徐淑萍,李 軍,張 軍,敬 偉
(西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,西安710021)
隨著信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和技術(shù)的革新,遠(yuǎn)程控制不再是指局域網(wǎng)中的遠(yuǎn)程控制,而是基于信息網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制[1-2].信息網(wǎng)與控制網(wǎng)相比具有更大的優(yōu)勢,將兩者結(jié)合起來,借助信息網(wǎng)的優(yōu)勢發(fā)展遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)早已受到廣泛關(guān)注.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展及其相互融合,為現(xiàn)場檢測與控制設(shè)備的微型化、智能化奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ),同時也直接推動著嵌入式應(yīng)用向著更深層次發(fā)展[3-4].將TCP/IP協(xié)議嵌入到現(xiàn)場設(shè)備中去,使其具備嵌入式 Web服務(wù)器的功能,并借助于通用網(wǎng)關(guān)接口(Common Gateway Interface,CGI)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與嵌入式 Web服務(wù)器之間的實(shí)時動態(tài)交互,就可以滿足嵌入式設(shè)備直接與Internet聯(lián)網(wǎng)的需求,為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時監(jiān)控奠定了良好基礎(chǔ)[5].
嵌入式Web服務(wù)器具有Web服務(wù)器所不具有的優(yōu)勢,體積小、價格便宜、良好的平臺移植等優(yōu)勢.在系統(tǒng)中選用嵌入式Web服務(wù)器除了考慮其以上優(yōu)點(diǎn)外,更重要的是考慮到嵌入式Web服務(wù)器比較適用于工業(yè)控制領(lǐng)域[6-8].將嵌入式 Web服務(wù)器應(yīng)用于控制系統(tǒng)中,不僅簡化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),將信息的采集和發(fā)布集成到嵌入式設(shè)備中,而且可以利用嵌入式Web服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)的接口形式和標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議,為任何接入它的用戶提供統(tǒng)一的、基于瀏覽器方式的操作和控制界面[9-10].這種方式從根本上改變了設(shè)備的運(yùn)行和管理方式,降低了控制運(yùn)行的維護(hù)成本,提高了控制系統(tǒng)的維護(hù)效率.本研究將信息網(wǎng)引入到控制網(wǎng)絡(luò)中,在嵌入式設(shè)備中加入HTTP服務(wù)并將其轉(zhuǎn)化成Web服務(wù)器,向Internet網(wǎng)提供基于 Web的圖形化管理接口.用戶可以使用瀏覽器作為接口來訪問嵌入式設(shè)備,這樣不僅能使嵌入式設(shè)備的易用性大大提高,而且方便統(tǒng)一管理.
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System’s overall structure
如圖1所示,系統(tǒng)主要由客戶端模塊,互聯(lián)網(wǎng)Internet模塊,嵌入式Web服務(wù)器模塊,PLC可編程控制器及被控對象模塊構(gòu)成.位于客戶端的用戶使用瀏覽器訪問嵌入式Web服務(wù)器,通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給嵌入式Web服務(wù)器,嵌入式Web服務(wù)器作為上位機(jī)將所有從可編程控制器傳送來的串口數(shù)據(jù)自動封裝為傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocal,TCP)或用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocal,UDP)然后在網(wǎng)絡(luò)上傳輸,同理,也可以將網(wǎng)口接收到的TCP或UDP包自動拆封出數(shù)據(jù)并發(fā)向串口,進(jìn)而完成串口與網(wǎng)絡(luò)信號之間的轉(zhuǎn)換,上位機(jī)經(jīng)過串口,通過通信協(xié)議把數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī).下位機(jī)根據(jù)通訊協(xié)議,收到上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器與PLC之間通信,嵌入式Web服務(wù)器是整個控制系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端與被控對象間的信息交互.下位機(jī)部分它主要接收遠(yuǎn)程客戶端的命令,完成對被控對象的控制,并將被控對象的運(yùn)行信息反饋給遠(yuǎn)程客戶端.
遠(yuǎn)程客戶端主要功能是完成與嵌入式Web服務(wù)器的通訊,以提供給用戶一個友好直觀的交互界面;接收來自PLC對現(xiàn)場設(shè)備控制的運(yùn)行參數(shù),并動態(tài)顯示于Web頁面.用戶通過瀏覽器登陸到嵌入式Web服務(wù)器,進(jìn)入控制頁面,然后在相應(yīng)的表單中進(jìn)行控制操作,點(diǎn)擊提交按鈕后,數(shù)據(jù)傳送到嵌入式Web服務(wù)器端,然后嵌入式Web服務(wù)器通過一系列處理通過串口將控制指令發(fā)送給下位機(jī),瀏覽器端再作為接收端,接收下位機(jī)反饋的信息.遠(yuǎn)程客戶端主要完成與嵌入式Web服務(wù)器通訊,在加入無線路由模塊后實(shí)現(xiàn)多客戶端模式,用戶可通過PC機(jī),手機(jī)等支持HTTP協(xié)議帶有瀏覽器的終端對下聯(lián)設(shè)備驚醒控制與監(jiān)控.
本系統(tǒng)是在Internet上進(jìn)行的遠(yuǎn)程控制,網(wǎng)絡(luò)模塊對應(yīng)于物理上的一系列網(wǎng)卡、網(wǎng)線和無線路由器,用于連接遠(yuǎn)程客戶端和嵌入式Web服務(wù)器,作為信息的傳輸通道.Internet僅將信息從一個地方傳送到另一個地方,它不對數(shù)據(jù)做任何處理,僅實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端的連接,并保證通路的暢通和安全性.同時網(wǎng)絡(luò)模塊使得整個控制系統(tǒng)與信息網(wǎng)相結(jié)合,使得遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不再局限于局域網(wǎng)中,而是可以借助信息網(wǎng)的優(yōu)勢進(jìn)行更加便利的遠(yuǎn)距離控制.并通過加入無線路由器用其WIFI功能可以達(dá)到用智能手機(jī)控制PLC下聯(lián)設(shè)備的效果.
這部分是整個控制系統(tǒng)的中樞部分,完成遠(yuǎn)程用戶和PLC控制對象中信息交互的中轉(zhuǎn)功能.嵌入式Web服務(wù)器一方面建立和下位機(jī)的連接,把從下位機(jī)傳送過來的串口數(shù)據(jù)封裝成在Internet上傳輸?shù)腡CP/IP包,將下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時地向遠(yuǎn)程客戶端傳送.另一方面把從網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送過來的TCP/IP包根據(jù)HOST LINK串口通信協(xié)議解成串口數(shù)據(jù)供可編程控制器識別,將來自遠(yuǎn)程客戶端的控制命令傳給下位機(jī),通過可編程控制器完成了對下位機(jī)的控制,同時他還實(shí)現(xiàn)HTTP的協(xié)議轉(zhuǎn)換和封裝,當(dāng)用戶通過瀏覽器訪問網(wǎng)頁時,只需輸入嵌入式Web服務(wù)器的IP地址,就可以進(jìn)行訪問了.
該模塊是整個系統(tǒng)最終的被控對象,通過所選用的可編程控制器實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制,通過RS232串口實(shí)現(xiàn)與上層服務(wù)器的數(shù)據(jù)信息交換,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的控制.可編程控制器按照傳送過來的指令進(jìn)行工作,并把當(dāng)前設(shè)備的執(zhí)行情況通過相應(yīng)的串口消息通信協(xié)議送回到嵌入式Web服務(wù)器,最終通過互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)用戶瀏覽器端,使得遠(yuǎn)程客戶端用戶即使在遠(yuǎn)離工業(yè)現(xiàn)場的情況下也可以對被控對象進(jìn)行控制并得到對象的執(zhí)行情況.
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用基于組件的思想,主要包括Web服務(wù)器組件,CGI組件,串行通信組件,數(shù)據(jù)存儲組件等.這些組件之間的邏輯關(guān)系如圖2所示.Web服務(wù)器組件是指實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議的基本內(nèi)容、能夠響應(yīng)和處理用戶請求、實(shí)現(xiàn)獨(dú)立通信的程序模塊,也稱 Web服務(wù)器.通過對TCP/IP相關(guān)協(xié)議的實(shí)現(xiàn),Web服務(wù)器即具有與瀏覽器交互的能力,能夠處理客戶端用戶請求、傳遞網(wǎng)絡(luò)消息并向?yàn)g覽器返回結(jié)果,同時能夠與其他應(yīng)用程序協(xié)同工作.CGI組件是指按照CGI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的具有獨(dú)立功能的程序模塊,是嵌入式Web服務(wù)器與外部擴(kuò)展應(yīng)用程序交互的一種標(biāo)準(zhǔn)接口.通過它把現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時地傳遞給嵌入式Web服務(wù)器,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端客戶與現(xiàn)場設(shè)備之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交互.串行通信組件是指完成串行通信功能的獨(dú)立程序模塊,由其完成現(xiàn)場設(shè)備到CGI組件的數(shù)據(jù)傳送,他與CGI程序組件相互配合,共同完成對嵌入式Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)更新.數(shù)據(jù)存儲組件是指能夠?qū)ΜF(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,并為其他功能組件提供讀寫使用方法的一類功能模塊.數(shù)據(jù)存儲組件的實(shí)現(xiàn)形式可以采用文件方式也可以采用嵌入式數(shù)據(jù)庫方式.
圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of Software architecture
本系統(tǒng)中遠(yuǎn)程控制端的用戶在與Internet相連接的瀏覽器中輸入嵌入式Web服務(wù)器的地址,登陸到相應(yīng)頁面,并發(fā)送控制指令,嵌入式Web服務(wù)器收到控制指令后進(jìn)行處理,響應(yīng)客戶端瀏覽器的連接請求,獲取控制信息并發(fā)往被控對象,通過嵌入式Web服務(wù)器內(nèi)部一系列的操做過程,將其轉(zhuǎn)換為PLC可以識別的消息,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理從而完成通信.嵌入式Web服務(wù)器也獲取來自被控對象的實(shí)時信息,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后發(fā)往遠(yuǎn)程客戶端,同時響應(yīng)客戶端瀏覽器的連接請求,將處理結(jié)果以動態(tài)頁面的形式返回給客戶端,其中嵌入式 Web服務(wù)器工作于“串行通道模式”,即,所有串口來的數(shù)據(jù)都被自動封裝為TCP或UDP包在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸;同理,從網(wǎng)口上接收到的TCP或UDP包也會被自動拆封出數(shù)據(jù)并逐個字節(jié)發(fā)往串口.嵌入式服務(wù)器在系統(tǒng)啟動時會自動裝載嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng),以及一套精簡的 Web服務(wù)器.Web服務(wù)器會監(jiān)聽客戶端發(fā)送過來的HTTP請求,并將其委派給服務(wù)器進(jìn)程處理,該進(jìn)程即CGI程序,它負(fù)責(zé)接收Web請求數(shù)據(jù),與串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理,并將處理結(jié)果以動態(tài)頁面的形式返回給客戶端.
Boa Web服務(wù)器是一種非常小巧的Web服務(wù)器,其可執(zhí)行代碼只有大約60kB左右.作為一種單任務(wù)Web服務(wù)器,Boa只能依次完成用戶的請求,而不會fork出新的進(jìn)程來處理并發(fā)連接請求.但Boa支持CGI,能夠?yàn)镃GI程序fork出一個進(jìn)程來執(zhí)行.
從網(wǎng)上下載一個linux操作系統(tǒng)下的Boa服務(wù)器,并且在徽處理器(Advanced Risc Machines,ARM)開發(fā)環(huán)境下配置好和開發(fā)板相應(yīng)編譯環(huán)境,此設(shè)計(jì)中ARM所燒系統(tǒng)為linux-2.6.32.2-1208-nfsandjffs2-w35-ok,叉編譯環(huán)境為arm-linux-gcc-3.4.1,將下載Boa服務(wù)器通過tar命令解壓縮,壓縮包里有個 MAKEFILE,對其交叉變異,所得到的一個在ARM環(huán)境下可以運(yùn)行的Boa可執(zhí)行文件,并且按照其boa.conf文件在ARM環(huán)境中對其ARM系統(tǒng)進(jìn)行配置.
按照Boa.conf對ARM進(jìn)行相應(yīng)的配置并且將錯誤日志,訪問日志,Boa可執(zhí)行文件,網(wǎng)站網(wǎng)頁,CGI程序等等放到相應(yīng)目錄下.然后在更改ARM 下 的/etc/init.d/Rcs文件,是 我 們 編譯 的Boa開機(jī)自啟,至此Boa服務(wù)器搭建好了.簡單的boa.conf代碼事例為
#Boa v0.94configuration file
#version changes are noted in the comments
# boa-c/usr/local/boa
//Boa版本的說明以可執(zhí)行文件boa在ARM中所存放的路徑
#Port:The port Boa runs on.The default port for http servers is 80.
#If it is less than 1024,the server must be started as root.
//端口號的設(shè)定
#CGIPath:The value of the$PATH environment variable given to CGI progs.
CGIPath/bin:/usr/bin:/usr/local/bin
//CGI程序設(shè)置以及在ARM環(huán)境中存放路徑
嵌入式Web服務(wù)器使用linux操作系統(tǒng),CGI程序以C函數(shù)的形式來實(shí)現(xiàn),其中CGI程序里提供的組件的格式為int NAME(WCT*w,char*file,char*head);其中NAME為CGI組件所對應(yīng)的函數(shù)的名稱,w為通信結(jié)構(gòu)體,數(shù)據(jù)的請求接收和接收數(shù)據(jù)的響應(yīng)都是通過他來操作的;file為所請求的通用網(wǎng)關(guān)接口名字;head為消息的請求頭,請求的數(shù)據(jù)包長度和Cookie信息都是通過它來得到的.
開發(fā)CGI后,還必須在Web服務(wù)器中進(jìn)行注冊,這樣當(dāng)調(diào)用時,才能將函數(shù)與對應(yīng)CGI聯(lián)系起來,啟用相應(yīng)的CGI進(jìn)程進(jìn)行處理.
開發(fā)好的CGI注冊格式為
Register("POST/GET",NAME,"NAME.cgi");
CGI開發(fā)中用戶的請求方式有GET和POST兩種方式,GET是把表中的參數(shù)數(shù)據(jù)提交到表單中的action屬性所指的URL統(tǒng)一資源定位中,提交的值和表單中的各個字段是一一對應(yīng)的,GET請求方式提交的數(shù)據(jù)是放在HTTP請求協(xié)議頭中的,POST通過HTTP POST機(jī)制,將表單中的各個字段和內(nèi)容放在HTML HEADER內(nèi),然后一起傳送到action屬性所指向的URL地址,整個過程用戶是看不到的,POST提交的數(shù)據(jù)放在實(shí)體數(shù)據(jù)中.GET是通過在URL里面進(jìn)行參數(shù)傳遞,用來傳遞一些不需要保密的數(shù)據(jù),POST的安全性比GET高,GET傳送的數(shù)據(jù)量較小,不能大于2 kB.POST傳送的數(shù)據(jù)量較大,一般被默認(rèn)為不受大小限制.CGI組件在Web服務(wù)器中注冊好后,就可以進(jìn)行工作了.
在系統(tǒng)中串行通信接口是連接嵌入式Web服務(wù)器與可編程控制器的橋梁,當(dāng)數(shù)據(jù)從嵌入式Web服務(wù)器的串口發(fā)送后,數(shù)據(jù)將由字節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)換為串行的位,當(dāng)下位機(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)往上位機(jī)上,數(shù)據(jù)又由串行的位轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù),在使用串口進(jìn)行通信時,必須將串口打開,通信結(jié)束后將其關(guān)閉.
CGI進(jìn)程完成與用戶動態(tài)網(wǎng)頁的交互,交互的信息是通過串口從下位機(jī)發(fā)送來的,需要和串口通信提取對象狀態(tài)或控制對象動作,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的串口通信組件,提取被控對象狀態(tài)或控制對象動作.在本系統(tǒng)中,串口通信組件是針對下位機(jī)串口數(shù)據(jù)所開發(fā)的一系列函數(shù),其獲取被控制對象的串口消息,交給CGI程序處理.針對串口消息中指定的各條控制命令,分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的函數(shù),實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送和返回?cái)?shù)據(jù)的接收,并定義相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體保存接收到的數(shù)據(jù).以查詢對象狀態(tài)命令為例,其設(shè)計(jì)函數(shù)為
int set_opt(int fd,int nSpeed,int nBits,char nEvent,int nStop)
//設(shè)置串口屬性:fd:文件描述符nSpeed:波特率nBits:數(shù)據(jù)位nEvent:奇偶校驗(yàn)nStop:停止位.
int open_port(int fd,int comport)
//打開S3C2440的串口設(shè)備節(jié)點(diǎn)
int dakai()
//向PLC發(fā)送控制命令.
Int jianshi()
//讀取PLC對應(yīng)通道的值 以監(jiān)視PLC下聯(lián)設(shè)備的狀態(tài).
在系統(tǒng)中提交命令數(shù)據(jù),或者寫數(shù)據(jù),都需要從表單或者緩沖區(qū)中獲取得到的信息,這就需要再設(shè)計(jì)一些相關(guān)的提取數(shù)據(jù),獲取數(shù)據(jù)的函數(shù),方便與所設(shè)計(jì)的CGI串行函數(shù)一起工作,將復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)過程封裝起來,從而提高效率.
基于此設(shè)計(jì)的函數(shù)原型
cgiFormResultType cgiFormSelectSingle(char*name,char**choicesText,int choices-Total,int*result,int defaultV)
//將提交的表單里的數(shù)據(jù)提取出來,將數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)中
cgiFormResultType cgiFormSelectMultiple(char*name,char**choicesText,int choices-Total,int*result,int*invalid)
//從緩沖區(qū)中根據(jù)變量名獲取變量值
cgiFormResultType cgiFormCheckboxSingle(char*name)
//從緩沖區(qū)中根據(jù)按鈕名獲取用戶輸入的控制命令
在嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中,以最小的系統(tǒng)開銷來保證系統(tǒng)的實(shí)時性、安全性、實(shí)用性和易維護(hù)性,是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時必須考慮的問題.采用組件化的設(shè)計(jì)方法為這些問題的解決提供了一種有效的途徑,但需要處理好以下幾個關(guān)鍵性問題.
系統(tǒng)安全都是非常重要的.對于基于嵌入式Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),要求能保護(hù)系統(tǒng)中的信息安全,防止惡意破壞;不許無權(quán)限的人觀察到重要資料和進(jìn)行有關(guān)操作.針對此,在內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)增設(shè)防火墻用以保護(hù)內(nèi)部局域網(wǎng)免受安全攻擊.嵌入式Web服務(wù)器作為內(nèi)部局域網(wǎng)上的一個節(jié)點(diǎn)也受到防火墻的保護(hù).為了防止非法用戶的訪問,遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)在用Web瀏覽器訪問嵌入式Web服務(wù)器時,需要進(jìn)行身份驗(yàn)證.用戶名和登錄口令存放在外部存儲器中.當(dāng)嵌入式Web服務(wù)器上電啟動或復(fù)位時,微處理器就把用戶名和登錄口令從外部存儲器中讀到其RAM中.在收到遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的登錄連接后,按字節(jié)方式逐個比較來驗(yàn)證登錄信息,如果驗(yàn)證通過,則設(shè)置登錄成功標(biāo)志位,否則向遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的Web瀏覽器發(fā)送登錄失敗Web頁面.
建立合理的系統(tǒng)模型及組件模型是組件化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).對系統(tǒng)功能模型進(jìn)行合理分解,以相對獨(dú)立的功能模塊為基礎(chǔ)來定義組件,每個組件要有清晰的邊界.實(shí)時性是嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時必須關(guān)注的問題.為保證其實(shí)時性,應(yīng)盡量避免TCP/IP協(xié)議的冗余實(shí)現(xiàn),構(gòu)造瘦 Web服務(wù)器,以減少對嵌入式系統(tǒng)資源的占用.否則,如果實(shí)時性得不到保證,遠(yuǎn)程監(jiān)控就失去意義.標(biāo)準(zhǔn)化是保證組件具有兼容性的前提.對每種組件的接口和操作定義應(yīng)盡量做到標(biāo)準(zhǔn)化,包括對組件的屬性訪問和對組件的操作都需要標(biāo)準(zhǔn)化.
嵌入式Web服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)通過Web方式與Internet互聯(lián)的關(guān)鍵組成部分,對其進(jìn)行研究對嵌入式Internet技術(shù)的發(fā)展有重要意義。支持Web瀏覽功能的嵌入式設(shè)備不但可以簡化設(shè)備的設(shè)計(jì),而且可以通過瀏覽器方便地設(shè)置嵌入式設(shè)備的參數(shù).本嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)以其體積小、可連續(xù)工作時間長、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),成為今后遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的主流方向.組件化設(shè)計(jì)思想與CGI技術(shù)的成功應(yīng)用,為嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)交互提供了有效的手段,從而為網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施提供了可靠的技術(shù)保障.隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深入,嵌入式Internet技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展.
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西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2014年3期