Web网络传感器的远程数据采集系统设计

摘要：在智能传感器的基础上结合了CGI和Java Applet技术，在μC／OS-II操作系统下将μIP协议嵌入到传感器的ROM中。利用传感器内嵌的Web服务器，用户可以通过浏览器对远程数据进行监测。该系统解决了因距离影响被监测区域数据的获取问题，实现了真正意义上的网络化监测。
关键词：Web网络传感器；远程数据采集；Java Applet；CGI

引言
    随着网络技术和嵌入式技术的发展，将嵌入式系统与Internet相结合对系统进行数据、图像监控和管理，成为重要研究方向之一。嵌入式Web网络传感器技术是传感器、嵌入式、分布式信息处理和Internet等相关技术交叉结合的技术，它是在智能传感器的基础上把TCP／IP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现成智能服务器的ROM中，利用传感器内建的Web服务器，用户可以通过浏览器采集远程监控对象的信息。

1 Web网络传感器数据采集系统工作原理
    用户通过浏览器访问Web服务器上的数据，将远程采集到的数据实时显示到Internet网页上。用户需要实时看到数据的变化，而HTML网页通常只能是静态的数据，为此在Web服务器上应用动态网页技术是必要的。动态网页的实现技术有CGI和HTML脚本嵌入技术(如ASr、PHP、JSP等)，由于网络传感器嵌入式系统采用的是单片机来实现，其资源有限，为此采用CGI技术来实现动态网页。
1．1 CGI原理
    CGI(Common Gateway Interface，公共网关接口)提供给Web服务器一个外部程序的通道，实现处理器与浏览器之间的通信。CGI是一种接口规范，可以处理客户端(一般是浏览器)输入的数据，完成浏览器和服务器之间的交互操作。CGI是运行在Web服务器上的程序，由浏览器的输入触发，是服务器和系统中其他程序的桥梁。CGI程序属于一个外部程序，是运行在服务器端的一个可执行文件。
    CGI程序的工作原理示意图如图1所示。

    客户端的Web浏览器浏览到某个主页后，利用一定的方式提交数据，并通过HTTP协议向Web服务器发出请求。服务器端的HTTP Daemon(守护进程)将描述的主页信息通过标准输入(STDIN)和环境变量(environment variable)传递给主页指定的CGI程序，并启动此应用程序进行处理(包括对数据库的处理)。处理结果通过标准输出(STDOUT)返回给HTTP Daemon，再通过HTTP协议返回给客户端的浏览器，由浏览器负责解释执行，将最终的结果显示给用户。

1．2 基于CGI的数据采集流程
    CGI的数据采集流程如图2所示。当用CGI实现远程传感器温度数据采集时，CGI程序可以通过直接访问硬件或调用驱动程序的方式获得数据。当数据采集完毕后，CGI程序将数据组织成HTTP流并发送到Web服务器上，由Web服务器负责送到客户端。

2 实时数据采集技术
2．1 连续数据采集的实现方法
    由于HTTP是基于请求／响应模式的，客户端和服务端进行一次交互时，开始于客户提出的一个请求，并在服务器给出响应后结束。而一次交互只能得到一组数据，那么如何实现连续的数据采集呢? 一般有两种方法：即客户端牵引和建立TCP连接。
    客户端牵引就是在网页中插入定时刷新功能，它的数量级为s，可以使用户看到数据的变化，但不能满足强实时性的要求，而且其中会漏掉一些中间的数据。
    建立TCP连接就是通过在网页中嵌入ActiveX控件或Java Applet小程序来增强客户机的功能。其中，ActiveX控件只能在windows环境下运行，而Java Applet通用性强，可以实现跨平台操作。所以本系统采用Java Applet来进行远程数据的实时采集。
2．2 Java Applet
    Applet是用Java编写的，含有可视化内容的，并被嵌入Web页面中用来产生特殊页面效果的小程序，经常被用于增加网页多媒体效果，并使网页产生互动功能。
    当用户访问带有Java Applet的网页时，Applet被下载到用户计算机上执行，但前提是用户使用的是支持Java的网络浏览器。由于Applet是在用户计算机上执行的，因此它的执行速度是不受网络宽带或者MODEM存取速度的限制，用户可以更好地查看网页上Applet产生的多媒体效果。
    Applet必须将HTML的<applet>和<／applet>一对标记或者<object><／object>嵌入到Web网页中，使用浏览器才能运行。在IE中用<obje-ct>标签取代<applet>标签，在Netscape 4使用<embed>标签取代<applet>，但是<object>和<embed>都必须遵循Java Plug-in中的格式。

3 实时数据采集的具体实现
3．1 硬件实现
    嵌入式Web网络传感器的数据采集系统的硬件结构如图3所示。

    ADuC832是ADI公司推出的混合信号单片微控制器，是真正意义上完整的数据采集系统芯片，是集数据转换电路、微控制器、闪存于一体的数据采集系统。它的主要特性有：8通道模拟I／O，247 ksps、12位ADC，2个12位(单调的)电压输出DAC片内温度传感器；62 KB片内闪速／电擦除程序存储器，4 KB片内闪速／电擦除数据存储器，2 304字节的片内数据RAM。
    主芯片通过74LS138译码器来进行片选外部数据存储器KM62256，或者网卡控制器RTL8019AS。通过74HC573地址锁存器进行当前地址的锁存，使得输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号到来时才改变，也是为了实现地址的复用。
    在主电路上主要设计了一个信号输入接口，用来接工业现场的4～20 mA信号的变送器；设计了一个RJ45的网口接口，通过网口可以直接接到Internet上，进行现场数据的上传和共享；还设计了RS485接口和RS232接口，作为工业现场特殊情况下的数据接入和处理。
    现场传感器将采集的4～20 mA信号传送给信号调理板，将其信号转换为0～2．5 V的电压信号，然后通过ADuC832转换为数字量，再通过程序转换为相应的温度值，实时地将温度值显示在嵌有Java Applet的网页上。
3．2 软件实现
3．2．1 操作系统和协议栈的选用
    在嵌入式Web服务器上，选用μC／OS-II作为嵌入式实时操作系统。它是一个可移植、可固化、可裁剪、抢占式的实时操作系统，比传统的前后台程序可靠性更高，效率更高。
    TCP／IP是个协议簇，是诸多开放的协议的集合，但是单片机是个小型的微处理器，内部资源有限，因此必须要对协议进行裁剪。本系统采用精简的小型TCP／IP协议栈——μIP协议栈。μIP协议代码中包括了一些基本的通信协议：ARP协议、IP协议、ICMP协议和TCP协议，UDP协议、HTTP协议、Telnet协议、SMTP协议等。其中，ARP、IP、ICMP、TCP这4个协议就能实现网络连接和通信的最基本的功能，同时还能实现CGI技术。其应用层就是HTTP协议，采集数据嵌入在Web服务器网页中以网页的形式发布到Internet。
    对于μC／OS-II和μIP的移植，详见参考文献。整个系统的软件结构如图4所示。

3．2．2 Java Applet嵌入网页的实现
    应用Applet实现嵌入式Web传感器实时监控程序RealtimeMonitor．java，主要结构如下：
  
    其中，192．168．11．30是嵌入式Web服务器的IP地址，data．txt是传感器经处理器处理后的数据，“wly．sleep(1000)；”表示设置采集的时间间隔为1s。
    通过JDK软件包，使用命令javac RealtimeMonitor．java将Java程序编译成RealtimeMonitor．class，然后使用“<appletcode=Real-timeMonitor width=400 height=600><／applet>”嵌入到HTML网页中。
    最后，在已加载μC／OS-II和μIP程序的Web服务器上添加嵌入Applet的Monitotor．html网页，将Monitor．html网页的文本转换成十六进制代码，放置在μIP的fsdata．c文件中并嵌入到处理的ROM中，通过Keil将所有程序编译生成HEX文件，下载到嵌入式Web处理器里。
    打开浏览器输入IP地址192．168．11．30，访问嵌入式Web服务器上的采集数据。网络传感器实时数据采集结果如图5所示。

结语
    本文介绍了Web服务器的工作原理，将CGI和Java Applet技术内嵌在嵌入式服务器上，通过客户端的浏览器可以实现嵌入式Web网络传感器的实时数据采集，节约了诸多的硬件资源和人力资源，使得对远程数据自动采集变得更加具有通用性，同时可以适合任何内建嵌入式Web网络传感器，具有一定的现实意义。