一种嵌入式网络技术远程监控系统的研究与实现

　　摘  要： 基于嵌入式网络技术，研究并实现了一种用于嵌入式设备的监控系统。该系统采用客户端/服务器架构，通过在嵌入式设备中内建一个嵌入式Web服务器，可使得相应的嵌入式设备直接接入Internet。同时用户可使用标准的网络浏览器，通过网络对此设备进行访问、控制和管理。

　　随着Internet的广泛普及和通信技术的高速发展，大量基于TCP/IP的Internet应用可以被部署在嵌入式平台之上，同时各种嵌入式设备可以和PC机一样连入网络之中。一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY 智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。

　　本文详细论述了一种通过嵌入式互联网技术控制在线嵌入式设备的远程监控系统。本系统采用了客户端/服务器（C/S）模式。将EWS安装到设备中，从而使得嵌入式设备可以通过Internet互联，同时可提供网络管理页面，使用户可用标准的网络浏览器对众多设备进行在线远程访问、控制和管理，将时间与距离的限制降到。

　　1 控制系统架构

　　微处理器（MPU）和微控制器（MCU）用于嵌入式设备的监视和控制，成为嵌入式系统的。为了在不同的MPU/MCU间相互通信，许多工业项目采用RS-232、RS-485及CAN等通信标准，但这些途径的通信速度和距离都有较大局限性，若要将其与Internet互联需要特殊的嵌入式网关的支持，给实际使用造成很大的不便。EI是一种用于嵌入式设备接入Internet的互联技术，它可使嵌入式设备方便可靠地接入Internet中。

　　微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相比，具有体积小，重量轻和容易模块化等优点。微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线。微控制器基于CISC架构的微控制器除了80C51外，还包括Motorola提供的68HC系列微控制器，这也是大量应用的微控制器系列。基于RISC架构的微控制器则包括Microchip的PIC系列8位微控制器等。在16位RISC架构的微控制器中，Maxim公司推出的MAXQ系列微控制器以其高性能、低功耗和卓越的代码执行效率，成为许多需要高混合信号处理以及便携式系统和电池供电系统的理想选择。

　　为了使嵌入式设备可以连接到Internet并让用户通过标准的Web浏览器对其进行操作，EI的关键技术在于使嵌入式设备可以支持HTTP服务并具有Web服务器的功能。对于网络用户而言，EWS提供了一个基于Web的图形界面，以便于其对接入Internet的多种嵌入式设备进行统一的标准化管理，而不再需要特殊的专用协议和管理软件。监控系统的架构如图1所示。

　　在本系统中，EWS内嵌于设备中并通过串口连接设备，每个设备都具有自身的IP地址，经内部EWS由RJ-45接口接入本地局域网（LAN）中（本实验中，LAN为以太网）。一方面EWS读取设备状态信息并将其发送给本地或远程用户；另一方面则接收控制指令并发送给设备。而更大范围的广局网通信则可通过Internet或移动通信网络实现。

　　2 EWS的设计与实现

　　2.1 软件架构

　　本系统采用浏览器/服务器的结构实现，其中包括两部分——网络浏览器与EWS，EWS通过嵌入式网络技术实现其功能。在实际应用中，EWS被配置在嵌入式设备中，作为设备的一部分而存在，这使得该设备无需更多改动或配置即可直接接入网络。与此同时EWS还内建了TCP/IP协议栈、嵌入式文件系统、设备网关及硬件接口等组件，其基本架构如图2所示。

　　当本系统工作时，首先EWS接收到来自局域网的客户端基于网址的请求并回应该请求。通过回应事先配置好并存放在嵌入式文件系统中的监控网页界面，用户可通过标准的浏览器向远端设备发送指令。该指令经由互联网传送后被设备网关接收，设备网关将其翻译为专用指令并进一步传递给硬件设备本身。与此同时，设备数据或信号也被传输给远程客户端以供用户查看。

　　2.2 简化TCP/IP协议栈

　　嵌入式互联网技术有效地解决了嵌入式设备接入因特网的问题，使得这些设备可通过普通的浏览器进行远程访问和控制，如何将TCP/IP协议栈内嵌到设备中是解决问题的关键所在。若直接将传统的TCP/IP协议栈接入设备，则大部分运算时间和系统资源都将被占用，这对系统的整体性能影响很大。为了解决此矛盾，在设计该监控系统时根据具体情况选用了成熟的LWIP协议栈以实现网络功能，同时限度地减少系统资源消耗并提高了可靠性。

　　lwip是瑞典计算机科学院的一个开源的TCP/IP协议栈实现。lwIP是TCP/IP协议栈的一个实现。lwIP协议栈主要关注的是怎么样减少内存的使用和代码的大小，这样就可以让lwIP适用于资源有限的小型平台例如嵌入式系统。为了简化处理过程和内存要求，lwIP对API进行了裁减，可以不需要复制一些数据。LwIP是Light Weight （轻型）IP协议，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用，一般它只需要几百字节的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。 其主要特点有：

　　（1）支持多网络接口下的IP转发。

　　（2）支持网间控制报文协议ICMP。

　　（3）包含有实验性扩展的用户数据报协议UDP。

　　（4）包括阻塞控制、RTT估算和快速恢复及快速转发的传输控制协议TCP。

　　（5）具有专门提供的内部回调应用编程接口Raw API，可用于提高应用程序性能。

　　（6）带有可选择的Berkeley接口API；能支持动态主机配置协议和动态分配IP地址。

　　LWIP协议栈的内部分层结构如图3所示。经分析和实际测试，该协议栈可在16位MCU顺利运行并可满足本监控系统的全部功能需求。

　　2.3 嵌入式文件系统

　　在实际工作时，根据客户端浏览器的请求，EWS将相应的管理页面发送至客户端。因此对于本系统来说，必需要实现对这些页面文件的存储和访问管理，为此在本系统中内建了一个嵌入式文件系统以便于对Flash中的页面文件及其他数据进行管理和访问控制。

　　当本监控系统的文件需要进行较大的变更时，可通过TFTP协议对文件系统进行重构。虽然这种文件系统的结构和功能比较简单，但可满足绝大多数情况下嵌入式互联网的需求，即频繁地文件访问和较少地文件变更。

　　3 实际应用和测试

　　本监控系统已在无线电信号监测项目中得到应用，其硬件平台为远程无人监测站，通过Internet网络接收用户指令并将监测数据上传。在这个项目中，测量仪器通过本监控系统中的EWS接入互联网中，测量仪器本机采用Megatec协议。远程用户指令由EWS翻译成Megatec协议格式再交由仪器执行，同时将监测数据回传给客户端。从功能上来说，客户可执行如下操作：

　　（1）实时或定时获取远程无人站的测量数据。

　　（2）实时监控远程无人站的状态和参数。

　　（3）对远程无人站的运行参数进行配置，以便于满足预定的或突发状态的需求。

　　本项目中的主监控界面如图4所示。

　　本文研究并实现了一种基于EI的远程监控系统。该系统采用客户端/服务器的结构。通过在嵌入式设备中内建一个嵌入式Web服务器，本监控系统可使嵌入式设备直接接入Internet，同时用户可使用标准的网络浏览器对嵌入式设备进行远程管理和控制。其设计功能全部得以实现。实际测量数据显示本监控系统的数据响应时延为毫秒级，此项指标可以满足绝大多数远程监控项目的需求。