基于嵌入式Web服务器的远程控制系统的实现

摘要：为解决在小型工农业生产及恶劣环境下实现对设备远程控制的问题，设计了基于嵌入式Web服务器的远程控制系统。该系统硬件设计采用RISC型32位微处理器S3C4480X，以太网控制器RTL8019AS，2 MB的NOR nash及8 MB的SDRAM。通过配置μClinux嵌入式操作系统及BOA服务器构建了基于嵌入式的Web服务器。通过编写设备驱动程序和服务器CGI程序实现对Web网页的交互访问。测试结果表明：嵌入式Web服务器控制设备不受距离和环境限制，实现对设备远程控制。
关键词：嵌入式系统；BOA服务器；Web服务器；公共网关接口(CGI)；远程控制

    随着计算机技术和网络通信技术的飞速发展，人们日常生活和工业生产等方面对基于以太网进行远程通信和控制的要求日益强烈。目前市场上虽已有成熟的Web服务器可供远程控制系统选择，但多是基于通用计算机或专用服务器，体积及成本不适合小型控制系统，尤其是在一些环境恶劣，不易值守或无法安装计算机控制系统的场所。如今嵌入式技术发展迅速，嵌入式处理器的性能不断提高，基于嵌入式的控制系统得到广泛应用。考虑到嵌入式系统高性能、低成本、低功耗等诸多特点，这里通过32位嵌入式处理器和以太网控制器构建了嵌入式Web服务器，实现设备远程控制。

1 远程控制系统的硬件结构
    基于嵌入式Web服务器的远程控制系统主要由嵌入式Web服务器以及被控制的现场设备组成。服务器通过交换机或调制解调器与Intemet互联网连接，用户端只需在已联网的计算机上通过网页浏览器访问该远程服务器的IP地址，即可使用该服务器并实现对设备的远程控制。远程控制系统的结构如图1所示。

    该嵌入式web服务器采用三星公司的S3C44B0X器件作为整个系统的处理器，该器件是以ARM7TDMI为内核的RISC处理器，是一种性价比较高的嵌入式32位处理器。网络控制部分选用Realtek公司的RTL8019AS作为以太网控制器，系统的Flash选用AMD公司的容量为2MB，NOR Flash型AM29LVl60存储器，SDRAM选用现代公司的容量为8 MB的HY57V641620HGT存储器。图2为该硬件系统设计框图。

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2 远程控制系统的软件结构
    系统软件主要包括操作系统的选取、网页服务器的配置、网页的编辑、驱动程序和服务器应用程序的配置移植，软件层次如图3所示。
    由于该处理器不具有MMU(存储器管理单元)且需要完备以太网协议构建网页服务器，故选择开源的嵌入式μClinux操作系统。该操作系统从Linux2．o．发展而来，专门应用于不具备MMU的微控制系统。该操作系统提供了3个Web服务器：httpd，Thttpd和BOA。其中功能最简单的是httpd．不支持认证、CGI。Thttpd和BOA服务器都支持认证、CGI(Common Gateway Interface，公共网关接口)等，但由于Thttpd服务器需要的资源比BOA大得多，故该系统最终采用BOA服务器作为远程控制的网页服务器。
2．1 BOA服务器的配置
    BOA是一个单任务的http服务器，安全性高、源代码开放、性能高。在μClinux的发行版中，在主目录下的user目录里，有BOA服务器的目录，在example子目录中，有2个文件boa．conf和mime．types，这里需要修改配置boa．conf文件，它是BOA服务器的参数配置文件，配置如下：
   

    另外该系统将src目录下的defines．h头文件SERVER_ROOT宏定义设置为home目录，即服务器目录，配置操作系统时，boa．conf和mime-．typs都必须复制到此服务器目录下，从而完成服务器的配置。
2．2 服务器与客户端动态交互的实现
    在动态网页交互设计中，主要有CGI(Common Gateway Interface)，PHP(Personal Home Page)，ASP(Active Server Page)和JSP(Java Server Page)4种技术。在Linux下实现动态网页通常选择CGI技术。CGI称为公共网关接口，是一段运行于服务器上的程序，可以将客户端浏览器递交的信息传递给服务器，服务器则会启动对应CGI程序去执行，最终可将结果再反馈给客户端。CGI程序的编写可以采用任何编程语言，只要这种语言具有标准输入、输出和环境变量。由于C语言具有较强的平台无关性，因此该系统采用C语言来编写CGI程序。
    动态网页是通过网页内嵌表单的方式进行信息传递的。该系统首先采用网页编辑软件Dreamweaver编辑登陆界面index．html及远程控制界面remote．html。在编辑表单选项时由action属性指向相应CGI程序路径，由method属性决定提交数据的方式是GET方式还是POST方式。客户端传送到服务器的数据采用URL编码的方式传送，例如参数采用name=value的形式，每对之间用”＆”连接。特殊字符用”％”加一个十六进制数字编码，输入的空格用”+”来表示等，所以服务器端的CGI在接收数据时需经过解码操作。
    环境变量在CGI程序设计中很重要，客户端和服务器端都将信息存储在某些变量中，环境变量有3类：与服务器相关的环境变量、与客户端相关的环境变量以及与请求相关的环境变量。其中最常用的环境变量有REQUEST_METHOD记录请求方式，QUERY_STRING存储传递的数据，CO-NTENT_LENGTH传递数据的长度。
    编程时先创建数据结构entry，用来记录要使用的变量和变量名。
   
    当采用GET方式传递信息时，可使用如下代码获得传输的数据：
   
    当采用POST方法传递信息时，可使用如下代码获得传输的数据：
    
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2．3 驱动程序和应用程序设计
    设备驱动程序是系统内核和机器硬件之间的接口，它为应用程序屏蔽了硬件的细节，在应用程序看来，硬件设备已抽象为设备文件，可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。Linux操作系统下的设备分为3类：字符设备、块设备和网络接口。应用程序在系统中是不能直接访问硬件地址的，因此应用程序对具体设备的操作必须通过设备驱动程序来实现。本例通过编写对应端口的驱动程序，实现了对端口的输入输出设置，以及输出高低电平的系统调用接口。在目录／μClinux-dist／linux-2．4．x／drivers／char下创建驱动源文件port．c和驱动头文件polt．h。编写端口的驱动程序最重要的是编写port_ioctl接口调用函数，其中定义了实现功能的所有命令，以供应用程序调用。
    设备驱动程序加入系统有2种方式，一种是直接编入内核中，另一种是以模块的方式灵活添加。由于本例较简单，所以直接编入内核中。通过在当前目录下的Makefile管理文件和Config．in配置文件添加相应项，并在vendor／Samsung／44BO／目录下的Makefile中device部分添加port,c，126,0，使系统启动时即注册设备。
    编写CGI应用程序时，只需打开相应的设备文件，就可通过调用驱动中的命令控制接口实现对端口的控制。

    
    然后可通过ioctl系统调用实现对端口的控制，程序结束时再调用close(fd)关闭设备。
    在配置BOA服务器时，这里设定CGI程序的目录是／home／www／cgi-bin／目录，使用交叉编译工具生成CGI程序并放入此目录下，然后对整个操作系统内核进行配置裁剪，最终生成的系统镜像中就可以包含编写的程序功能，实现对设备的远程控制。图4为远程控制界面。

    通过测试该远程控制系统，实现了对外部设备的远程控制，只需对CGI程序进行适当修改即可实现较复杂系统的控制。

3 结束语
    随着计算机、通信、嵌入式和互联网等技术的飞速发展，传统基于现场总线的控制系统已不能满足远程控制的要求，而基于以太网的控制系统正逐渐成为远程控制的首选。本文利用ARM内核的32位处理器及以太网控制器搭建硬件平台，移植了μClinux嵌入式操作系统，配置了BOA服务器，通过编写设备驱动程序和CGI程序，实现了远程控制系统，具有广阔的应用前景。