基于ARM嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡技術實現(xiàn)設備的遠程實時監(jiān)測

目前國外對于大型光電望遠鏡系統(tǒng)所采用的觀測站遠程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)比較完善，但是國內還沒得到很好的應用。本課題將設計一個觀測站遠程監(jiān)控系統(tǒng)，把ARM- Linux嵌入式系統(tǒng)應用到該系統(tǒng)中，實現(xiàn)一個在線實時監(jiān)測、控制于一體的低成本遠程監(jiān)控系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展越來越成熟，嵌入式處理技術很好地解決和實現(xiàn)了高低端系統(tǒng)的實時性、多任務性、大數(shù)據(jù)量處理的要求。嵌入式Internet技術的產(chǎn)生，使得設備可以輕而易舉地接入Internet網(wǎng)絡，實現(xiàn)設備上網(wǎng)和設備的遠程監(jiān)控。短消息服務（SMS）已成為一種成熟的技術，其業(yè)務已為人們廣泛使用和喜愛。由于GSM網(wǎng)絡覆蓋面廣，可靠性高，采用無線網(wǎng)絡遠程監(jiān)控也有很廣闊的應用前景。

1、系統(tǒng)工作原理及硬件組成

1．1 系統(tǒng)工作原理

基于Internet網(wǎng)絡的在線監(jiān)控模式，一方面運行在Web服務器上的CGI程序根據(jù)客戶端瀏覽器的請求負責接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行html轉換，發(fā)往客戶端瀏覽器；另一方面解析客戶端發(fā)來的命令數(shù)據(jù)，通過CGI程序發(fā)往現(xiàn)場設備，實現(xiàn)遠程控制；同時在客戶端對監(jiān)控頁面進行一定時間間隔的動態(tài)刷新，以實現(xiàn)實時的遠程監(jiān)控。

CGI（Common Gateway Interface）公共網(wǎng)關接口，是一種服務器與瀏覽器信息交換的標準接口。在物理上，CGI是一段程序，它運行在服務器上，提供客戶端HTML頁面接口，完成HTML無法做到的交互功能，CGI建立在客戶機／服務器機制上，為外部擴展應用程序與Web服務器交互提供了一個標準接口。按照CGI標準編寫的外部擴展應用程序可以處理客戶端輸入的工作數(shù)據(jù)，完成客戶端與服務器的交互操作。

基于GSM網(wǎng)絡的無線監(jiān)控模式，是采用手機短信息的方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。按照系統(tǒng)設定的命令發(fā)送短信息，根據(jù)用戶不同的短信息內容，GSM模塊內的SIM 卡將以短信的形式返回現(xiàn)場的環(huán)境信息或相關設備開關量的狀態(tài)，還可控制現(xiàn)場相關設備的開關量（在此用開發(fā)板上的3個LED來模擬現(xiàn)場相關設備的開關量），其框圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)硬件組成

監(jiān)控系統(tǒng)控制器的核心CPU選用基于ARM920T內核的16／32位RISC處理器 S3C2410A。該處理器功能強、性價比高、功耗低，提供了一套較完整的通用外圍設備接口，帶MMU（內存管理單元），可支持Linux、μC／OS- II、WindowsCE等多種操作系統(tǒng)的移植。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示。

64 MB Nand Flash采用的是K9F1208，用于存儲大量的數(shù)據(jù)。其特點是高密度、低價格、較快的寫入和擦除速度，較長的復寫壽命。本系統(tǒng)用來存儲嵌入式 Linux鏡像、根文件系統(tǒng)和應用程序；內存為64 MB SDRAM，由2片HY57V561620組成，工作在32位模式下的SDRAM是一種揮發(fā)存儲記憶體，不能永久保存數(shù)據(jù)，在嵌入式系統(tǒng)中用作代碼運行，系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)、堆棧等均位于SDRAM存儲器中。

網(wǎng)絡接口模塊中的以太網(wǎng)接口芯片為10／100M自適應以太網(wǎng)控制芯片DM9000。GPRS無線模塊選用法國Wavecom公司設計的Q2403A，雙波段（900／1800 MHz）工作，支持通用的AT命令。串口采用標準RS232接口。在小擴展板上具有JTAG口轉并口電路的JTAG調試模塊，用并口線將該模塊與主機的并口相連，同時在主機上運行協(xié)議轉換軟件，就能夠進行代碼下載、仿真調試和Flash ROM固化等工作。在本系統(tǒng)目標板的Bootload-er設計階段，用于Bootloader的調試和燒寫。

2 系統(tǒng)的軟件設計

2．1 系統(tǒng)的嵌入式軟件結構

整個系統(tǒng)軟件結構從下到上大體可分為3個層次，如圖3所示：底層的Bootloder、嵌入式Linux內核以及系統(tǒng)應用程序。

Bootloader移植的是廣泛支持PowerPC、MIPS、X86、ARM、XScale等諸多常用系列處理器的u-boot。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內核源代碼開放且精簡、速度快、可靠性高、功能強大，可以根據(jù)需要對內核進行定制。嵌入式Linux內核是整個軟件系統(tǒng)的主體，它不僅為應用程序提供真正的多任務運行環(huán)境，還提供強大的硬件驅動、網(wǎng)絡和文件系統(tǒng)支持。本系統(tǒng)采用2．6．22版本的嵌入式Linux內核和 Yaffs根文件系統(tǒng)。Web服務器選用的是適合嵌入式系統(tǒng)的Boa，為了功能的擴展和大數(shù)據(jù)量的傳輸?shù)拇鎯?，移植了適合嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫 sqlite。

另外，嵌入式Linux具有一套完整的免費交叉編譯環(huán)境，利用S3C2410能實現(xiàn)低成本的設計并開發(fā)出滿足自己需要的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)主要是采用NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)的交叉開發(fā)模式。用NFS方式建立宿主機和開發(fā)板的通信，在開發(fā)調試階段利用NFS服務，在內核啟動過程掛接NFS網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，這樣不用頻繁地寫入Flash，縮短開發(fā)周期。通過Minicom設置，監(jiān)視串口工作狀態(tài)，接收顯示串口收到的信息。

2．2 軟件的開發(fā)

軟件開發(fā)包括以下5個方面：相關驅動的開發(fā)，串口數(shù)據(jù)通信程序的開發(fā)，靜態(tài)頁面的開發(fā)，CGI程序的開發(fā)，無線GSM網(wǎng)絡監(jiān)控收發(fā)短信息程序的開發(fā)。

嵌入式Linux設備文件主要分為字符設備、塊設備和網(wǎng)絡設備3種類型。根據(jù)課題需要主要針對DM9000網(wǎng)卡驅動和Nand Flash的驅動進行改寫，以及對LED字符設備的驅動開發(fā)。然后將其編譯進內核，實現(xiàn)相應設備的驅動。

在嵌入式Linux系統(tǒng)中訪問串口設備要把串口看作是一個設備文件，用戶可以使用文件操作函數(shù)實現(xiàn)對串口的基本操作：如用open（）函數(shù)打開串口，用 read（）、write（）來讀／寫串口，操作完成后用close（）關閉串口等。對串口的設置包括波特率設置、奇偶校驗位、停止位和模式設置。對串口的設置主要是設置struct termios（）結構中各成員的值。在讀串口程序中使用select函數(shù)實現(xiàn)多路復用式串口讀寫。串口0和串口1分別與GPRS模塊和氣象儀連接。

用html語言對靜態(tài)頁面的開發(fā)，在主界面中采用ht-ml的框架技術，具有以下優(yōu)點：頁面結構清晰；功能列表放在左邊，系統(tǒng)功能一目了然；便于頁面跳轉；安全性高，不管提交的表單數(shù)的方式是GET方式還是POST方式，在IE地址欄都不會顯示出相關信息，保證了數(shù)據(jù)傳遞的安全性。

該遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用瀏覽器／服務器（B／S）通信模式，利用動態(tài)網(wǎng)頁技術CGI，使得監(jiān)控端能直觀地對現(xiàn)場進行集中監(jiān)控。一般來講，CGI程序可以分為3 個部分：解碼部分，即對從客戶端獲取的諸多環(huán)境變量進行分析，得到支持CGI程序運行的必要信息，解碼屬于CGI編程范疇；功能部分，即利用得到的信息完成CGI程序所要實現(xiàn)的功能；輸出部分，即將運行的結果返回服務器，最終返回給客戶端。

無線GSM網(wǎng)絡監(jiān)控收發(fā)短信息的開發(fā)，對GSM模塊短信息格式的設定、傳送回報的打開，以及短消息的讀取和刪除等是通過AT指令完成的。AT指令都是以 AT開始，《CR》結束，而AT指令回應的開始與結束都是以《CR》結束。這是串口編程接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)標志。如果AT命令的語法有錯誤，GSM就返回ER-ROR。用手機實現(xiàn)遠程監(jiān)控的GSM程序流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)運行效果

對目標板上電，系統(tǒng)的硬軟件先后啟動。當遠程用戶通過瀏覽器訪問存儲在嵌入式boa Web服務器上的網(wǎng)頁時，首先通過以太網(wǎng)在普通瀏覽器中直接輸入正確的網(wǎng)址http：／／10．0．22．121即可看到測試主頁，如圖5所示。

要求用戶填寫管理ID，并通過密碼驗證。只有通過驗證的用戶才能進入下面的監(jiān)控主頁，監(jiān)控主界面如圖6所示。

該監(jiān)控主頁面左側顯示有3個模塊：重新登陸頁面；觀測站遠程環(huán)境信息檢測系統(tǒng)，能方便實時地查詢現(xiàn)場的環(huán)境狀態(tài)，如圖7所示；現(xiàn)場開關的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以控制3個開關量的開關，如圖8所示，并能查詢它們當前狀態(tài)，設置監(jiān)控頁面每隔15 s動態(tài)刷新一次，如圖9所示，可實現(xiàn)實時的遠程監(jiān)控。系統(tǒng)默認的是當前的實時查詢，提交查詢后，用戶可以得到設備的運行情況。

手機用戶可以根據(jù)開發(fā)程序中設定好的命令，發(fā)送短消息實現(xiàn)遠程監(jiān)控。例如：發(fā)送“m”到GSM模塊的SIM卡中，即可返回現(xiàn)場的環(huán)境信息；發(fā)送“naw”或“faw”，可打開或關閉LED1并且以短信的形式返回現(xiàn)場3個開關量LED的狀態(tài)。

4、結 論

ARM嵌入式系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡技術的融合在大型設備的遠程監(jiān)控和診斷維護中的應用更加廣泛。本課題把ARM嵌入式系統(tǒng)引入觀測站的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，通過Internet：及GSM雙網(wǎng)絡實現(xiàn)了遠程對大型光電望遠鏡設備所在環(huán)境信息的實時監(jiān)測以及對現(xiàn)場一些開關量的控制。系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡功能不僅能實現(xiàn)跨地域的信息訪問，而且利用網(wǎng)絡低廉的通信費用給基于ARM-Linux嵌入式的大型光電望遠鏡設備的監(jiān)控診斷以及維護帶來了全新的活力和更高的效益?？傊?，基于嵌入式的雙網(wǎng)絡遠程監(jiān)控技術將會廣泛運用，必將大大提高設備使用效能，有利于對大型光電望遠鏡設備的管理和維護。的結構示意圖和引腳排列圖，表1列出了各引腳在SPI模式下的定義和功能描述。主機與SD卡之間通過指令來實現(xiàn)交互。