基于嵌入式Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、基于嵌入式Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘 要：本文結(jié)合機(jī)房環(huán)境設(shè)備的管理需要，分析了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點，提出基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路、體系架構(gòu)方法，并對基于OPC技術(shù)的互聯(lián)與基于嵌入式Web服務(wù)器的互聯(lián)作了簡要對比。文章結(jié)合CGI程序的設(shè)計，著重探討了嵌入式Web服務(wù)器的實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：嵌入式平臺，Web服務(wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)控，CGI程序引言 隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，計算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)量與日俱增，計算機(jī)機(jī)房已成為各大型單位的信息樞紐。機(jī)房中的環(huán)境設(shè)備（如空調(diào)、UPS電源、配電柜、消防設(shè)備等）為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全運行提供了環(huán)境保障。同時，環(huán)境設(shè)備自身的安全運行，也成為機(jī)房管理的重要內(nèi)容之

2、一。一旦機(jī)房的環(huán)境設(shè)備出現(xiàn)故障，就會直接影響計算機(jī)系統(tǒng)的正常運行，嚴(yán)重的還會造成機(jī)房內(nèi)的相關(guān)設(shè)備損壞，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓1。因此，對機(jī)房環(huán)境設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，是保證機(jī)房設(shè)備安全運行的關(guān)鍵措施。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析 對機(jī)房環(huán)境設(shè)備的監(jiān)控主要涉及以下幾個方面的內(nèi)容：對配電系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視；對機(jī)房的溫濕度、生活用水和供暖制冷系統(tǒng)漏水情況等進(jìn)行監(jiān)測、報警，以及對門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、保安系統(tǒng)等的管理。由于這些環(huán)境設(shè)備是連續(xù)工作的，因此要求監(jiān)控系統(tǒng)也必須是長時間連續(xù)工作的。這樣就對系統(tǒng)設(shè)計的可靠性、安全性、可維護(hù)性等方面提出了更高的要求1，具體表現(xiàn)在以下幾個方面： 高

3、可靠性。要求監(jiān)控系統(tǒng)可長時間不間斷運行，無故障運行時間要長，且系統(tǒng)的維護(hù)快速簡便。 高安全性。系統(tǒng)應(yīng)能夠提供多種安全保護(hù)措施，對異常狀態(tài)進(jìn)行分析、記錄、及時報警，以便讓管理人員能夠盡快了解所發(fā)生的情況并及時處理。 較強(qiáng)的實時性。監(jiān)控系統(tǒng)對信息的傳輸要及時，不能有過大的延時，否則難以及時跟蹤被監(jiān)控對象的當(dāng)前狀況。 易用性和易維護(hù)性。機(jī)房環(huán)境設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)以GUI的方式提供良好的人機(jī)界面，便于人機(jī)交互。同時，監(jiān)控系統(tǒng)要有通用性和靈活性，即可以在對系統(tǒng)進(jìn)行少量修改或擴(kuò)充就可增加新的監(jiān)控項目，擴(kuò)充監(jiān)測點數(shù)，以滿足新的監(jiān)控要求。 豐富的系統(tǒng)功能。要求監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠提供一般的報警功能，對采集的當(dāng)前數(shù)據(jù)

4、進(jìn)行記錄且保存歷史數(shù)據(jù)，并以圖形方式對環(huán)境設(shè)備運行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行直觀顯示。 實施監(jiān)控的主要方法，即是在現(xiàn)場控制器的控制之下，實時地采集數(shù)據(jù)并與預(yù)設(shè)的值進(jìn)行比較，如果超出相應(yīng)的閥值則給出報警，以提示有關(guān)人員進(jìn)行相應(yīng)處理。根據(jù)對環(huán)境設(shè)備監(jiān)控的位置不同，可把監(jiān)控系統(tǒng)分為本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩大類。本地監(jiān)控方式往往需要派人長期現(xiàn)場值守，管理成本較高；而借助于公共的Internet或企業(yè)內(nèi)部的Intranet網(wǎng)絡(luò)實施遠(yuǎn)程監(jiān)控則可做到無人值守，從而大幅度地節(jié)約管理成本、提高機(jī)房管理水平和效率，因此成為監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 基于對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)重點考慮如下幾種因

5、素：首先，要考慮現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)的互聯(lián)問題。由于被監(jiān)控對象的信號種類較多，所采用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)各異，因此不同總線標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換以及現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的互聯(lián)是系統(tǒng)設(shè)計時需要重點考慮的問題2。其次，實時性要求是遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)區(qū)別于普通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本特征。如果監(jiān)控系統(tǒng)的實時性得不到保障，現(xiàn)場監(jiān)控就失去了實用價值。第三，為滿足監(jiān)控系統(tǒng)的高可靠性要求，應(yīng)分別對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計。第四，根據(jù)遠(yuǎn)程連接方式不同，應(yīng)采用不同的安全措施以保證信息的安全傳輸。3.1監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計 監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能主要包括：現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集、發(fā)送和顯示；對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲；對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進(jìn)行分析

6、、判斷和報警；提供多種業(yè)務(wù)支持功能。3.1.1實時數(shù)據(jù)采集 實時數(shù)據(jù)采集是實施系統(tǒng)監(jiān)控的基礎(chǔ)。在環(huán)境設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)中，需要實時采集的數(shù)據(jù)主要包括高低壓配電系統(tǒng)及UPS電源的電壓、電流、電源開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)，空調(diào)機(jī)的冷熱水溫度、流量、送風(fēng)量、送風(fēng)溫度、新風(fēng)量等狀態(tài)參數(shù)，以及機(jī)房內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、水浸、煙感、門禁等）。不同的參數(shù)采用的總線標(biāo)準(zhǔn)不同（如RS232/485總線、Lonworks總線），只有把它們統(tǒng)一到TCP/IP協(xié)議上，才能實現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)控。3.1.2報警功能 報警是監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能之一。監(jiān)控系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，如果發(fā)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)超限、數(shù)據(jù)異常，則說明環(huán)

7、境設(shè)備出現(xiàn)異常情況，此時應(yīng)發(fā)出相應(yīng)報警。設(shè)計報警功能時，需要考慮被監(jiān)控對象的自身特性、優(yōu)先級別等因素，對多個報警信號進(jìn)行加權(quán)處理，以保證系統(tǒng)的所有重要報警都能被及時處理。3.1.3多種業(yè)務(wù)支持功能 靈活的查詢和豐富的報表功能是對監(jiān)控系統(tǒng)基本功能的擴(kuò)展。通過對設(shè)備運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從不同角度向管理者提供設(shè)備運行和維護(hù)信息，為設(shè)備的維護(hù)、大修、更新、改造等質(zhì)量管理提供可靠依據(jù)。3.2監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備（可以為多個設(shè)備）、本地Web服務(wù)器和遠(yuǎn)端監(jiān)控主機(jī)三部分構(gòu)成3。Web服務(wù)器通過現(xiàn)場總線與本地數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接相連，并負(fù)責(zé)把本地傳感器采集到的數(shù)

8、據(jù)進(jìn)行簡單處理，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控主機(jī)上，從而為實現(xiàn)無人值守的管理方式創(chuàng)造條件。 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計時需要解決的關(guān)鍵問題，就是將不同類型的現(xiàn)場總線或控制網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)監(jiān)控信息的遠(yuǎn)程實時傳輸。目前，實施遠(yuǎn)程監(jiān)控主要有如下幾種方法：基于PSTN的傳統(tǒng)方法，即通過Modem連接異地的現(xiàn)場設(shè)備；基于OPC技術(shù)。采用支持多種現(xiàn)場總線規(guī)范的OPC Server，通過OPC 接口實現(xiàn)現(xiàn)場總線到Internet或Intranet網(wǎng)絡(luò)的無縫連接；基于嵌入式平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。在嵌入式平臺上完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集，通過現(xiàn)場總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)的互連，將Server端的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議提供

9、給遠(yuǎn)端的監(jiān)控主機(jī)（即Client端）；采用其它自定義方法實施遠(yuǎn)程監(jiān)控。3.2.1基于OPC的監(jiān)控系統(tǒng) OPC 是以O(shè)LE/COM/DCOM機(jī)制作為應(yīng)用程序級的通信標(biāo)準(zhǔn)，采用客戶/服務(wù)器模式，把開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以O(shè)PC服務(wù)器的形式向用戶提供通用的接口，解決了軟、硬件廠商之間的矛盾，提高了系統(tǒng)的開放性和互操作性4。基于OPC架構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，OPC DA Server為數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，OPC AE Server為報警服務(wù)器。OPC Server 提供多種接口規(guī)范，應(yīng)用程序和Web瀏覽器（即OPC Client）可以通過這些接口取得與OPC Serv

10、er相連的硬件設(shè)備信息，從而實現(xiàn)OPC Client通過以太網(wǎng)對OPC Server的訪問。同時OPC Server也可以將采集到的數(shù)據(jù)或報警信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端或Web瀏覽器端。 在基于OPC的體系架構(gòu)中，由于 COM/DCOM 已被視為網(wǎng)絡(luò)功能的具體實現(xiàn)方法，使得Client對OPC Server的遠(yuǎn)程訪問成為標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)訪問方式。但是OPC技術(shù)的缺點也是非常明顯的，由于LE/COM/DCOM機(jī)制是一個純軟件的架構(gòu)，對系統(tǒng)資源配置的要求高。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大或監(jiān)控點數(shù)較多時，系統(tǒng)的實時性將會明顯下降。3.2.2基于嵌入式平臺的監(jiān)控系統(tǒng) 實時監(jiān)控系統(tǒng)需要長時間不間斷地工作，對系統(tǒng)的可靠性和實時

11、性均有較高要求。為此必須從系統(tǒng)功能、體系架構(gòu)、軟硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性、設(shè)備功耗等方面進(jìn)行綜合考慮（例如選用工控級的產(chǎn)品），設(shè)計小型化的智能型監(jiān)控系統(tǒng)。而建立在RTOS之上的嵌入式系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、小型化提供了有效途徑，嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制已成為監(jiān)控系統(tǒng)未來發(fā)展的重點方向之一。 基于嵌入式平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，嵌入式Web服務(wù)器既是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的中心節(jié)點，也是控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)的網(wǎng)關(guān)，通過TCP/IP協(xié)議將其連接到以太網(wǎng)上，監(jiān)控主機(jī)則通過以太網(wǎng)（或Internet）在遠(yuǎn)程實時地監(jiān)視現(xiàn)場信號的動態(tài)變化，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目標(biāo)。對于能夠直接支持TCP/IP協(xié)議的現(xiàn)場檢測設(shè)備，則

12、可以將其直接連接到以太網(wǎng)上，圖中的液體泄漏檢測儀即是如此；對于采用其他總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場設(shè)備，則需要通過嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換之后把現(xiàn)場總線連接到以太網(wǎng)上。圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計 在基于嵌入式平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控系統(tǒng)的中心節(jié)點主要承擔(dān)兩方面的任務(wù)：一方面負(fù)責(zé)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，即Web服務(wù)器以定時巡檢的方式通過現(xiàn)場總線對傳感器的信號進(jìn)行采集；另一方面負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換，把現(xiàn)場總線來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議的格式，通過以太網(wǎng)將其發(fā)送到遠(yuǎn)端的監(jiān)控主機(jī)上。在本設(shè)計中實現(xiàn)了從RS232、RS485到TCP/IP協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。4.1開發(fā)環(huán)境簡介 考慮到系統(tǒng)開發(fā)的簡便

13、性，本方案選用uCLinux操作系統(tǒng)平臺作為系統(tǒng)的OS環(huán)境，輔助開發(fā)工具選用MiceTek公司的HiTool。嵌入式Web服務(wù)器的硬件環(huán)境選用MiceTek公司的Samsung44B0X開發(fā)板，利用其豐富的接口功能，可實現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器與傳感器的直接連接。4.2 嵌入式Web服務(wù)器的硬件設(shè)計 嵌入式Web服務(wù)器硬件環(huán)境的自定義，是根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的需要，重新制作嵌入式系統(tǒng)的主板。該主板的CPU仍選用Samsung的S3C44B0X，1M的BootFlash，8M的SDRAM，并提供10M/100M的以太網(wǎng)端口，2個RS232接口和6個RS485接口。如果待檢測的參數(shù)較少，則選用一塊嵌入式Web

14、服務(wù)器主板即可；如果待檢測的參數(shù)較多，則可選用多個同樣的Web服務(wù)器主板，并對每個Web服務(wù)器進(jìn)行參數(shù)配置（設(shè)置不同的IP地址），構(gòu)成分布式的Web服務(wù)器。如果監(jiān)控系統(tǒng)要求存儲的數(shù)據(jù)量很大，則可以采取以下兩種方法加以解決：一是嵌入式Web服務(wù)器外接硬盤；另一種方法是外加一臺由工業(yè)控制級的服務(wù)器，對多臺嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一管理。4.3 嵌入式Web服務(wù)器的軟件實現(xiàn) 嵌入式Web服務(wù)器的軟件開發(fā)主要包括以下幾項內(nèi)容：首先，完成嵌入式操作系統(tǒng)的移植和TCP/IP協(xié)議的剪裁；第二，編寫數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理應(yīng)用子程序；第三，編寫遠(yuǎn)程通信子程序；第四，報警處理子程序；第五，數(shù)據(jù)查詢和報表生成子程序。這

15、些功能應(yīng)先在上述的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行初步實現(xiàn)之后，再移植到自定義的環(huán)境中。 由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限，因此對上述功能的實現(xiàn)應(yīng)盡量簡潔，例如對HTTP協(xié)議的移植，只需要保留基本的Get和Post方法即可，而Options、Head、Put、Delete和Trace方法在此可不考慮實現(xiàn)，因為對RAM（或EEPROM）中的數(shù)據(jù)存儲可以采用循環(huán)覆蓋的方式。 在此方案中，嵌入式Web服務(wù)器與Web瀏覽器及其他應(yīng)用程序之間的交互，可以通過調(diào)用CGI（Common Gateway Interface）程序來實現(xiàn)。CGI規(guī)定了Web服務(wù)器與瀏覽器及其他可執(zhí)行程序的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Web瀏覽器將請求信息發(fā)送給Web

16、服務(wù)器時，Web服務(wù)器觸發(fā)一個可執(zhí)行的CGI程序，該程序根據(jù)用戶請求的內(nèi)容做出相應(yīng)的處理，并將處理結(jié)果以Web服務(wù)器可識別的方式輸出，Web服務(wù)器再將該結(jié)果回送給Web瀏覽器5。 CGI程序中的信息傳遞是通過標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備stdin和標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備stdout來完成的。Web服務(wù)器在調(diào)用CGI程序之前，需要預(yù)先設(shè)置好所有的環(huán)境變量，以便把客戶的請求轉(zhuǎn)化為參數(shù)后存入環(huán)境變量，然后就可以調(diào)用CGI程序了。CGI程序根據(jù)不同的請求方法確定如何獲取客戶的請求內(nèi)容，而Web服務(wù)器則通過標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備stdin獲得客戶請求；對于CGI程序的輸出結(jié)果，Web服務(wù)器則是通過標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備stdout來獲得，Web服務(wù)器對其進(jìn)行語法分析之后，再傳送給客戶瀏覽器。至于CGI程序的實現(xiàn)，本方案選用C語言，以保證CGI程序的快速、高效和安全。結(jié)語 基于嵌入式平臺的監(jiān)控系統(tǒng)，以其體積小、可連續(xù)工作時間長、性能穩(wěn)定等特點，得到人們的廣泛認(rèn)可，成為網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主流方向。在本設(shè)計中，借助于相對穩(wěn)定和成熟的軟硬件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計了一套較為完整和實用化的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案并加