張永宏,李海峰,王麗華,錢(qián)承山,毛海強(qiáng)

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044;3.南京信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院,南京 210044)

基于嵌入式Web服務(wù)器的微氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張永宏1,2*,李海峰2,王麗華2,錢(qián)承山3,毛海強(qiáng)2

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院,南京 210044;3.南京信息工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院,南京 210044)

針對(duì)目前對(duì)于微氣象環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的需求,設(shè)計(jì)了一種基于B/S系統(tǒng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程微氣象環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制通過(guò)WSN(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))實(shí)現(xiàn);嵌入式Web服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)等功能;應(yīng)用HTML5+CSS+JavaScipt技術(shù)設(shè)計(jì)了用戶前端監(jiān)控界面;經(jīng)過(guò)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試,本設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性好、采集數(shù)據(jù)精確、界面友好,滿足了用戶對(duì)特定區(qū)域的微氣象環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的需求。

電子技術(shù);微氣象;監(jiān)測(cè)與控制;B/S;嵌入式Web服務(wù)器

某些區(qū)域小尺度的氣象物理現(xiàn)象呈現(xiàn)復(fù)雜多變的特征,目前對(duì)于城市特定區(qū)域微氣象的研究越來(lái)越多,微氣象特征常使用一些氣象要素或者環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)來(lái)表征。這些數(shù)據(jù)對(duì)于更加精細(xì)地研究本區(qū)域小氣候變化具有重要意義[1-2]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)測(cè)區(qū)域布設(shè)若干數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn),在節(jié)點(diǎn)上使用微氣象要素相關(guān)傳感器采集數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)的傳輸為無(wú)線多跳路由方式,非常適合室外微氣象信息采集[3-4]。

目前的微氣象信息采集系統(tǒng)多為上行數(shù)據(jù)系統(tǒng),僅用于環(huán)境要素監(jiān)測(cè),系統(tǒng)缺少下行數(shù)據(jù)反饋控制功能,如預(yù)警自動(dòng)發(fā)布、啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備等等。因此,本文結(jié)合B/S軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)用于微氣象環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的系統(tǒng),用戶使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微氣象相關(guān)數(shù)據(jù)或者查看歷史數(shù)據(jù),也可以遠(yuǎn)程調(diào)整監(jiān)測(cè)任務(wù)或者控制監(jiān)測(cè)區(qū)域的相關(guān)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的必要干預(yù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式Web服務(wù)器的微氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)采用B/S軟件設(shè)計(jì)架構(gòu),整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)線監(jiān)控終端和嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器兩個(gè)部分組成。無(wú)線監(jiān)控終端使用微氣象要素傳感器不間斷采集環(huán)境數(shù)據(jù),同時(shí)在一些無(wú)線監(jiān)控終端還可以根據(jù)使用場(chǎng)所需要添加執(zhí)行模塊,如在化工園區(qū)可以適當(dāng)添加實(shí)時(shí)預(yù)警、調(diào)整環(huán)保設(shè)備等下行控制。無(wú)線監(jiān)控終端使用ZigBee數(shù)傳模塊組網(wǎng)式監(jiān)控,監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)最終無(wú)線匯聚到嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器,嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理與本地存儲(chǔ)以及響應(yīng)Web瀏覽器的網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求,如果嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器接入了局域網(wǎng),那么局域網(wǎng)內(nèi)的用戶就可以使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器終端登錄系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)于無(wú)線監(jiān)控終端所在區(qū)域內(nèi)微氣象環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

圖2 無(wú)線監(jiān)控終端核心電路圖

無(wú)線監(jiān)控終端包括無(wú)線數(shù)傳模塊和環(huán)境傳感器、執(zhí)行模塊;嵌入式網(wǎng)關(guān)服務(wù)器由ARM微處理器以及其下位機(jī)無(wú)線數(shù)傳數(shù)據(jù)匯聚模塊組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線監(jiān)控終端的硬件由支持ZigBee通信協(xié)議的CC2530F256無(wú)線數(shù)傳SOC以及微氣象傳感器、終端控制執(zhí)行模塊、電源模塊組成。作為終端與嵌入式網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進(jìn)行無(wú)線通信的核心芯片,CC2530F256是TI公司的第2代ZigBee模塊,支持ZigBee2007協(xié)議棧[5-6],同時(shí)滿足微氣象環(huán)境監(jiān)控的低成本、低功耗的需求。為了增強(qiáng)該模塊的射頻性能,本設(shè)計(jì)中為其增加了PA(功率放大)模塊CC2592,該器件是一款針對(duì)德州儀器(TI)所有CC25XX 2.4 GHz低功率RF 收發(fā)器、發(fā)射器和片上系統(tǒng)產(chǎn)品的范圍擴(kuò)展器。CC2592器件提供一個(gè)可增加輸出功率的功率放大器,以及一個(gè)具有低噪聲系數(shù)的LNA,以提升接收器靈敏度。增加了鏈路預(yù)算[7]。無(wú)線監(jiān)控終端核心電路圖如圖2所示。

微氣象要素采集使用了AM2302濕敏電容數(shù)字溫濕度傳感器,該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)單總線輸出的溫濕度復(fù)合傳感器;風(fēng)速風(fēng)向使用WXA100-02SF0-I兩要素氣象傳感器用來(lái)測(cè)定,該傳感器使用超聲波測(cè)定技術(shù),無(wú)機(jī)械磨損,功耗較低;對(duì)于空氣中的有害氣體,使用MQ135傳感器測(cè)定硫化物、氨氣等工業(yè)有害氣體濃度,該傳感器通過(guò)測(cè)量氣敏材料電導(dǎo)率變化測(cè)定有害氣體濃度。這種傳感器可檢測(cè)多種有害氣體,是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器;系統(tǒng)使用了SDS011激光傳感器測(cè)定空氣中PM2.5/PM10濃度,SDS011使用激光散射原理,能夠得到空氣中0.3 μm～10μm懸浮顆粒物濃度,使用高性能激光器與感光部件,數(shù)據(jù)數(shù)字化輸出且穩(wěn)定可靠。監(jiān)控終端的執(zhí)行模塊由系統(tǒng)使用場(chǎng)所自定義,本文設(shè)計(jì)使用繼電器作為受控對(duì)象。

無(wú)線監(jiān)控終端的電源模塊需要輸出3.3 V/5 V/12 V直流電源,為終端的各個(gè)芯片、模塊提供穩(wěn)定的電源。電源電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電源電路結(jié)構(gòu)

圖4 嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器底板硬件電路

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器一方面需要和無(wú)線監(jiān)控終端進(jìn)行雙向通信,具有ZigBee網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)功能[8],另一方面還要不斷地將采集的數(shù)據(jù)存到嵌入式Web服務(wù)器本地存儲(chǔ)設(shè)備,并能夠及時(shí)響應(yīng)瀏覽器訪問(wèn)請(qǐng)求。

本設(shè)計(jì)中采用S3C2440芯片為核心板的嵌入式系統(tǒng),該芯片是基于ARM920T內(nèi)核開(kāi)發(fā)的用于嵌入式設(shè)備的低功耗、高性能的32位微控制器[9]。為了集成嵌入式網(wǎng)關(guān)與Web服務(wù)器兩大功能,本文重新設(shè)計(jì)了嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器的電路,將ARM微處理器S3C2440和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的核心板CC2530F256集成到了一個(gè)底板PCB上。底板的資源進(jìn)行了必要裁剪,S3C2440和CC2530F256兩個(gè)片上系統(tǒng)使用UART串行通信,底板其他關(guān)鍵硬件資源包括電源電路(包括獨(dú)立復(fù)位電路)、10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)卡接口電路、SD卡存儲(chǔ)電路、RS232串口電路(用于服務(wù)器控制臺(tái))、核心板工作狀態(tài)指示電路等。根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)方案,使用Altium Designer電路設(shè)計(jì)軟件繪制電路,嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器底板硬件電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括ZigBee無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)以及嵌入式Web服務(wù)器程序設(shè)計(jì)兩大部分。

圖5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程圖

3.1 ZigBee無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

本文無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以CC2530射頻模塊為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái),以IAR Embedded Workbench IDE為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)、Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。IAR Embedded Workbench IDE是一套高度精密且使用方便的嵌入式應(yīng)用編程開(kāi)發(fā)工具,它為用戶提供了一個(gè)易學(xué)和具有大量代碼繼承能力的開(kāi)發(fā)環(huán)境,支持大量的常用的微處理器和微控制器的開(kāi)發(fā)[10]。

ZigBee無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的程序設(shè)計(jì)分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器雖然物理上與嵌入式Web服務(wù)器系統(tǒng)集成在一起,但是,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序仍屬于ZigBee無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的一部分,它的設(shè)計(jì)目標(biāo)功能一方面是具有ZigBee網(wǎng)絡(luò)到計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)功能,另一方面負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、創(chuàng)建、管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖5所示,網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序流程圖

在ZigBee協(xié)議棧中,各種操作(如網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變、報(bào)警、按鍵觸發(fā)、周期性任務(wù)等)都是由通過(guò)“事件定義—事件觸發(fā)—事件處理”的循環(huán)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的,事件處理時(shí)會(huì)被分配一個(gè)任務(wù)ID即taskID,根據(jù)這個(gè)ID,協(xié)議?？梢酝瓿刹煌氖录幚砗唾Y源調(diào)度,以提高處理效率。

程序主函數(shù)在初始化系統(tǒng)硬件后,調(diào)用osal_start_system()函數(shù)進(jìn)入了協(xié)議棧輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)事件處理循環(huán)函數(shù),對(duì)注冊(cè)的事件任務(wù)進(jìn)行輪詢并調(diào)度資源執(zhí)行。在ZigBee無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)中,除了協(xié)議棧已經(jīng)定義好的系統(tǒng)事件外,程序設(shè)計(jì)還需要定義的事件主要有:使用SERIALAPP_SEND_EVT定義了協(xié)調(diào)器下行數(shù)據(jù)傳輸事件,其觸發(fā)后處理函數(shù)為SerialApp_Send(),實(shí)現(xiàn)上位機(jī)(嵌入式服務(wù)器)的數(shù)據(jù)包讀取并解析,根據(jù)解析結(jié)果無(wú)線廣播或者單播數(shù)據(jù)給監(jiān)控終端;使用SERIALAPP_RESP_EVT定義串口接收響應(yīng)事件,其處理函數(shù)為SerialApp_Resp();使用SERIALAPP_SEND_PERIODIC_EVT定義了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)定時(shí)向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送各傳感器或者執(zhí)行模塊數(shù)據(jù)的事件,其處理函數(shù)是SerialApp_SendPeriodicMessage(),同時(shí)該函數(shù)中調(diào)用了SerialApp_SendData_AM2302()、SerialApp_SendData_ WXA100()、SerialApp_SendData_MQ135()、SerialApp_SendData_ SDS011()等傳感器數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送函數(shù),這些函數(shù)會(huì)調(diào)用傳感器相關(guān)的API函數(shù)獲取數(shù)據(jù),這些函數(shù)是由傳感器廠商提供,并已經(jīng)添加在了協(xié)議棧應(yīng)用層供該層其他函數(shù)調(diào)用,定時(shí)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)是osal_start_timerEx(),用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)事件的觸發(fā);使用SERIALAPP_ALARM_EVT1定義了溫濕度報(bào)警事件,其事件處理函數(shù)是SerialApp_WenshiduAlARMDec(),實(shí)現(xiàn)相關(guān)報(bào)警函數(shù)的調(diào)用;同理,使用SERIALAPP_ALARM_EVT2、SERIALAPP_ALARM_EVT3定義了PM2.5/PM10報(bào)警事件、硫化物、氨氣等工業(yè)有害氣體報(bào)警事件等。

ZigBee無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信必須遵守相同的通信協(xié)議,只有這樣上下位機(jī)之間交換的信息才能被正確的接收、發(fā)送和解析。上下位機(jī)串行通信數(shù)據(jù)幀定義如表1所示。

表1 上下位機(jī)串行通信數(shù)據(jù)幀定義

3.2 嵌入式Web服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

嵌入式Web服務(wù)器程序是基于嵌入式Linux環(huán)境開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序,因此在開(kāi)發(fā)Web服務(wù)器程序之前,需要將定制的嵌入式Linux系統(tǒng)移植到以ARM S3C2440為核心處理器的嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器底板的核心板上。

移植好嵌入式Linux系統(tǒng)至單板后,用戶空間應(yīng)用程序與內(nèi)核空間有了通信機(jī)制[11],也就具備了Web服務(wù)器相關(guān)程序的運(yùn)行環(huán)境,本設(shè)計(jì)中使用Boa Web服務(wù)器,它是一種單任務(wù)HTTP服務(wù)器,其占用資源低、效率高。

在Boa移植到嵌入式系統(tǒng)過(guò)程中關(guān)鍵幾項(xiàng)修改是:將User和Group配置項(xiàng)均設(shè)為root;DocumentRoot設(shè)為/www,該參數(shù)為根目錄下的Web服務(wù)器工作目錄,存放網(wǎng)頁(yè)交互相關(guān)的文件;DirectoryIndex配置項(xiàng)設(shè)為index.html,index.html為訪問(wèn)Web服務(wù)器的首頁(yè),本設(shè)計(jì)中該HTML文檔是本系統(tǒng)的登錄頁(yè);ScriptAlias/cgi-bin/配置項(xiàng)設(shè)為/www/cgi-bin/該項(xiàng)配置了Web服務(wù)器所支持的CGI腳本程序所存放的實(shí)際目錄。

考慮到資源限制的問(wèn)題,在本設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面交互使用了即通用網(wǎng)關(guān)接口CGI(Common Gate Intergace)技術(shù),它是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與Web服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口,規(guī)定了Web服務(wù)器調(diào)用其他可執(zhí)行程序(CGI程序)的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[12]。因此CGI不是某種特定的編程語(yǔ)言,在本設(shè)計(jì)中使用了C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)CGI程序用于HTML網(wǎng)頁(yè)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互,但是C語(yǔ)言的特性不適合編寫(xiě)處理大量字符串的CGI程序,所以還要將相應(yīng)的C庫(kù)移植到服務(wù)器以提高開(kāi)發(fā)效率,篇幅限制,不再詳述。

至此,嵌入式Web服務(wù)器移植關(guān)鍵工作完成,下面是服務(wù)器程序開(kāi)發(fā)工作,主要分為Web前端程序設(shè)計(jì),服務(wù)器程序設(shè)計(jì)兩大部分。Web前端程序設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)瀏覽器端的用戶系統(tǒng)登錄以及Web用戶界面,包括用戶登錄賬號(hào)驗(yàn)證、HTML動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控界面程序設(shè)計(jì),通過(guò)在Web網(wǎng)頁(yè)中使用JavaScript腳本程序?qū)崿F(xiàn)與Web服務(wù)器ajax異步通信,網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的局部刷新有效提高了服務(wù)器響應(yīng)用戶數(shù)據(jù)請(qǐng)求的效率。另外監(jiān)控界面的的網(wǎng)頁(yè)樣式與布局使用CSS(層疊樣式表)進(jìn)行了優(yōu)化[13],在“微氣象歷史數(shù)據(jù)查詢”界面使用了HTML5最新特性的輸入控件作為時(shí)間選擇器,下行控制中以化工園微氣象環(huán)境為應(yīng)用背景,當(dāng)用戶點(diǎn)擊按鈕時(shí)會(huì)觸發(fā)一個(gè)輸入事件并發(fā)送至嵌入式Web服務(wù)器,Web服務(wù)器根據(jù)其輸入標(biāo)號(hào)進(jìn)行讀寫(xiě)操作,并根據(jù)讀的結(jié)果將相應(yīng)的串行控制數(shù)據(jù)包通過(guò)寫(xiě)串口函數(shù)HAL_UartWrite()發(fā)送到串口緩沖區(qū)供下位機(jī)讀取。

服務(wù)器程序設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是創(chuàng)建相關(guān)線程不斷解析上傳的串行數(shù)據(jù)包并刷新至前端Web頁(yè)面、存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的目標(biāo)目錄、接收前端Web頁(yè)面的控制事件并生成相應(yīng)的命令數(shù)據(jù)包進(jìn)行下行傳輸、根據(jù)Web頁(yè)面調(diào)用的JavaScript腳本交互程序,接收前端Web頁(yè)面的數(shù)據(jù)管理操作事件并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)命令管理本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù),并將讀取的數(shù)據(jù)定向至瀏覽器文本顯示控件。移植SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)到嵌入式Linux供boa服務(wù)器程序調(diào)用,配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑為本地SD卡存儲(chǔ)設(shè)備目錄。嵌入式Web服務(wù)器程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 嵌入式Web服務(wù)器程序設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

將S3C2440核心板(已經(jīng)移植好嵌入Linux和Web服務(wù)器程序)和CC2530核心板(下載好編譯成功的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序)通過(guò)焊接好的插座安裝在嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器底板的相應(yīng)排母上,boa服務(wù)器程序設(shè)置為自啟動(dòng)程序并設(shè)置好本地IP地址。無(wú)線監(jiān)控終端方面,溫濕度傳感器、氣體傳感器以及下行控制模塊均使用單總線方式與無(wú)線監(jiān)控終端連接,使用CC2530的通用IO口;風(fēng)速風(fēng)向傳感器以及PM2.5/PM10濃度傳感器使用485串口方式與終端連接;使用DC 12 V鋰電池為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)供電。

測(cè)試中將兩個(gè)無(wú)線監(jiān)控終端配置相同種類(lèi)與數(shù)量的傳感器,并置于A、B兩個(gè)區(qū)域上電運(yùn)行,同時(shí)將嵌入式Web網(wǎng)關(guān)服務(wù)器板置于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)射頻范圍內(nèi),上電并將板子的網(wǎng)口通過(guò)網(wǎng)線接入本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。在本地網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)終端上打開(kāi)瀏覽器,輸入之前設(shè)定好的嵌入式Web網(wǎng)關(guān)服務(wù)器板IP地址,憑借賬號(hào)密碼登錄系統(tǒng)完成驗(yàn)證即可以遠(yuǎn)程Web頁(yè)面的形式觀測(cè)到系統(tǒng)采集到的微氣象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄頁(yè)面如圖8所示,微氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄頁(yè)面

圖9 微氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試

圖10 微氣象歷史數(shù)據(jù)查詢測(cè)試以及下行控制

微氣象歷史數(shù)據(jù)查詢測(cè)試以及下行控制如圖10所示。Web頁(yè)面微氣象歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在嵌入式Linux系統(tǒng)的SD卡存儲(chǔ)設(shè)備目錄下,同時(shí)如果用戶在遠(yuǎn)程Web界面輸入查詢條件并提交,Web服務(wù)器的CGI程序解析并調(diào)用SQLite命令管理歷史數(shù)據(jù)并將結(jié)果返回至前端網(wǎng)頁(yè)顯示,此外用戶還可以通過(guò)瀏覽器下載臨時(shí)生成的查詢結(jié)果或者全部歷史數(shù)據(jù)。下行控制的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)了從Web前端用戶網(wǎng)頁(yè)到無(wú)線監(jiān)控終端邏輯控制電平的傳輸,并將控制狀態(tài)返回。本設(shè)計(jì)的3個(gè)控制按鈕均成功地觸發(fā)了無(wú)線監(jiān)控終端的電磁繼電器,實(shí)際控制功能視具體的應(yīng)用環(huán)境而定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式Web服務(wù)器的微氣象信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),分別從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、無(wú)線監(jiān)控終端軟硬件設(shè)計(jì)以及嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器軟硬件設(shè)計(jì)等方面介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。整合了上下位機(jī)硬件資源,設(shè)計(jì)了嵌入式網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)器電路;使用高性能、數(shù)字化的傳感器提高了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的效率與精確度;本設(shè)計(jì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了下行控制的功能,滿足了遠(yuǎn)程控制個(gè)性化定制的需要;利用HTML5+CSS+JavaScipt的機(jī)制實(shí)現(xiàn)了用戶網(wǎng)頁(yè)界面以及嵌入式服務(wù)器良好的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。在實(shí)際的測(cè)試中,本系統(tǒng)滿足了設(shè)計(jì)目標(biāo),系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲較低,實(shí)時(shí)性較好,實(shí)現(xiàn)了微氣象信息的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化采集與控制。

[1] 胡繼超,申雙和. 微氣象學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京:氣象出版社,2014:27-67,72.

[2] 張捷光. 智能電網(wǎng)微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 華中科技大學(xué),2013.

[3] 倪云峰,毛宏. 基于ARM9的煙氣脫硫數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件,2012,35(6):713-716.

[4] 尚鳳軍,任東海. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式多跳路由算法研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(4):529-535.

[5] 李正明,汪付川. 基于嵌入式的智能停車(chē)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電子器件,2014,37(4):742-745.

[6] Sahani M,Nayak A,Agrawal R,et al. A GSM,WSN and embedded Web Server Architecture for Internet Based Kitchen Monitoring System[J]. 2015 International Conference on Circuit,Power and Computing Technologies(ICCPCT),Nagercoil,2015:1-6.

[7] 德州儀器. CC2592 2.4 GHz射頻范圍擴(kuò)展器描述與參數(shù)[EB/OL]. http://www.ti.com.cn/product/cn/CC2592/description.

[8] Teubler T,Hail M A,Hellbruck H. Transparent Integration of Non-IP WSN into IP Based Networks[C]//2012 IEEE 8th International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems,Hangzhou,2012:353-358.

[9] 王俊,郭書(shū)軍. 嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)及其CGI應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2011,21:152-154,158.

[10] Al-Ali A R,Qasaimeh M,Al-Mardini M,et al. ZigBee-Based Irrigation System for Home Gardens[C]//2015 International Conference on Communications,Signal Processing,and their Applications(ICCSPA),Sharjah,2015:1-5.

[11] 徐葉,袁敏,李國(guó)軍. 嵌入式Web服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2013(2):94-98.

[12] 王莉,周偉. 基于ARM的嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2012,14:90-93,213.

[13] 龍馬工作室. HTML+CSS+JavaScript網(wǎng)頁(yè)制作從新手到高手[M]. 北京:人民郵電出版社,2014:39-122.

DesignofRemoteMonitoringandControlSystemforMicro-MeteorologicalInformationBasedonEmbeddedWebServer*

ZHANGYonghong1,2*,LIHaifeng2,WANGLihua2,QIANChengshan3,MAOHaiqiang2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044,China;2.School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;3.School of Computer and Software,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

Aiming at the demand of remote monitoring and control for micro meteorological environment,a remote micro-meteorological environment information monitoring and control system based on B/S system architecture is designed. Data acquisition and control system are realized by WSN(Wireless Sensor Network). The embedded Web server completes data processing and storage and other tasks;The front-end user interface for monitoring is designed by the application of HTML5+CSS+JavaScipt;By testing the system,it is good in real time,accurate data acquisition and friendly interface,which can meet the needs of remote monitoring and control for the micro meteorological environment in a specific area.

electronic technology;micro-meteorological;monitoring and control;B/S;embedded Web server

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.038

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51575283);南京信息工程大學(xué)大學(xué)生重點(diǎn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201710300011)

2016-08-13修改日期2016-10-31

TP277

A

1005-9490(2017)05-1250-07

張永宏(1974-),男,漢族,山東臨沂人,博士后,教授,主要研究方向?yàn)榫軆x器與機(jī)械、模式識(shí)別與智能系統(tǒng)、遙感信息處理、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)等,zyh@nuist.edu.cn;

李海峰(1990-),男,漢族,江蘇徐州人,南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院碩士研究生,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用,haifengxdyc@163.com。