汪 鵬

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

基于嵌入式Web服務(wù)器尋星儀監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汪 鵬

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

現(xiàn)代衛(wèi)星通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的需求也越來(lái)越大。嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要平臺(tái)，越來(lái)越多的基于嵌入式Web服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)。嵌入式Web服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn),如:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低等。把嵌入式設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)方便、實(shí)時(shí)地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)，再將數(shù)據(jù)以直觀、形象的網(wǎng)頁(yè)方式顯示在PC、PDA、Phone等設(shè)備上,不需要專門的應(yīng)用軟件。針對(duì)衛(wèi)星尋星儀監(jiān)控系統(tǒng)所使用的ARM9系列芯片,在控制板硬件移植了Linux操作系統(tǒng)，在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置合適的應(yīng)用層Web服務(wù)器，并通過(guò)Ajax+CGI+Boa的方式實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控衛(wèi)星尋星儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用戶在終端瀏覽器上輸入網(wǎng)址進(jìn)行訪問(wèn)，就可以對(duì)便攜式衛(wèi)星尋星儀進(jìn)行實(shí)時(shí)、方便的監(jiān)控。

便攜式衛(wèi)星尋星儀；嵌入式Web服務(wù)器；B/S架構(gòu)；Boa

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)[1]的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們獲取信息的主要方式也變成了網(wǎng)頁(yè)形式，而今許多國(guó)內(nèi)外廠商研制的衛(wèi)星尋星儀產(chǎn)品，大多數(shù)都是采用C/S(客戶端/服務(wù)器)模式，需要定制專門的監(jiān)控軟件。因此，越來(lái)越多的客戶希望通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的方式進(jìn)行操作，而這種方式正是通常所說(shuō)的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式。客戶通過(guò)終端上瀏覽器，比如：IE、Google、360等。在地址欄輸入U(xiǎn)RL(統(tǒng)一資源定位符)后連上服務(wù)器，提供Web服務(wù)的服務(wù)器就會(huì)將存儲(chǔ)在其上的資源發(fā)送給瀏覽器，瀏覽器將資源以網(wǎng)頁(yè)的形式展現(xiàn)出來(lái)。

在現(xiàn)代社會(huì)中，這種Web服務(wù)器[2]模式和美觀的網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)也在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，用于對(duì)其他設(shè)備的管理、監(jiān)視和控制[3]。為此，結(jié)合目前廣泛使用的ARM芯片，提出一種衛(wèi)星尋星儀基于嵌入式Web的實(shí)現(xiàn)方案。它采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，源代碼開(kāi)放，應(yīng)用豐富，內(nèi)嵌嵌入式Web服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星尋星儀狀態(tài)信號(hào)的采集、控制。

1 系統(tǒng)平臺(tái)

系統(tǒng)為一個(gè)攜式衛(wèi)星尋星儀監(jiān)控系統(tǒng)的Web監(jiān)控系統(tǒng)，包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)控終端等幾個(gè)功能模塊[4]。

監(jiān)控終端采用PC或者手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，設(shè)備上的瀏覽器工作在TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用層，使用Http協(xié)議進(jìn)行通信。它可以向服務(wù)器發(fā)送監(jiān)控命令或者從服務(wù)器獲得衛(wèi)星尋星儀的狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸部分可以采用兩種方式：如果監(jiān)控終端為PC機(jī)，將用一根網(wǎng)線將服務(wù)器和PC機(jī)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；如果采用的是手持移動(dòng)終端，可以利用無(wú)線射頻模塊組建的局域網(wǎng)，通過(guò)Wifi通信來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)處理模塊采用Atmel AT91SaM9G45微處理器[5]，其主要功能是運(yùn)行伺服控制程序和CGI(Commom Gateway Interface)程序。數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)存儲(chǔ)對(duì)星的參數(shù)。

該系統(tǒng)采用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫(kù)[6]，CGI程序利用它提供的API函數(shù)完成數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢、插入和修改等常用功能。圖1為系統(tǒng)的工作流程。

圖1 系統(tǒng)工作流程

2 Web服務(wù)器的選擇

一般而言，嵌入式設(shè)備上的資源都是有限的，并且不能同時(shí)處理很多用戶的請(qǐng)求，所以對(duì)于嵌入式設(shè)備有專門的嵌入式Web服務(wù)器。這些服務(wù)器自身占用存儲(chǔ)空間都很小并且運(yùn)行時(shí)所占用的空間也非常小，十分適合嵌入式的應(yīng)用場(chǎng)合。常見(jiàn)的嵌入式Web服務(wù)器[7]有：Lighttpd、Thttpd、minihttpd、Shttpd、appweb、mathopd和Boa等。

Lighttpd是由德國(guó)人領(lǐng)導(dǎo)的開(kāi)源Web服務(wù)器軟件，其根本目的是提供一個(gè)專門針對(duì)高性能網(wǎng)站，安全、快速、靈活并且兼容性好的Web Server環(huán)境，并且還具有模塊豐富、內(nèi)存開(kāi)銷低、CPU占用率低、效能好等特點(diǎn)。Lighttpd是輕量級(jí)的Web Server中較為優(yōu)秀的一個(gè)，它支持FastCGI，Auth，輸出壓縮，URL重寫，Alias，CGI等功能。

Thttpd是ACME公司設(shè)計(jì)的一款開(kāi)源的比較精巧的Web服務(wù)器，是一款小巧、簡(jiǎn)單、快速、易移植和安全的HTTP服務(wù)器；Thttpd也是一個(gè)非常小巧的輕量級(jí)Web Server，僅僅400 k左右，非常簡(jiǎn)單，對(duì)于并發(fā)請(qǐng)求不是用fork()來(lái)派生子進(jìn)程處理，而是采用多路復(fù)用(Multiplex)技術(shù)去實(shí)現(xiàn)，因此效能很好。此外，Thttpd全面支持HTTP 1.1協(xié)議(RFC 2616)、HTTP基本驗(yàn)證(RFC2617)、CGI 1.1及大部分的SSI(Server Side Include)功能。

Shttpd也是一個(gè)開(kāi)源的輕量級(jí)的Web Server，具有比Thttpd更豐富的功能特性，支持CGI,cookie,SSL,MD5認(rèn)證,還可以嵌入(embedded)到現(xiàn)有的軟件里，并且不需要配置文件。

Boa[8]是一種非常小巧的Web服務(wù)器，其代碼量非常少，可執(zhí)行代碼只有60 kB左右，是一種單任務(wù)Web服務(wù)器。Boa只能依次完成用戶的請(qǐng)求，而不會(huì)fork出新的進(jìn)程來(lái)處理并發(fā)連接請(qǐng)求。支持身份認(rèn)證和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)CGI，具有穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，功能全面，安全性高等特點(diǎn)。

考慮到嵌入式系統(tǒng)資源和運(yùn)行能力的限制，該系統(tǒng)采用Boa服務(wù)器[9]作為Web服務(wù)器。

3 Web服務(wù)器Boa的工作流程

Boa工作流程圖如圖2所示。Boa從到達(dá)的套接字獲得HTTP[10]請(qǐng)求(存儲(chǔ)在一個(gè)request結(jié)構(gòu)中)，并將其保存到隊(duì)列中。首先，get_request()函數(shù)將從套接字獲取的數(shù)據(jù)全部保存到request→header_line，然后調(diào)用process_request()函數(shù)來(lái)處理隊(duì)列中的每一個(gè)請(qǐng)求。根據(jù)request結(jié)構(gòu)體中status所表示的不同狀態(tài) 進(jìn)行不同處理。如果這個(gè)請(qǐng)求符合HTTP協(xié)議，則會(huì)調(diào)用process_option_line()函數(shù)，將一些頭部信息填寫到request結(jié)構(gòu)體中，完成CGI環(huán)境變量的設(shè)置，隨后process_header_end()函數(shù)對(duì)用戶進(jìn)行驗(yàn)證。如果驗(yàn)證通過(guò)，則判斷request結(jié)構(gòu)體中的is_cgi，為非0時(shí)是CGI程序，調(diào)用init_cgi()函數(shù)進(jìn)行處理，為0時(shí)是靜態(tài)頁(yè)面，則調(diào)用init_get()函數(shù)進(jìn)行處理。

圖2 Boa的工作流程圖

4 網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)簡(jiǎn)介

客戶機(jī)和服務(wù)器之間交互的載體是網(wǎng)頁(yè)，網(wǎng)頁(yè)中不但有文字，也有圖片，甚至還能將視頻文件嵌入網(wǎng)頁(yè)中，網(wǎng)頁(yè)能提高用戶體驗(yàn)。

系統(tǒng)采用的主要網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)包括HTML、CGI程序、Javascript腳本語(yǔ)言和CSS樣式等，而這些技術(shù)綜合起來(lái)就是人們常用的Ajax技術(shù)。

CGI又叫通用網(wǎng)關(guān)接口[11]，它是組成WWW技術(shù)的一種，運(yùn)行在服務(wù)器端，為HTML文件在服務(wù)器端和客戶端提供了更多的交互，使網(wǎng)頁(yè)具有了交互功能。CGI僅僅是一種規(guī)范，可以采用多種編程語(yǔ)言來(lái)編寫CGI程序，如：C、C++、Perl、VB和C Shell等。該系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行CGI編程。

CGI的處理過(guò)程[12]：首先客戶端把用戶請(qǐng)求發(fā)給服務(wù)器；服務(wù)器接收到客戶端請(qǐng)求后，將它交給相應(yīng)的CGI程序處理；接著CGI程序把處理結(jié)果傳給服務(wù)器；最后服務(wù)器把結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端。

Ajax[13]不僅僅是一種特定的客戶端技術(shù)，還是一種設(shè)計(jì)技巧。對(duì)于傳統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)(沒(méi)有使用Ajax)如果需要更新內(nèi)容，必需重載整個(gè)網(wǎng)頁(yè)；而采用Ajax的網(wǎng)頁(yè)可以只向服務(wù)器發(fā)送并取回必需的數(shù)據(jù)，通過(guò)在后臺(tái)與服務(wù)器進(jìn)行少量的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的異步更新，即在不刷新整個(gè)頁(yè)面的前提下更新數(shù)據(jù)，允許瀏覽器與服務(wù)器進(jìn)行通信而無(wú)需刷新頁(yè)面，這使得Web應(yīng)用程序能夠更加迅捷地回應(yīng)用戶動(dòng)作。Ajax與服務(wù)器的交互過(guò)程一般只需要三步即可完成：首先Javascript腳本創(chuàng)建一個(gè)XMLHttpRequest對(duì)象；然后利用XMLHttpRequest對(duì)象的send()和open()方法向服務(wù)器端的CGI程序發(fā)送請(qǐng)求；最后利用XMLHttpRequest對(duì)象的responseText或responseXML屬性來(lái)獲得服務(wù)器的響應(yīng)。

CSS[14]技術(shù)主要針對(duì)頁(yè)面進(jìn)行布局，并設(shè)計(jì)出整潔、美觀的網(wǎng)頁(yè)，提供給用戶。

5 頁(yè)面設(shè)計(jì)流程圖

攜式衛(wèi)星尋星儀的頁(yè)面總體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。主要包括四個(gè)網(wǎng)頁(yè)，即登錄頁(yè)面、監(jiān)控頁(yè)面、參數(shù)設(shè)置頁(yè)面、數(shù)據(jù)庫(kù)頁(yè)面。

圖3 頁(yè)面總體設(shè)計(jì)流程圖

6 測(cè)試Web服務(wù)器Boa

靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)測(cè)試，測(cè)試環(huán)境的相關(guān)說(shuō)明。編寫測(cè)試代碼index.html，并放在指定文件夾/var/www/html/。用戶使用網(wǎng)線將一臺(tái)PC機(jī)和便攜式衛(wèi)星尋星儀控制板互聯(lián)。必須確保試驗(yàn)用PC機(jī)和控制板處于同一個(gè)網(wǎng)段，所以設(shè)置PC機(jī)的IP地址為10.10.150.55，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.255.0,便攜式衛(wèi)星尋星儀的IP地址設(shè)置為10.10.150.180。最后打開(kāi)PC機(jī)的瀏覽器輸入以下網(wǎng)址：http://10.10.150.180，看是否出現(xiàn)需要的網(wǎng)頁(yè)，若出現(xiàn)如圖4所示的網(wǎng)頁(yè)，則Boa服務(wù)器的移植與配置正確。

index.html代碼如下：

圖4 結(jié)果驗(yàn)證圖

7 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)頁(yè)方式監(jiān)控衛(wèi)星尋星儀，系統(tǒng)采用 Ajax+CGI+Boa的方式完成監(jiān)控。當(dāng)網(wǎng)頁(yè)觸發(fā)事件后，Ajax向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)并取回必需的數(shù)據(jù)，通過(guò)在后臺(tái)與服務(wù)器中的CGI程序進(jìn)行少量的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的異步更新，即實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星尋星儀便捷、實(shí)時(shí)的監(jiān)控。所建立的嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)基于嵌入式Web服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有一定的借鑒作用。

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Design of Satellite Finder Monitoring and Control System with Embedded Web Server

WANG Peng

(College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210000,China)

Modern satellite communications and computer technology have developed rapidly,so the demands for satellite communications business are becoming larger and larger.Embedded system is an important platform of modern communication network technology,and more monitoring systems based on embedded Web server have been developed which are endowed with diverse advantages,such as simple structure,low power consumption and so on.The embedded devices connected to internet can make real-time monitoring operation of relevant equipment easy convenient by which data can be displayed with PC,PDA,mobile phone and other instruments without special operation software.Linux operating system is embedded on ARM9 chip of the satellite finder monitoring system investigated.The appropriate application layer Web server is installed in the monitoring system,by which satellite finder can be monitored on Web pages via satellite Ajax+CGI+Boa manner.Experimental results indicate that monitoring function can be achieved conveniently and easily after input of URL on browser to access portable satellite finder.

portable satellite star finder;embedded Web server;B/S architecture;Boa

2016-05-23

2016-09-08

時(shí)間：2017-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271234)

汪 鵬(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信技術(shù)；導(dǎo)師：謝繼東，博導(dǎo)，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0921.044.html

TP302

A

1673-629X(2017)04-0150-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.033