劉 易，盧 軍

（武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢430074）

基于ARM11的遠(yuǎn)程溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 易，盧 軍

（武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢430074）

隨著動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程終端設(shè)備數(shù)據(jù)的采集變得格外重要，而ARM嵌入式產(chǎn)品在性能、成本和功耗上更具優(yōu)勢(shì)。利用ARM11和Linux嵌入式平臺(tái)采集智能化終端設(shè)備數(shù)據(jù)，通過(guò)搭建嵌入式WEB服務(wù)器將數(shù)據(jù)以因特網(wǎng)形式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。針對(duì)智能化RS485型溫濕度傳感器，對(duì)其進(jìn)行Modbus協(xié)議解析并提取數(shù)據(jù)，利用循環(huán)冗余校驗(yàn)方法提高了數(shù)據(jù)接收的可靠性，并采用AJAX實(shí)時(shí)刷新技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁(yè)上局部動(dòng)態(tài)的更新。局域網(wǎng)內(nèi)，客戶(hù)端通過(guò)頁(yè)面中按鈕實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)以1秒更新顯示，通過(guò)設(shè)定相應(yīng)門(mén)限來(lái)觸動(dòng)報(bào)警以期達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控效果。

遠(yuǎn)程終端設(shè)備；溫濕度傳感器；Modbus；AJAX實(shí)時(shí)刷新；RS485

隨著智能系統(tǒng)的不斷發(fā)展，機(jī)房動(dòng)力環(huán)境的監(jiān)控越來(lái)越重要[1]。為保證機(jī)房的正常運(yùn)行，提高其工作效率，節(jié)約人力成本，監(jiān)控機(jī)房的動(dòng)力環(huán)境就顯得尤為必要。結(jié)合當(dāng)前機(jī)房監(jiān)控的趨勢(shì)，利用易于編程、可移植性好、可操作性強(qiáng)、價(jià)格低廉的Linux操作系統(tǒng)結(jié)合低功耗高可靠的ARM嵌入式技術(shù)和遠(yuǎn)程終端Modbus技術(shù)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遙信、遙控和遙調(diào)[1]。

ARM處理器在經(jīng)歷了包括ARM7、ARM9等多個(gè)發(fā)展歷程后，ARM11已成為成熟的嵌入式應(yīng)用，也越來(lái)越多地向更高端的應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)展。ARM11在便攜式和無(wú)線應(yīng)用上，提供了超高性能，并且使成本和功耗減到最小。ARM11的微架構(gòu)特性保證系統(tǒng)性能可以從基本的350～500 MHz范圍擴(kuò)展到1 GHz以上。其微架構(gòu)的高效率表現(xiàn)，根據(jù)不同的應(yīng)用來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率和電源電壓，從而在性能和功耗之間達(dá)到最佳。

本系統(tǒng)在軟件和硬件上采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)，增添電源電路模塊和RS485轉(zhuǎn)TTL模塊，使得系統(tǒng)在硬件上更加靈活。利用ARM11平臺(tái)Linux3．0．1內(nèi)核系統(tǒng)，移植并搭建相應(yīng)嵌入式Web服務(wù)器BOA，并用Ajax技術(shù)對(duì)相應(yīng)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行局部數(shù)據(jù)刷新，最終將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程進(jìn)行傳輸?shù)竭_(dá)客戶(hù)端，在相應(yīng)頁(yè)面上選擇按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程終端設(shè)備進(jìn)行控制。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，第一部分是前端數(shù)據(jù)的采集，主要是將水浸、煙霧、溫濕度等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；第二部分是將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)Internet遠(yuǎn)距離傳送并控制。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

核心板采用Linux 3．0．1嵌入式操作系統(tǒng)，通過(guò)串口接入智能型溫濕度傳感器，利用RS485相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。在數(shù)據(jù)傳輸方面，遠(yuǎn)程通過(guò)有線以太網(wǎng)傳輸，能夠在客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行訪問(wèn)，也可通過(guò)GSM無(wú)線傳輸，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端手機(jī)上。

在采集到數(shù)據(jù)后，可以對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)移植嵌入式Web服務(wù)器，并通過(guò)CGI（Common Gateway Interface）完成靜態(tài)頁(yè)面與服務(wù)器之間的動(dòng)態(tài)交互。

由于板載硬件電路部分RS485所接為T(mén)TL電平，與485型傳感器電平不一致，需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換才能夠正常通訊。因此在ARM11板上擴(kuò)展設(shè)計(jì)TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊，保證主板物理接口即電平特性和軟件驅(qū)動(dòng)與溫濕度傳感器之間能夠進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交互。根據(jù)RS485高擴(kuò)展性的特性，可設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)以接入多個(gè)相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全方位多類(lèi)型數(shù)據(jù)采集。作為工控設(shè)備的485型溫濕度傳感器，為保證傳感器能夠正常運(yùn)行，需提供10～30 V之間的電壓[2]，因此設(shè)計(jì)了12 V的電源電路模塊。

圖2 擴(kuò)展485型傳感器連接圖

多個(gè)485設(shè)備接入主機(jī)框架如圖2所示，其中485總線上可接入多個(gè)相關(guān)設(shè)備，理論上可接入128個(gè)設(shè)備[3]。在沒(méi)有中繼器的RS485-Modbus系統(tǒng)中，最多允許接入32臺(tái)設(shè)備[4-5]。

2 溫濕度數(shù)據(jù)采集

在接入485型溫濕度傳感器前，需要了解該設(shè)備工作原理及數(shù)據(jù)的傳輸形式。通過(guò)設(shè)備用戶(hù)手冊(cè)了解，其采用Modbus-RTU通訊規(guī)約，采用2線制數(shù)據(jù)收發(fā)。

設(shè)備接入監(jiān)控主機(jī)需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，如表1所示，當(dāng)設(shè)備使用RTU模式在Modbus串行鏈路通信，所有鏈路上設(shè)備傳輸模式和串行口參數(shù)必須相同[5-6]。

表1 設(shè)備通訊基本參數(shù)

報(bào)文中有效數(shù)據(jù)為8位數(shù)據(jù)位，兩個(gè)4位十六進(jìn)制符，數(shù)據(jù)收發(fā)通過(guò)相同的比特率讀取其中數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)采用Modbus-RTU通訊規(guī)約，開(kāi)始和結(jié)束結(jié)構(gòu)需大于等于4字節(jié)時(shí)間[5]。作為設(shè)備唯一識(shí)別的地址碼，1字節(jié)理論可接入128個(gè)設(shè)備[7-8]。功能碼為主機(jī)所發(fā)指令功能指示，溫濕度傳感器采用0x03功能碼 （讀取寄存器數(shù)據(jù)）。錯(cuò)誤校驗(yàn)采用16位2字節(jié)CRC碼，校驗(yàn)碼低位字節(jié)在前高位在后。

主機(jī)讀取傳感器數(shù)據(jù)，需要主機(jī)發(fā)送相應(yīng)問(wèn)詢(xún)幀，然后傳感器給出應(yīng)答數(shù)據(jù)。如表2所示為主機(jī)問(wèn)詢(xún)幀結(jié)構(gòu)，目的是通過(guò)主機(jī)來(lái)讀取傳感器中的數(shù)據(jù)。主機(jī)通過(guò)寫(xiě)數(shù)據(jù)到傳感器，下面的命令碼是告訴傳感器主機(jī)需要讀取0x00和0x01兩個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)。

表2 主機(jī)問(wèn)詢(xún)幀結(jié)構(gòu)

當(dāng)主機(jī)發(fā)送如表2所示的一幀數(shù)據(jù)后，傳感器會(huì)立即發(fā)送如表3所示的應(yīng)答幀。其中，地址碼和功能碼同問(wèn)詢(xún)幀一致，為0x01和0x03。有效字節(jié)根據(jù)有效數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，因?yàn)闇貪穸葌鞲衅髦行枰氖菧囟群蜐穸龋灾挥袛?shù)據(jù)一和數(shù)據(jù)二，1位有效字節(jié)碼為0x04，代表4字節(jié)數(shù)據(jù)。校驗(yàn)碼是16位循環(huán)冗余校驗(yàn)，每8位字符與寄存器中的值異或，通過(guò)移位置零等操作，當(dāng)報(bào)文中字節(jié)都運(yùn)算之后得到的最終值即為 CRC[9-10]。

表3 從機(jī)應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)表

實(shí)驗(yàn)中在保證溫濕度傳感器與主機(jī)設(shè)置參數(shù)一致的情況下，發(fā)送如表2所示的讀寄存器數(shù)據(jù)命令后，在Linux系統(tǒng)中運(yùn)行相應(yīng)的程序，提取出應(yīng)答幀中4字節(jié)數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的浮點(diǎn)型十進(jìn)制數(shù)值，最終得到如圖3所示的結(jié)果。

圖3 采集溫濕度傳感器數(shù)據(jù)圖

本實(shí)驗(yàn)在軟件上采用數(shù)組的形式，能夠方便提取出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后間隔1秒發(fā)送詢(xún)問(wèn)幀，對(duì)應(yīng)地主機(jī)接收相應(yīng)的溫度和濕度值并能直觀地顯示到界面當(dāng)中。為保證接收的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，提高傳輸可靠性，需要通過(guò)在接收到數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行CRC的比對(duì)。即通過(guò)對(duì)應(yīng)答幀當(dāng)中除校驗(yàn)碼外的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC驗(yàn)算，其驗(yàn)算值同應(yīng)答幀校驗(yàn)碼進(jìn)行比對(duì)，如一致則接收數(shù)據(jù)正確，否則，重新接收數(shù)據(jù)。這樣，在出現(xiàn)錯(cuò)誤信息告警時(shí)，能夠很清楚知道系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題在哪，可提高系統(tǒng)可靠性。

3 網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)刷新顯示

監(jiān)控主機(jī)采集到溫濕度傳感器數(shù)據(jù)之后，需要將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳到遠(yuǎn)端，在網(wǎng)頁(yè)上輸入相應(yīng)的服務(wù)器IP地址就可進(jìn)行查看數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)上傳就需要在ARM11平臺(tái)上移植嵌入式Web服務(wù)器，遠(yuǎn)端客戶(hù)機(jī)通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器就可以查看相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.1 嵌入式Web服務(wù)器BOA

運(yùn)行在嵌入式Linux下的Web服務(wù)器目前比較流行的是BOA服務(wù)器，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是速度和安全，智能家居的網(wǎng)關(guān)大部分也采用該Web服務(wù)器作為主要架構(gòu)[11]。它是一種非常小巧的Web服務(wù)器，其可執(zhí)行代碼非常小只有大約60 kB左右。作為一種單任務(wù)的Web服務(wù)器，BOA只能依次完成用戶(hù)的請(qǐng)求，而不會(huì)處理新產(chǎn)生出來(lái)的進(jìn)程。但BOA支持CGI，能夠?yàn)镃GI程序分出一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行[12]。

本系統(tǒng)采用BOA服務(wù)器，其移植過(guò)程需要下載相應(yīng)的源碼包后，再進(jìn)行相應(yīng)的修改編譯執(zhí)行，復(fù)制到相應(yīng)的目錄下并進(jìn)行配置，最后運(yùn)行啟動(dòng)服務(wù)器，在網(wǎng)頁(yè)上輸入平臺(tái)IP進(jìn)行查看BOA移植是否成功。由于平臺(tái)Linux內(nèi)核已經(jīng)帶有BOA服務(wù)器，所以未進(jìn)行移植BOA服務(wù)器的操作。

3.2 CGI

CGI的中文可表示為通用網(wǎng)關(guān)接口，其實(shí)際上是一個(gè)在Web服務(wù)器上運(yùn)行的應(yīng)用程序，通過(guò)客戶(hù)端瀏覽器輸入而觸發(fā)，提供客戶(hù)端HTML頁(yè)面的接口[13]。通過(guò)這種接口可以讓網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)訪問(wèn)Web服務(wù)器和運(yùn)行遠(yuǎn)程服務(wù)器系統(tǒng)所在主機(jī)的應(yīng)用程序，通過(guò)相關(guān)程序控制相關(guān)的硬件，并把外部請(qǐng)求產(chǎn)生的結(jié)果轉(zhuǎn)回給應(yīng)用程序，再進(jìn)一步格式化輸出為HTML格式，最終反饋到瀏覽器端。這樣從用戶(hù)處接受和返回的方法就完成了客戶(hù)端HTML靜態(tài)頁(yè)面和Web服務(wù)器的動(dòng)態(tài)交互。CGI是運(yùn)行在服務(wù)器上的，和其他開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)頁(yè)面的方式不同。要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制某個(gè)嵌入式設(shè)備，在嵌入式方面首選CGI的方式進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)的動(dòng)態(tài)交互。

CGI在系統(tǒng)中與程序和服務(wù)器之間的關(guān)系如圖4所示，相當(dāng)于處于客戶(hù)和Web服務(wù)器之間的一個(gè)過(guò)渡，通過(guò)HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的客戶(hù)端與服務(wù)端之間的通信。首先客戶(hù)端瀏覽器通過(guò)HTML表單請(qǐng)求指定生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的CGI應(yīng)用程序的URL，然后服務(wù)器收到請(qǐng)求并執(zhí)行指定的CGI應(yīng)用程序，此時(shí)CGI應(yīng)用程序根據(jù)用戶(hù)輸入操作做出響應(yīng)，將產(chǎn)生出來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)果處理成為HTML表單形式回送給Web服務(wù)器，最后顯示客戶(hù)端瀏覽器頁(yè)面上。CGI程序的輸出數(shù)據(jù)的語(yǔ)法格式必須和相應(yīng)消息的語(yǔ)法格式一致，才能根據(jù)操作得到正確的信息。

圖4 CGI系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.3 AJAX實(shí)時(shí)刷新

AJAX（Asynchronous Java Script and XML）是異步Java Script和XML，并非縮寫(xiě)詞，而是由Jesse James Gaiiett創(chuàng)造的名詞，是指一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用的網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)技術(shù)[14]。其核心是通過(guò)使用Java Script對(duì)象XMLHttpRequest向服務(wù)器發(fā)送異步請(qǐng)求。

如果要得到服務(wù)器上文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，或者向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，就必須制作一個(gè)HTML表單向服務(wù)器GET或POST數(shù)據(jù)，同時(shí)用戶(hù)需要點(diǎn)擊相關(guān)按鈕操作來(lái)發(fā)送或獲取所需信息，然后等待服務(wù)器給出的響應(yīng)，最后會(huì)加載一張新的頁(yè)面呈現(xiàn)出結(jié)果[15]。針對(duì)這樣的情況Web應(yīng)用程序運(yùn)行會(huì)變得緩慢，且界面呈現(xiàn)也不夠友好。通過(guò)利用AJAX技術(shù)，可以在不重新加載頁(yè)面，采用XMLHttpRequest對(duì)象直接獲取服務(wù)器傳遞的數(shù)據(jù)，即局部刷新數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中腳本程序會(huì)不斷請(qǐng)求服務(wù)器，客戶(hù)端瀏覽器在同一個(gè)頁(yè)面下，將會(huì)看到內(nèi)容按照一定的時(shí)間不斷更新變化。

嵌入式Linux系統(tǒng)中編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，所以在有Web服務(wù)器的基礎(chǔ)上移植相應(yīng)的CGIC庫(kù)，經(jīng)過(guò)修改、編譯、配置、安裝和測(cè)試等一系列操作完成后，然后再編寫(xiě)HTML網(wǎng)頁(yè)。制作一個(gè)主頁(yè)和溫濕度采集頁(yè)面，建立一個(gè)Java Scrip腳本文件以實(shí)現(xiàn)AJAX異步訪問(wèn)服務(wù)器，編譯運(yùn)行主程序加載到開(kāi)發(fā)平臺(tái)上客戶(hù)端瀏覽器就可以進(jìn)行操作得到相應(yīng)的顯示。

本系統(tǒng)在同一網(wǎng)段通過(guò)另一臺(tái)PC （IP為192.168.10.13）上的瀏覽器輸入ARM11嵌入式平臺(tái)的IP地址192.168.10.242可進(jìn)行訪問(wèn)，在點(diǎn)擊按鈕的同時(shí)數(shù)據(jù)能夠在具體位置顯現(xiàn)出來(lái)，并不斷地更新數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

由嵌入式Linux的安全可靠及開(kāi)源特性，機(jī)房中各動(dòng)力環(huán)境變量可通過(guò)傳感器利用串行接口和數(shù)字模擬口接入到嵌入式平臺(tái)中，可較全面監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及下達(dá)相應(yīng)指令。本系統(tǒng)主要集中于前端數(shù)據(jù)的收集，考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性和安全可靠性，以期適應(yīng)各種產(chǎn)品及用途范圍。

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Base on the ARM11 design remote real-time monitoring of temperature and humidity system

LIU Yi，LU Jun
（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

With the development of power and environment monitoring system，remote terminal units data acquisition becomes particularly important，and ARM embedded products have more advantages in performance，cost and power consumption．The use of embedded Linux platform ARM11 and collect intelligence data terminal equipment through embedded WEB server set up the data to the Internet in the form of long-distance transmission．According to the intelligent temperature and humidity sensor RS485，Modbus protocol analysis and data extraction of the improved data reception reliability by using cyclic redundancy check method，and using AJAX technology to achieve real-time data on the web page local dynamic update．In the LAN，the client data via the page button at1second update the display by setting the appropriate alarm thresholds to touch in order to achieve remote real-time monitoring results．

RTU； temperature and humidity sensor； Modbus； AJAX real-time refresh； RS485

TN876．3；TN919．5

A

1674－6236（2017）17-0133-04

2016-07-13稿件編號(hào)：201607101

劉 易（1990—），男，湖北公安人，碩士研究生。研究方向：嵌入式動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。