嵌入式Web技術(shù)在智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：探討了基于Linux的嵌入式Web Server系統(tǒng)在溫室設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。提出一種基于嵌入式和Web技術(shù)的溫室設(shè)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(shè)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(shè)備的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用和推廣價值。
關(guān)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(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，通過計算機綜合控制，在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，調(diào)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(zhì)、增加經(jīng)濟效益的目的。嵌入式系統(tǒng)與Intemet技術(shù)的結(jié)合是當(dāng)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(nèi)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控與管理，通過Internet實現(xiàn)對設(shè)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(shù)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)以嵌入式處理器作為上位機，通過構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器，借助CGI(Common Gateway Interface)技術(shù)控制中心與嵌入式Web服務(wù)器端之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交互，來滿足嵌入式設(shè)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(shè)備的遠程訪問、監(jiān)控和維護等操作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    本設(shè)計基于ARM9開發(fā)平臺，構(gòu)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(wù)器對設(shè)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(diào)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(luò)監(jiān)控系統(tǒng)分客戶端主機和現(xiàn)場嵌入Web服務(wù)器智能監(jiān)控設(shè)備兩部分，監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    客戶端主機通過瀏覽器與Web服務(wù)器交互式處理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備的遠程監(jiān)控。其中嵌入式Web服務(wù)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(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，通過CGI技術(shù)，管理人員通過網(wǎng)絡(luò)便可了解溫室內(nèi)環(huán)境情況。系統(tǒng)采用Boa作為嵌入式Web服務(wù)器，負(fù)責(zé)監(jiān)控、接收和分析用戶請求，傳送靜態(tài)頁面和調(diào)用后臺CGI(Common Gate Interface)程序。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

    系統(tǒng)配置有內(nèi)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(shè)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(shè)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(yīng)的設(shè)備。[!--empirenews.page--]

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

    網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序由嵌入式Web服務(wù)器和CGI腳本程序兩部分組成：服務(wù)器通過監(jiān)聽80端口，監(jiān)聽來自網(wǎng)絡(luò)的用戶請求，如有用戶請求，則啟動相應(yīng)的CGI腳本程序，將請求信息轉(zhuǎn)化為服務(wù)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?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)化為Web瀏覽器能夠識別的格式，作為HTTP應(yīng)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(shè)備相關(guān)信息及查詢設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，支持多線程、多任務(wù)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(luò)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(wù)，同時還可以通過應(yīng)用程序向其他系統(tǒng)提供服務(wù)。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(wù)器，即Boa，能夠?qū)崿F(xiàn)HTTP1．1協(xié)議的基本內(nèi)容，支持CGI，支持認(rèn)證，是一個單任務(wù)的HTTP服務(wù)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(diào)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(yīng)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(nèi)建立編譯文件夾并進入，Sqlite的編譯就在這個文件夾內(nèi)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(fù)制到系統(tǒng)的相應(yīng)文件夾下。此時，就可以在目標(biāo)板上運行sqlite3。
3．4 CGI程序的設(shè)計
    CGI定義Web服務(wù)器與用戶之間訪問與執(zhí)行程序的標(biāo)準(zhǔn)接口，它使瀏覽器和Web服務(wù)器之間具有交互性。圖4表明了本系統(tǒng)中瀏覽器、Web服務(wù)器和CGI程序之間的關(guān)系。

    當(dāng)客戶通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器時，瀏覽器與Web服務(wù)器建立TCP連接并發(fā)送HTTP請求，Web服務(wù)器收到HTTP請求后，分析請求內(nèi)容，如果為靜態(tài)文檔請求，則直接返回該請求的結(jié)果，如果是CGI請求，則Web服務(wù)器把該請求通過環(huán)境變量、命令行參數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)輸入的方式傳給指定的CGI程序，同時接管這個CGI程序的標(biāo)準(zhǔn)輸出，CGI程序進行相應(yīng)的信息處理后，將處理結(jié)果以HTML形式的文件送到標(biāo)準(zhǔn)輸出，Web服務(wù)器在CGI程序輸出的內(nèi)容上附加一些頭標(biāo)信息和狀態(tài)行，然后把結(jié)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(shè)備包含2個流程：1)客戶端到服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信?？蛻舳藢⒂脩舻牟僮鱾魉徒oWEB服務(wù)器，服務(wù)器再調(diào)用相應(yīng)的CGI應(yīng)用程序控制底層設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控；2)服務(wù)器到客戶端的數(shù)據(jù)通信。即服務(wù)器把CGI程序?qū)Φ讓釉O(shè)備監(jiān)控的結(jié)果反饋給客戶端，供用戶瀏覽。
    一個CGI應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)輸入(stdin)直接傳給CGI應(yīng)用程序。CGI應(yīng)用程序完成了相關(guān)的運算和對底層設(shè)備的操作之后，還應(yīng)該將相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶。
    CGI應(yīng)用程序通過WEB服務(wù)器將結(jié)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(jié)果。使用標(biāo)準(zhǔn)輸出(Printf)就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，WEB服務(wù)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(shù)中生成動態(tài)頁面的方法有CGI、PHP和服務(wù)器腳本(如JSP和ASP等)，但后兩者需要Web服務(wù)器具有這些腳本的運行支持模塊。在嵌入式Web服務(wù)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(shè)備中Web應(yīng)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(nèi)嵌Html腳本，這樣當(dāng)執(zhí)行CGI程序時，即可完成對硬件的操作，又可將操作結(jié)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(fù)責(zé)輸出。執(zhí)行結(jié)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(wù)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(jié)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(wù)器和嵌入式數(shù)據(jù)庫對遠程設(shè)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(wù)器，應(yīng)用CGI技術(shù)實現(xiàn)的動態(tài)WebServer通用性強，可以穩(wěn)定、高效地在目標(biāo)系統(tǒng)中運行，為網(wǎng)絡(luò)化遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的實施提供了技術(shù)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。