嵌入式Web技術在智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

摘要：探討了基于Linux的嵌入式Web Server系統(tǒng)在溫室設備監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。提出一種基于嵌入式和Web技術的溫室設備監(jiān)控系統(tǒng)方案，使管理者可以通過Intemet利用Web瀏覽器完成對遠程設備的訪問、監(jiān)控和維護等操作，無需安裝特定軟件，具有跨平臺性，有效解決利用有限資源實現(xiàn)設備的網(wǎng)絡接入問題。實際運行效果表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與實時性，具有實際應用和推廣價值。
關鍵詞：嵌入式Web；智能溫室；監(jiān)控系統(tǒng)；CGI

    智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的節(jié)約型設施農(nóng)業(yè)技術，通過計算機綜合控制，在充分利用自然資源的基礎上，調節(jié)溫度、濕度、光照強度等環(huán)境因素來獲得作物生長的最佳條件，從而達到提高作物產(chǎn)量、改善品質、增加經(jīng)濟效益的目的。嵌入式系統(tǒng)與Intemet技術的結合是當今發(fā)展的趨勢，如何將嵌入式產(chǎn)品與Internet連接起來實現(xiàn)室內設備的統(tǒng)一監(jiān)控與管理，通過Internet實現(xiàn)對設備行為的訪問與交互是目前研究的熱點。本文提出一種基于嵌入式Web技術的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，系統(tǒng)以嵌入式處理器作為上位機，通過構建嵌入式Web服務器，借助CGI(Common Gateway Interface)技術控制中心與嵌入式Web服務器端之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交互，來滿足嵌入式設備直接與Internet聯(lián)網(wǎng)的要求，使管理者可以不受空間限制，通過Internet利用Web瀏覽器完成對設備的遠程訪問、監(jiān)控和維護等操作。

1 系統(tǒng)總體設計
    本設計基于ARM9開發(fā)平臺，構建嵌入式開發(fā)環(huán)境，裁剪移植Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)采用嵌入式Web服務器對設備進行功能配置，利用溫度、濕度、光照強度傳感器采集數(shù)據(jù)，采用嵌入式數(shù)據(jù)庫對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和存儲。系統(tǒng)通過控制程序協(xié)調溫室參數(shù)，并對控制參數(shù)進行監(jiān)測，從而為溫室中的作物提供最佳的生長環(huán)境。
    嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)分客戶端主機和現(xiàn)場嵌入Web服務器智能監(jiān)控設備兩部分，監(jiān)控系統(tǒng)的結構如圖1所示。

    客戶端主機通過瀏覽器與Web服務器交互式處理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡智能設備的遠程監(jiān)控。其中嵌入式Web服務器和監(jiān)控端位于溫室現(xiàn)場，監(jiān)控端完成對溫室環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、等數(shù)據(jù))的采集，并將采集結果存入數(shù)據(jù)庫，通過CGI技術，管理人員通過網(wǎng)絡便可了解溫室內環(huán)境情況。系統(tǒng)采用Boa作為嵌入式Web服務器，負責監(jiān)控、接收和分析用戶請求，傳送靜態(tài)頁面和調用后臺CGI(Common Gate Interface)程序。

2 系統(tǒng)硬件設計
    為了保證系統(tǒng)的實用性和可擴展性，系統(tǒng)選用Samsung公司的S3C2440A作為CPU處理器，S3C2440A帶有豐富的外圍接口，是一款高性價比的ARM核SoC芯片，工作頻率最高可達400 MHz。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

    系統(tǒng)配置有內存大小為64 M的SDRAM和128 M的Nand Flash。外接320x240的LCD觸摸屏，實現(xiàn)本地用戶人機接口，進行設備管理，通過USB接口連接攝像頭，完成溫室環(huán)境的圖像采集；通過DM9000外擴以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與無線局域網(wǎng)設備的連接和Interact的連接。另外，系統(tǒng)還擴展有RS485接口，可用于系統(tǒng)的擴展，通過布線連接相應的設備。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件設計
    整個系統(tǒng)軟件結構如圖3所示，數(shù)據(jù)采集程序通過數(shù)據(jù)采集設備(傳感器、攝像頭等)按照用戶預先設定的參數(shù)周期性的下發(fā)查詢命令，將采集到的結果寫入SQLite數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控人員使用瀏覽器通過Web服務器(Boa)管理和維護系統(tǒng)。

    網(wǎng)絡服務程序由嵌入式Web服務器和CGI腳本程序兩部分組成：服務器通過監(jiān)聽80端口，監(jiān)聽來自網(wǎng)絡的用戶請求，如有用戶請求，則啟動相應的CGI腳本程序，將請求信息轉化為服務器可以識別的數(shù)據(jù)格式，從SQLite數(shù)據(jù)庫中讀出所需的信息，再由CGI程序將信息轉化為Web瀏覽器能夠識別的格式，作為HTTP應答消息回送客戶端顯示。CGI腳本程序完成的功能主要包括：配置、查詢設備相關信息及查詢設備告警信息等。
3．1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)
    用于嵌入式系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)很多，如Linux，Vxworks，Windows CE等。相比而言，Linux兼容POSIX1003．1標準，支持多線程、多任務系統(tǒng)且具有源碼公開、完全免費和廣泛的移植性等特點，使用更加靈活。同時具有強大而穩(wěn)定的網(wǎng)絡功能和完善的開發(fā)工具，支持TCP／IP協(xié)議棧，可提供FTP、TELNET等服務，同時還可以通過應用程序向其他系統(tǒng)提供服務。因此，選擇Linux 2．6．32作為嵌入式操作系統(tǒng)。
3．2 交叉編譯Boa
    本系統(tǒng)采用盡可能簡單的嵌入式Web服務器，即Boa，能夠實現(xiàn)HTTP1．1協(xié)議的基本內容，支持CGI，支持認證，是一個單任務的HTTP服務器，Boa體積小，只有幾十kB。交叉編譯工具使用的是arm-linux-gcc4．3．2。
    1)下載Boa源碼包boa-0.94.13targz,解壓后，在boa-0．94．13＼src目錄下運行#／configure命令生成Makefile文件。
    2)修改Makefile文件，其中：CROSS_COMPILE=／usr／local／arm／4．3．2／bin／arm-linux-。
    3)運行#make命令，生成可執(zhí)行程序boa，運行#／usr／loeal／arm／4．3. 2／bin／arm-linux-strip boa命令刪除調試信息。
3．3 嵌入式數(shù)據(jù)庫的移植
    Sqlite數(shù)據(jù)庫對嵌入式來說是一個很好的數(shù)據(jù)庫引擎，可有力地減小應用程序管理數(shù)據(jù)的開銷。具體的移植過程：
    1)在Sqlite的官網(wǎng)下載linux版本的Sqlite3．6．23，解壓sqiite-amalgamation-3．6．23．tar．gz并進入sqlite-3．6．23目錄。
    2)mkdir build在sqlite3.6.23目錄內建立編譯文件夾并進入，Sqlite的編譯就在這個文件夾內進行。
    3)．．／configure--host=srm-linux--prefix=／usr／local／sqlite3選定編譯器為arm-linux-gcc，并指定安裝目錄為／usr／local／sqlite3，這個路徑是可以根據(jù)自己的需要進行修改。
    4)make &&make install安裝成后在sqfie3目錄下生成bin、include、lib三個文件夾，分別為可執(zhí)行文件，頭文件與庫文件，由于采用動態(tài)編譯，所以生成的庫是動態(tài)庫，將它們復制到系統(tǒng)的相應文件夾下。此時，就可以在目標板上運行sqlite3。
3．4 CGI程序的設計
    CGI定義Web服務器與用戶之間訪問與執(zhí)行程序的標準接口，它使瀏覽器和Web服務器之間具有交互性。圖4表明了本系統(tǒng)中瀏覽器、Web服務器和CGI程序之間的關系。

    當客戶通過瀏覽器訪問Web服務器時，瀏覽器與Web服務器建立TCP連接并發(fā)送HTTP請求，Web服務器收到HTTP請求后，分析請求內容，如果為靜態(tài)文檔請求，則直接返回該請求的結果，如果是CGI請求，則Web服務器把該請求通過環(huán)境變量、命令行參數(shù)或標準輸入的方式傳給指定的CGI程序，同時接管這個CGI程序的標準輸出，CGI程序進行相應的信息處理后，將處理結果以HTML形式的文件送到標準輸出，Web服務器在CGI程序輸出的內容上附加一些頭標信息和狀態(tài)行，然后把結果送回瀏覽器。[!--empirenews.page--]
3．5 系統(tǒng)軟件流程圖
    用戶通過HTML頁面監(jiān)控遠程設備包含2個流程：1)客戶端到服務器的數(shù)據(jù)通信?？蛻舳藢⒂脩舻牟僮鱾魉徒oWEB服務器，服務器再調用相應的CGI應用程序控制底層設備，實現(xiàn)設備監(jiān)控；2)服務器到客戶端的數(shù)據(jù)通信。即服務器把CGI程序對底層設備監(jiān)控的結果反饋給客戶端，供用戶瀏覽。
    一個CGI應用程序首先通過環(huán)境變量REQUEST-METHOD判斷客戶端發(fā)送的是哪一種數(shù)據(jù)請求。若是GET請求，則通過環(huán)境變量QUERY-STRING獲取數(shù)據(jù)。若是POST請求，則通過標準輸入(stdin)獲取客戶端傳送的數(shù)據(jù)。使用CET方法發(fā)送HTML表單數(shù)據(jù)時，表單數(shù)據(jù)將作為查詢字符串傳送給CGI應用程序，而用POST方法發(fā)送表單數(shù)據(jù)時，表單數(shù)據(jù)通過C語言標準輸入(stdin)直接傳給CGI應用程序。CGI應用程序完成了相關的運算和對底層設備的操作之后，還應該將相應的執(zhí)行結果反饋給用戶。
    CGI應用程序通過WEB服務器將結果傳送給客戶端瀏覽器，使用戶直觀的看到操作的執(zhí)行結果。使用標準輸出(Printf)就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，WEB服務器得到這些輸出信息，以HTML網(wǎng)頁的形式反饋給客戶端瀏覽器。具體的操作流程如圖5所示。

4 案例實現(xiàn)
    目前Web技術中生成動態(tài)頁面的方法有CGI、PHP和服務器腳本(如JSP和ASP等)，但后兩者需要Web服務器具有這些腳本的運行支持模塊。在嵌入式Web服務器中，考慮到資源限制問題，一般都只提供CGl支持，因此在嵌入式設備中Web應用開發(fā)實際上就是基于CGI的程序開發(fā)。使用C語言編寫CGI程序，內嵌Html腳本，這樣當執(zhí)行CGI程序時，即可完成對硬件的操作，又可將操作結果顯示在網(wǎng)頁。CGI程序用getchar()等函數(shù)獲得用戶提交的數(shù)據(jù)。用pantf()函數(shù)負責輸出。執(zhí)行結果要以完整的Html文件格式輸出，比如一個CGI文件中的輸出語句如下：
   
    打開Web瀏覽器，在地址欄輸入Web服務器IP地址，先是身份驗證網(wǎng)頁，驗證后，顯示的監(jiān)控信息網(wǎng)頁如圖6所示。

5 結論
    在嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)中，基于嵌入式Linux平臺，利用嵌入式Web服務器和嵌入式數(shù)據(jù)庫對遠程設備進行操作和管理是嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文在嵌入式Linux平臺下使用Boa作為Web服務器，應用CGI技術實現(xiàn)的動態(tài)WebServer通用性強，可以穩(wěn)定、高效地在目標系統(tǒng)中運行，為網(wǎng)絡化遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的實施提供了技術保障。其不僅可以運用于溫室信息監(jiān)測，還可運用于其他環(huán)境監(jiān)測，能滿足信息采集擴展性、分布性、實時性的要求。