引言
遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程收集目標(biāo)信息并監(jiān)控目標(biāo)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的嵌入式系統(tǒng)。遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器的使用,可以使用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)遠(yuǎn)端的嵌入式設(shè)備,這樣能夠大大提高系統(tǒng)的易用性和可維護(hù)性。目前,在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中普遍采用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方法是在網(wǎng)頁(yè)上嵌入Applet或ActiveX控件,但是這種方法不僅會(huì)威脅到客戶端的安全,還增加了服務(wù)器的負(fù)擔(dān),從而限制了Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。為了滿足資源有限的嵌入式系統(tǒng)的需要,本文采用微型TCP/IP協(xié)議棧uIP,在協(xié)議棧之上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CGI的動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器,并將AJAX技術(shù)應(yīng)用到客戶端與服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互中。AJAX技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是將JavaScript程序內(nèi)嵌在網(wǎng)頁(yè)中,不需要在瀏覽器上另外安裝插件,降低了系統(tǒng)成本和Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的難度。
1 uIP協(xié)議棧分析
uIP是專(zhuān)為8/16位嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧。uIP本身的源代碼和占用的內(nèi)存資源都非常少,其源代碼只有幾KB,RAM僅占幾百字節(jié)。uIP采用BSD授權(quán),遵循RFC標(biāo)準(zhǔn),完全由C語(yǔ)言編寫(xiě),具有良好的可移植性,可免費(fèi)用于非商業(yè)和商業(yè)用途。uIP協(xié)議棧有多個(gè)版本,本設(shè)計(jì)采用的是uIP 1.0。
為了減少對(duì)系統(tǒng)資源的要求,uIP的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)主要采用以下設(shè)計(jì)措施:
①不支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制,使用單一的全局緩沖區(qū)uip_buf收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù);
②著重實(shí)現(xiàn)了與完整TCP/IP通信所必需的ARP(地址解析協(xié)議)、IP(網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議)、TCP(傳輸控制協(xié)議),而UDP(用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)、ICM P(網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議)只作為可選模塊;
③各層協(xié)議緊密耦合,應(yīng)用協(xié)議也參與了部分協(xié)議棧功能的實(shí)現(xiàn)。
uIP的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出,uIP協(xié)議棧處于網(wǎng)絡(luò)通信的中間層,用戶需要為uIP提供底層網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序和定時(shí)器驅(qū)動(dòng)程序。
而uIP為底層系統(tǒng)提供了4個(gè)接口函數(shù):uip_init()完成協(xié)議棧的初始化;uip_input()用于處理從以太網(wǎng)接收到的IP數(shù)據(jù)包;uip_perio dic()用于協(xié)議內(nèi)核周期性地對(duì)各TCP連接的輪詢;uip_udp_periodic()則用于UDP服務(wù)下對(duì)各UDP連接的輪詢。其中,uip_input()和uip_per iodic()在協(xié)議的內(nèi)部采用同一個(gè)函數(shù)void uip_process(u8_t flag)實(shí)現(xiàn),區(qū)別在于調(diào)用的參數(shù)不同。uIP主程序清晰地展示了各接口函數(shù)的調(diào)用方法,其主程序流程圖如圖2所示。
uIP的各處理程序會(huì)調(diào)用UIP_APPCALL()進(jìn)行應(yīng)用程序處理,用戶需要將UIP_APPCALL宏定義為實(shí)際的應(yīng)用函數(shù)名,應(yīng)用程序就可以掛接到uIP中,而uip_flags是協(xié)議棧提供給應(yīng)用層查詢的狀態(tài)變量。
2 動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
在uIP中已經(jīng)提供了webserver的應(yīng)用實(shí)例,用戶可以參考它并根據(jù)自己的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器之間的交互性,本文采用了CGI動(dòng)態(tài)Web技術(shù)。CGI(Common Gateway Interface)是Web服務(wù)器與外部擴(kuò)展應(yīng)用程序交互的一種標(biāo)準(zhǔn)接口。目前,服務(wù)器端的動(dòng)態(tài)Web技術(shù)除CGI外,還有ASP、PHP、JSP等解決方案,但它們或者是針對(duì)某種語(yǔ)言的,或者是依賴于特定的操作系統(tǒng)或商業(yè)軟件,只有CGI技術(shù)適用于資源有限、編程語(yǔ)言受限的嵌入式Web服務(wù)器。設(shè)計(jì)的Web服務(wù)器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
在系統(tǒng)初始化后Web服務(wù)器開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)80端口,一旦有客戶端請(qǐng)求連接,uIP就為其分配一個(gè)連接項(xiàng)。服務(wù)器在收到HTTP請(qǐng)求后,首先依據(jù)請(qǐng)求文件的類(lèi)型來(lái)判斷該請(qǐng)求是動(dòng)態(tài)請(qǐng)求還是靜態(tài)請(qǐng)求,如果請(qǐng)求的是HTML類(lèi)型的文件則為靜態(tài)請(qǐng)求;如果請(qǐng)求的是shtml類(lèi)型的則為動(dòng)態(tài)請(qǐng)求。
對(duì)于靜態(tài)請(qǐng)求,服務(wù)器會(huì)直接查詢其文件系統(tǒng)是否存在該網(wǎng)頁(yè),如果存在就響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求;如果不存在就響應(yīng)404請(qǐng)求錯(cuò)誤網(wǎng)頁(yè)。為了減少存儲(chǔ)資源的使用,uIP沒(méi)有一般的文件系統(tǒng),而是將所有靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)存儲(chǔ)為常量數(shù)組,并將這些數(shù)組串聯(lián)成一個(gè)文件鏈表,采用輪詢的方式按照網(wǎng)頁(yè)名稱進(jìn)行查詢。
如果請(qǐng)求的是動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè),服務(wù)器會(huì)調(diào)用CGI服務(wù)程序,CGI程序首先會(huì)根據(jù)HTTP請(qǐng)求參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序,生成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),而后轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè),由服務(wù)器端發(fā)往客戶端。CGI程序的處理流程如圖4所示。
3 AJAX腳本
AJAX技術(shù)與其他Web技術(shù)相比,主要有以下特點(diǎn):
①把服務(wù)器的一部分工作轉(zhuǎn)移到客戶端,利用客戶端的處理能力,減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān);
②主要依靠XMLHttpRequest對(duì)象實(shí)現(xiàn)異步通信機(jī)制,避免數(shù)據(jù)更新時(shí)整個(gè)網(wǎng)頁(yè)的刷新,降低了通信量,節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)帶寬;
③適當(dāng)?shù)腁JAX技術(shù)應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。
AJAX技術(shù)的以上特點(diǎn)非常適合在資源有限的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。瀏覽器解析AJAX腳本并運(yùn)行,而服務(wù)器則會(huì)將瀏覽器請(qǐng)求的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)流的方式發(fā)送到客戶端,其實(shí)際運(yùn)行時(shí)的通信數(shù)據(jù)如圖5所示。
在筆者設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)中,異步交互部分的JavaScript代碼如下:
結(jié)語(yǔ)
筆者將本文的設(shè)計(jì)應(yīng)用到油井電機(jī)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,整個(gè)監(jiān)控過(guò)程運(yùn)行流暢、部署方便、復(fù)用度高。用戶的監(jiān)控頁(yè)面如圖6所示。
本文在uIP協(xié)議棧上實(shí)現(xiàn)了基于AJAX和CGI的動(dòng)態(tài)Web服務(wù)器,該方法實(shí)現(xiàn)的嵌入式Web服務(wù)器可以提供靜態(tài)信息的瀏覽,也可以通過(guò)AJAX技術(shù)異步訪問(wèn)服務(wù)器上的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。AJAX的使用大大減少了服務(wù)器的開(kāi)銷(xiāo),節(jié)省CGI的處理時(shí)間。基于AJAX和CGI技術(shù)的嵌入式Web服務(wù)器非常符合嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中低成本、高可用性的要求,對(duì)于在中低端平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較高的實(shí)用價(jià)值。