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基于嵌入式Web技术的远程温度监测系统

Zong Ming, Zhou Yinfeng, Shi Jie and Dai Zhaohui

摘要：研究了基于PIC8位单片机的远程温度监控系统中的嵌入式Web服务器系统。提出了一种基于嵌入式和Web技术的远程温度监测系统。管理人员可以使用Web浏览器通过Internet完全访问远程设备，并且可以监视和维护其他操作，而不需要安装特定的软件。该解决方案具有跨平台的能力，能够有效地解决利用有限的资源实现对设备的网络访问。

关键词：嵌入式系统；Web；TCP/IP；监控；CGI

绪论

在人们的日常生活领域，工业制造、制冷、温度是当前环境中的重要因素，被广泛用作参考因素。为了保证火灾报警、温室或粮仓温度实时监测、冷藏温度调节等各项任务的正常运行，基于温度参数的温度控制系统得到了广泛的开发和应用。采用传统意义上的温度计采集温度信息，不仅采集精度低，实时性差，而且操作人员劳动强度高，不利于广泛的推广。此外，由于环境因素造成的数据采集问题，特别是在工厂发生火灾时，员工无法再留在现场观察和采集温度。为了节省人力,提高效率, 需要实现数据采集并传输到本地集中处理。但这就出现了数据传输的问题，由于工厂规模较大，需要使用传统的方法传输数据，很可能造成资源的浪费，可操作性差，精度不高，这在不同程度上限制了工作的开展和展开。因此，本文提出了一种基于Internet、tcp/ip协议的嵌入式远程温度监控系统，并将web服务器集成到嵌入式系统中，使管理人员可以随时随地远程访问系统，查看系统状态。实现异构设备之间的跨平台访问。

系统整体架构

本设计基于pic18f46k22芯片，在嵌入式设备中实现http服务，并将其转换为嵌入在被控设备中的web服务器，从而为远程用户或管理员提供一个无客户端跨平台的管理界面。管理员可以通过广域网(Internet、公用电话网、无线传输网)随时随地监控设备状态。系统架构由广域网、局域网、嵌入式web服务器三部分组成，如图1所示。

2.1 现场设备

现场设备由嵌入式web服务器(EWS)和设备、EWS和以继电器形式连接的设备组成。通过网络接口，EWS将信息上传到网络。

2.2 局域网

局域网采用以太网，局域网PC机直接通过网络浏览器查看EMS的状态。并向EWS发送命令。使用本地网络使EWS可以连接到Internet。

2.3 广域网

包括互联网、公共交换网和无线传输网络管理员通过个人电脑或手机监控EWS。

图1 系统整体架构

系统的硬件设计

为了保证系统的实用性和可扩展性，采用了PIC18F46K22单片机，pic18f46k22具有丰富的外围接口，是一种高性能芯片。系统硬件结构如图2所示。

pic18f46k22芯片具有64K的闪存、1K的EEPROM、30个A/D转换通道、两个SPI端口和两个比较器。由于内置的EEPROM太小，不利于页面文件的存储，也不利于扩展，于是增加了容量为256KB的25LC256 EEPROM。芯片外部的16 * 2液晶屏用于显示一些基本状态信息，并用于调试。温度传感器获取周围的温度信息，enc28j60和RJ45接口接入以太网，温度信息用过以太网上传到网络中。

图2 硬件结构

系统软件设计

基于web管理的嵌入式web监控模型采用B/S模型、客户机web浏览器和EWS。因此，我们需要在嵌入式设备中实现两个功能:(1)TCP/IP协议实现和(2)建立web服务器，利用web技术将字段状态信息转换为另一种格式。

客户端Web浏览器请求通过Internet发送到局域网的URL，发送到嵌入式以太网接口的Web服务器;嵌入式Web服务器回应这个URL, 打开存储在嵌入式文件系统中的设备监控页面;当客户机Web浏览器得到响应后,就可以发送命令到现场设备监控页面。EWS响应该命令的解释，并将该命令转发到字段设备。

4.1 TCP/IP协议栈压缩

TCP/IP协议是Internet上最基本的协议，万维网的基础是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议构成的。TCP/IP定义了电子设备如何连接到Internet，以及它们之间的数据传输标准。该协议采用四层层次结构，每一层都提供调用下一层的网络来完成自己的需要。

传统TCP/IP协议的实现过于复杂，占用了大量的系统资源，在使用时必须考虑到成本效益，针对自身资源有限的嵌入式系统，合理选择相应的协议实现和处理方法。根据系统需要，对网络协议栈进行模块裁剪设计，实现了TCP/IP协议栈的子集。

与TCP/IP参考模型类似，堆栈将TCP/IP堆栈分为多层(图3)。实现每个层的代码保存在一个单独的源文件中，而服务和应用程序编程接口(api)是通过头文件/包含文件定义的。与TCP/IP参考模型不同，栈中的许多层直接访问一个或多个不在它下面的层。对于某个层何时绕过其相邻模块以获得所需的服务，主要是根据资源消耗的大小以及给定的服务在传递到下一层之前是否需要智能处理来决定的。

图3 TCP/IP堆栈

4.2 CGI程序的设计

CGI定义了Web服务器和用户对程序标准接口的访问和实现。它实现了浏览器和Web服务器之间的交互。图4显示了浏览器、Web服务器和CGI程序之间的关系。

当客户通过浏览器访问Web服务器时，浏览器和Web服务器建立TCP连接并发送HTTP请求。Web服务器接收HTTP请求。分析请求的内容，如果请求为静态文档。直接返回请求的结果。如果CGI请求，Web服务器通过环境变量、命令行参数或标准输入来请求传递给指定的CGI程序，并接收此CGI程序的标准输出。CGI程序处理相应的信息。将结果转换为HTML表单文件到标准输出。Web服务器向CGI程序的输出添加了附加的头信息和状态行。然后，将结果发送回浏览器。

图4 CGI工作流程

总结

本文设计并实现了一个基于嵌入式Web技术的远程温度监测系统。解决了利用有限的资源实现对嵌入式设备的网络访问的问题。管理者可以通过设备上的Web浏览器进行实时监控，不受时间和空间的限制。无需安装特定软件，具有跨平台属性，更适合分布式网络管理，被控设备具有智能化和远程管理功能。

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