。由于芯片制造工藝的顯著提高，各種高性能的處理器相繼推出，使用嵌入式系統(tǒng)接入Internet成為一種趨勢［1］。把 Web技術(shù)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控或其他嵌入式系統(tǒng)中，用戶通過瀏覽器就可以對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)測，使得用戶能夠?qū)崟r地了解設(shè)備的運(yùn)行情況。

1 嵌入式Web服務(wù)器

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計算機(jī)系統(tǒng)，是為某種應(yīng)用而定制的計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式Internet是指設(shè)備通過嵌入式模塊接入Internet，以Internet作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息的交互與訪問。一個帶有微處理器并且能夠連接Internet的設(shè)備就是一個嵌入式Internet系統(tǒng)。可以通過Web進(jìn)行信息交互的嵌入式Internet系統(tǒng)被稱作嵌入式Web服務(wù)器。嵌入式Web服務(wù)器具有體積小、成本低、功能簡單等特點(diǎn)。

嵌入式Web服務(wù)器以LM3S8962為核心，LM3S8962集成豐富的片上資源：含有256KB單周期Flash、64KB單周期訪問的SRAM、4個通用定時模塊、1個10／100M以太網(wǎng)控制器、三個可編程UART接口等。LM3S8962以太網(wǎng)控制器遵循IEEE802.3規(guī)范，完全支持10BASE－T和100BASE－TX標(biāo)準(zhǔn)，含有100BASE－TX擾碼器、解碼器，支持全功能的自協(xié)商協(xié)議，支持全雙工、半雙工和掉電模式，而且具有可編程MAC地址。采用LM3S8962可省略網(wǎng)絡(luò)控制芯片。溫度采集主要由LM3S8962內(nèi)部溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，采樣率可達(dá)500 000sps。光強(qiáng)采集由小塊的太陽能電板代替光傳感器，太陽能電板根據(jù)光強(qiáng)的變化改變輸出電壓。通過A／D轉(zhuǎn)換器檢測電壓的變化來判斷光強(qiáng)的變化。LED亮度通過調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比來改變。嵌入式Web交互式框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式Web交互式框圖

2 嵌入式Web交互式原理

Web通信是基于TCP協(xié)議進(jìn)行的，但它與一般的TCP協(xié)議不同的是，在TCP通信的基礎(chǔ)之上經(jīng)過HTTP協(xié)議傳輸?？蛻舳送ㄟ^Web頁面請求數(shù)據(jù)，嵌入式Web服務(wù)器收到客戶端發(fā)送的HTTP請求時，作出對應(yīng)的響應(yīng)，從而完成客戶端與嵌入式Web服務(wù)器之間數(shù)據(jù)的動態(tài)交互。

2.1 CGI和SSI

CGI（Common Gateway Interface）是一段程序，運(yùn)行在嵌入式Web服務(wù)器上，提供與瀏覽器HTML頁面的接口。簡單地說就是用戶在客戶端（瀏覽器）中輸入信息，瀏覽器把這些信息傳輸?shù)角度胧絎eb服務(wù)器CGI目錄下對應(yīng)的CGI程序中，于是CGI程序在嵌入式Web服務(wù)器上按照預(yù)定的方法進(jìn)行處理。然后，CGI程序給客戶端發(fā)送一個信息，表示請求的任務(wù)已經(jīng)結(jié)束。

SSI（Server Side Include，服務(wù)器端包含）是一種類似于ASP的基于服務(wù)器的網(wǎng)頁制作技術(shù)。在將內(nèi)容發(fā)送到瀏覽器之前，可以使用“服務(wù)器端包含 （SSI）”指令將文本、圖形或應(yīng)用程序信息包含到網(wǎng)頁中。服務(wù)器接收到一個請求后，會在網(wǎng)頁數(shù)據(jù)中搜索＜！－－#tag－－＞格式標(biāo)記，并記錄這些tag標(biāo)志，在嵌入式Web服務(wù)器處理完請求后需要返回給用戶數(shù)據(jù)時，找出系統(tǒng)已經(jīng)注冊的tag，并在相應(yīng)的tag－－＞后添加所需要的數(shù)據(jù)。最后，把更新的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，從而實(shí)現(xiàn)了用戶與嵌入式Web服務(wù)器之間的動態(tài)交互過程。

2.2 XMLHTTPRequest

XMLHTTPRequest是由一組方法和屬性組成的對象，是AJAX技術(shù)的核心，所謂的異步交互和局部刷新都是建立在XMLHTTPRequest基礎(chǔ)之上的。XMLHTTPRequest可以在提供不重新加載頁面的情況下更新網(wǎng)頁，XMLHTTPRequest對象提供了對HTTP協(xié)議的完全的訪問，包括做出POST和HEAD請求以及普通的GET請求的能力。利用JavaScript來創(chuàng)建XMLHTTPRequest對象，當(dāng)對象成功創(chuàng)建以后，調(diào)用open方法來指定請求的服務(wù)網(wǎng)頁以及請求方式，然后通過send方法將請求發(fā)送出去，最后就可以在客戶端接收服務(wù)器端返回的數(shù)據(jù)。

3 嵌入式Web交互式實(shí)現(xiàn)

嵌入式Web服務(wù)器監(jiān)聽用戶的請求，根據(jù)用戶遞交的請求提供與之對應(yīng)的服務(wù)，嵌入式Web服務(wù)器端收到用戶請求后，把存儲在嵌入式Web服務(wù)器中對應(yīng)的數(shù)據(jù)或網(wǎng)頁發(fā)送給瀏覽器，完成數(shù)據(jù)的動態(tài)交互。嵌入式Web數(shù)據(jù)交互式可以通過CGI／SSI和XMLHTTPRequest方式實(shí)現(xiàn)。

3.1 CGI實(shí)現(xiàn)過程

CGI是基于標(biāo)準(zhǔn)HTML表單遞交數(shù)據(jù)，嵌入式Web服務(wù)器上對應(yīng)的CGI函數(shù)響應(yīng)客戶端的請求，CGI方式數(shù)據(jù)交互將導(dǎo)致整個頁面重新加載。HTML中表單格式如下：

CGI交互式過程如圖2所示。用戶通過Internet向嵌入式Web服務(wù)器請求一個HTML文檔。嵌入式Web服務(wù)器向用戶發(fā)送一個表單頁面。用戶填入對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息并提交給嵌入式Web服務(wù)器。服務(wù)器接收用戶請求，交給嵌入式Web服務(wù)器上CGI程序處理。嵌入式Web服務(wù)器將更新的HTML文檔發(fā)送給用戶。

圖2 瀏覽器與嵌入式Web通過CGI交互

當(dāng)用戶向嵌入式Web服務(wù)器提交數(shù)據(jù)時，采用的是GET方式。輸入的信息以字符串的形式附加action所給定義的URL后面，中間用“？”隔開，各個變量之間用“＆”分開，變量與其對應(yīng)的值之間用“＝”連接，空格用“＋”代替，特殊意義的字符用“＆”表示。在嵌入式 Web服務(wù)器端對URL進(jìn)行解碼，當(dāng)遇到字符“＋”時，將它轉(zhuǎn)換成空格；當(dāng)遇到字符“＆”時，表示下一個變量開始；當(dāng)遇到“＝”時表示變量名部分結(jié)束［2］。由于GET請求的內(nèi)容附加在URL后面，而URL的長度是有限制的，所以一次請求的內(nèi)容不能太多，而嵌入式系統(tǒng)由于其本身就是資源受限系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的交互不可能太多，所以GET方法用于此是合適的。

CGI處理函數(shù)運(yùn)行于嵌入式Web服務(wù)器端，當(dāng)嵌入式Web服務(wù)器收到客戶端請求的URL之后，解析URL中的參數(shù)，提交給對應(yīng)的CGI處理函數(shù)。字符文本提交的CGI函數(shù)如下：

當(dāng)在Web頁面中遇到格式為＜?。?tag－－＞的SSI標(biāo)簽時，調(diào)用SSI處理函數(shù)，將SSI標(biāo)簽轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的文本在網(wǎng)頁中顯示。SSI函數(shù)通過Switch選擇語句，解析Web頁面中的SSI標(biāo)簽。然后針對不同的標(biāo)簽內(nèi)容作出對應(yīng)的響應(yīng)。CGI／SSI數(shù)據(jù)交互流程如圖3所示。

圖3 CGI／SSI數(shù)據(jù)交互流程

3.2 XMLHTTPRequest實(shí)現(xiàn)過程

XMLHTTPRequest方式通過嵌入在HTML文檔中的JavaScript來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁的交互過程。客戶端通過運(yùn)行HTML文檔中的JavaScript程序發(fā)送HTTP請求。它是一種特殊的URL，嵌入式Web服務(wù)器去文件系統(tǒng)中查找URL中對應(yīng)的文件。如果查找到對應(yīng)的文件，嵌入式Web服務(wù)器提供相應(yīng)的響應(yīng)，然后將嵌入式Web響應(yīng)返回到客戶端瀏覽器中，返回的狀態(tài)插入到對應(yīng)的＜Div＞標(biāo)簽中。XMLHTTPRequest方式只需要更新部分文本，而不需要刷新整個頁面，縮短了網(wǎng)絡(luò)延時，提高了網(wǎng)絡(luò)效率。瀏覽器與嵌入式Web通過XMLHTTPRequest方式交互，如圖4所示。

圖4 瀏覽器與嵌入式Web通過HTTPRequest方式交互

JavaScript可以將Web服務(wù)器端的任務(wù)部分轉(zhuǎn)移到客戶端，使客戶端實(shí)現(xiàn)處理任務(wù)的功能。XMLHTTPRequest能實(shí)現(xiàn)嵌入式Web與瀏覽器之間的異步交互。JavaScript內(nèi)嵌到網(wǎng)頁中，使其成為HTML文件的一部分，并通過JavaScript解釋器完成解釋執(zhí)行。瀏覽器中溫度數(shù)據(jù)請求JavaScript函數(shù)如下：

上述代碼中，Temperature.readyState為HTTP請求的狀態(tài)，當(dāng)XMLHttpRequest創(chuàng)建時，其屬性為0。它一共有5個狀態(tài)：Uninitialized（0）、Open（1）、Send（2）、Receiving（3）、Loaded（4）。當(dāng)屬性為4時，表明已經(jīng)接收到完整的HTTP響應(yīng)。Temperature.responseText從服務(wù)器接收的響應(yīng)的溫度信息，當(dāng)Temperature.readyState小于3時，其屬性為空字符串；當(dāng)Temperature.readyState為4時，其中保存了完整的溫度信息，Temperature.status為服務(wù)器返回的狀態(tài)碼，200表示成功，404表示"Not Found"。Temperature.onreadystatechange為調(diào)用的事件句柄函數(shù)，每次Temperature.readyState屬性改變時被調(diào)用。Temperature.open（）為初始化 HTTP請求參數(shù)，send（）發(fā)送HTTP請求。

服務(wù)器端解析對應(yīng)文件名“／cgi－bin／Temperature－Get”，如果存在對應(yīng)的文件，則返回一個消息，客戶端接收到這個消息并且存儲溫度信息到對應(yīng)請求的響應(yīng)文本Temperature.response Text中，使用文本插入方法“document.getElementById（"Temperaturestate"）.innerHTML＝ "＜div＞"＋ TemperaturestateresponseText＋ "＜／div＞"；”把消息在網(wǎng)頁中對應(yīng)的DIV位置處顯示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試分本機(jī)測試與局域網(wǎng)測試兩種方式。本機(jī)測試就是嵌入式Web服務(wù)器通過網(wǎng)線直接連接到PC，局域網(wǎng)測試則是將嵌入式Web服務(wù)器連接到局域網(wǎng)中的路由器上。復(fù)位嵌入式Web服務(wù)器，查看其IP地址，同時修改客戶端的IP，使其與嵌入式Web服務(wù)器處于同一網(wǎng)段中。在客戶端通過“ping 169.254.117.2”（嵌入式 Wb IP）查看網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。成功連接后，在客戶端瀏覽器中輸入“http：／／169.254.117.2”地址后，瀏覽器中會顯示嵌入式Web交互式頁面，如圖5所示。通過點(diǎn)擊對應(yīng)的按鈕，可以在瀏覽器中獲得各種請求數(shù)據(jù)。在文本框中輸入文本，將數(shù)據(jù)存入嵌入式Web服務(wù)器中，同時存入信息會在嵌入式Web的LCD上顯示出來。通過本地和局域網(wǎng)測試，系統(tǒng)性能良好，可應(yīng)用性強(qiáng)。

結(jié) 語

利用嵌入式系統(tǒng)及Internet技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)Web動態(tài)數(shù)據(jù)交互，通過CGI和XMLHTTPRequest方式，成功地在基于LM3S8962平臺上完成局域網(wǎng)內(nèi)Web頁面數(shù)據(jù)動態(tài)交互，實(shí)現(xiàn)了一個簡易的嵌入式Web服務(wù)器的功能。嵌入式Web動態(tài)交互技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的過程控制、機(jī)房環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等方面都有廣泛的應(yīng)用需求。

圖5 瀏覽器端驗(yàn)證測試

［1］牛利兵.遠(yuǎn)程監(jiān)控嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計［D］.山西：太原理工大學(xué)，2011.

［2］李勇.CGI在嵌入式 WEB服務(wù)器中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)［J］.微計算機(jī)信息，2008，24（10）：110－112.

［3］彭偉.XMLHttp對象在嵌入式 Web實(shí)時系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（11）：29－32.

［4］Texas Instruments.Stellaris LM3S8962Microcontroller DataSheet［EB／OL］.［2013－01－06］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／spms001h.