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基于XSCALE PXA270處理器平臺和開(kāi)源Linux系統搭建ARM-Linux物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。使用51單片機連接溫濕度傳感模塊、LED燈等外圍設備，使用基十XSCALE PXA270處理器的Up-Tech嵌入式實(shí)驗箱為核心服務(wù)器運行平臺。首先介紹了嵌入式設備的ARM-Linux系統搭建、守護程序和CGI程序之間的通信設計，然后詳細介紹了Web服務(wù)器的搭建和網(wǎng)絡(luò )程序設計所使用的iQuery類(lèi)庫和AJAX技術(shù)的設計實(shí)現。 物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)應用的擴展，是一種新興的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其核心是物與物之間的信息通信交流，也是物與人之間的交互控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要是利用各種傳感器設備，例如：無(wú)線(xiàn)技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)，各類(lèi)傳感器等技術(shù)設備將物理世界中的各種信息，如溫度、光強、位置等信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸，達到物與物之間、物與人之間的信息交互目的。 要使人們能方便地訪(fǎng)問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)信息，監測和控制各類(lèi)傳感節點(diǎn)和電氣設備，一個(gè)友好的用戶(hù)界面是前提�；贐/S架構的解決方案以其客戶(hù)端通用性成為構建系統的首選。本文將設計開(kāi)發(fā)一個(gè)通用的基于A(yíng)RM處理器平臺和Linux嵌入式操作系統的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，在硬件平臺上，將使用基于XSCALEPXA270處理器的UPTECH嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)驗箱、51單片機及各種傳感控制設備。在此嵌入式設備上使用ARM LinuX系統，在嵌入式Linux系統下搭建服務(wù)器，采用B/S架構，以BOA為WEB服務(wù)器，通過(guò)CGI通信方式實(shí)現遠程的信息傳遞和智能交互。 1 系統體系結構 為了突出現代物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器系統的低功耗、低成本、服務(wù)水平高、處理效率高的特點(diǎn)，服務(wù)器將運行在基于XSCALE PXA270處理器的UP—Tech嵌入式設備上，利用51單片機連接各種傳感控制設備。 在UP-Tech嵌入式設備上移植了2.6.28內核的ARM Linux操作系統。在Linux系統上面，編寫(xiě)一個(gè)守護程序來(lái)與51單片機通信，從而在Linux系統上與各種傳感控制設備進(jìn)行通信控制。在Linux上面移植Boa WEB服務(wù)器，用來(lái)搭建用戶(hù)可交互式的訪(fǎng)問(wèn)界面。使用戶(hù)通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面就可以實(shí)時(shí)進(jìn)行查看或控制各種傳感控制設備。 系統架構如圖1所示。 圖1 系統架構 2 物聯(lián)網(wǎng)數據采集與處理子系統設計 2.1 基于51單片機的數據采集系統 在物聯(lián)網(wǎng)終端設備方面，采用51單片機，通過(guò)其豐富的外擴接口和溫度傳感器、濕度傳感器，以及LED燈等模塊進(jìn)行連接。在軟件上采用“C語(yǔ)言+驅動(dòng)庫”的開(kāi)發(fā)模式，通過(guò)這樣的開(kāi)發(fā)模式，不僅可以提高開(kāi)發(fā)效率，還能很好地完成多個(gè)傳感器的信息收集和處理。在連接ARM-Linux嵌入式平臺方面，采用UART虛擬串口與嵌入式平臺進(jìn)行連接通信。 本系統的基本實(shí)現功能如下： (1)連接各個(gè)傳感模塊，通過(guò)輸入輸出接口獲取傳感器傳遞過(guò)來(lái)的信息并且記錄; (2)設置定時(shí)器，在規定的單元時(shí)間內，采集各個(gè)傳感設備的信息和控制設備的狀態(tài)。將他們的信息、狀態(tài)合成數據包，通過(guò)虛擬串口發(fā)送; (3)利通虛擬串口通信，時(shí)刻檢測來(lái)自ARM-Linux平臺發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號; (4)分析串口傳遞過(guò)來(lái)的數據包，檢測數據來(lái)源確定是否合法，然后根據特定的控制代碼對單片機和各個(gè)控制模塊進(jìn)行控制。 2.2 基于A(yíng)RM—Linux平臺的數據處理系統 ARM-Linux平臺是指利用開(kāi)源的Linux內核經(jīng)過(guò)特定需求的裁剪后，經(jīng)過(guò)交叉編譯后得到一個(gè)能夠運行在A(yíng)RM處理器的Linux內核，同時(shí)還定制一個(gè)Linux根文件系統，整個(gè)系統容量控制在幾百KB到幾十MB。系統主要由三部分組成：BootLoader、ARM-Linux內核、Linux根文件系統。 在嵌入式設備上，主要的數據處理系統由守護程序實(shí)現。守護程序一方面負責接收處理單片機發(fā)送過(guò)來(lái)的信息;一方面接受WEB服務(wù)器傳來(lái)的查詢(xún)控制請求。 在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端，來(lái)自客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)的請求，由服務(wù)器接收并檢驗后，將請求查詢(xún)、控制指令傳遞給守護程序，守護程序接收到來(lái)自服務(wù)器的請求，通過(guò)驗證后再向單片機發(fā)送請求查詢(xún)、控制指令。 守護程序的通信過(guò)程分為兩部分，第一部分為守護程序向服務(wù)端的CGI程序告知更新數據，第二部分為服務(wù)端CGI程序向守護程序發(fā)送指令控制，由守護程序監聽(tīng)到后執行控制程序。 3 人機交互子系統-WEB服務(wù)器設計 由于嵌入式設備的硬件資源一般都比較有限，不能同時(shí)處理多個(gè)用戶(hù)的請求。因此，在WEB服務(wù)器的選取方面，選擇一些專(zhuān)為嵌入式設備而開(kāi)發(fā)的WEB服務(wù)器。這些服務(wù)器具有占用內存空間低、處理效率高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，相當適合嵌入式應用領(lǐng)域。另一方面，在實(shí)際的應用當中，由于互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，3G網(wǎng)絡(luò )的到來(lái)，每個(gè)人都希望可以通過(guò)手上的手持式設備來(lái)訪(fǎng)問(wèn)控制自己的物聯(lián)網(wǎng)設備，使用一個(gè)輕量級的WEB服務(wù)器當作訪(fǎng)問(wèn)控制服務(wù)器，可以相當出色地完成任務(wù)。 3.1 服務(wù)器工作原理 嵌入式WEB服務(wù)器的體系結構采用B/S架構，也即由服務(wù)端和客戶(hù)端構成。在此架構上，將會(huì )通過(guò)以下幾個(gè)步驟來(lái)與WEB服務(wù)器互相通信。 (1)在客戶(hù)端的瀏覽器(Browser)輸入WEB服務(wù)器的IP地址; (2)客戶(hù)端首先通過(guò)TCP發(fā)起建立連接請求，然后服務(wù)器通過(guò)認證后，確認請求合法后立即建立連接。在這個(gè)過(guò)程中，采用的是TCP/IP協(xié)議的“三次握手”方式建立連接的; (3)通過(guò)TCP/IP建立連接后，瀏覽器再用HTTP協(xié)議發(fā)出HTTP請求; (4)當服務(wù)器端接收到HTTP請求后，對其進(jìn)行解析等操作，然后根據不同的處理結果服務(wù)器再執行相應的返回操作。 (5)客戶(hù)端收到服務(wù)器的返回結果后，解析HTML數據包，然后將之顯示在瀏覽器上。 3.2 Boa WEB服務(wù)器的移植 Boa是一個(gè)處理單任務(wù)的WEB服務(wù)器。也就是說(shuō)只有在完成一個(gè)請求后才能響應另外一個(gè)連接請求，雖然無(wú)法實(shí)現并發(fā)響應，但是已經(jīng)足夠應付嵌入式的應用處理了。另外，Boa也是一個(gè)相當輕量級的WEB服務(wù)器，交叉編譯所得到的可執行文件只有60kB左右。出于設計的精簡(jiǎn)和應用需求，Boa僅支持CGI。 在WWW.boa.org上下載boa的源代碼。通過(guò)以下步驟完成其交叉編譯： #tar—bxzf boa-0.94.1 3.tar. gz #cd./boa-0.94.13/src #./configure #vi./Makefile 修改CC=gcc為CC=arm-unknownlinux-gcc，CPP=gcc -E為CPP=arm-unknownlinux-cpp -E，保存退出。執行如下命令： #make #arm-linux-strip./boa 得到能在arm平臺下的可執行文件boa，大小只有60KB 將可執行文件Boa下載到嵌入式設備后，還需對其進(jìn)行一些配置。首先需要在/etc/boa目錄下建立一個(gè)boa配置文件boa.conf。表1為Boa配置文件部分配置說(shuō)明： 表1 Boa配置文件配置參數說(shuō)明 3.3 通用網(wǎng)關(guān)接口CGI CGI是通用網(wǎng)關(guān)接口的簡(jiǎn)稱(chēng)。該接口定義了WEB服務(wù)器和其他可執行程序之間的通信接口標準。一般這些可執行程序我們也簡(jiǎn)稱(chēng)為CGI程序。在客戶(hù)端瀏覽器上面，可以請求執行CGI程序，并會(huì )附帶傳送的參數。當服務(wù)器收到此請求后，執行對應的CGI程序，與此同時(shí)，會(huì )把來(lái)自客戶(hù)端的傳輸傳遞給CGI程序。在服務(wù)器和CGI程序之間，他們足利用標準輸入輸出來(lái)實(shí)現參數傳遞和信息返回的。 在本物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設計當中，CGI程序不僅僅與WEB服務(wù)器通信，它還需要和守護程序進(jìn)行通信。由于守護程序是負責連接外圍設備，并與之通信的，所以可以通過(guò)CGI程序來(lái)對外圍設備進(jìn)行通信。通過(guò)這樣的通信過(guò)程實(shí)現了客戶(hù)端與物聯(lián)網(wǎng)設備終端的交互。其通信過(guò)程如下： (1)客戶(hù)端利用TCP/IP協(xié)議和WEB服務(wù)器建立連接; (2)客戶(hù)端利用HTTP協(xié)議發(fā)出URL指向一個(gè)CGI程序的請求; (3)服務(wù)器收到請求后，執行對應的CGI程序; (4)CGI應用程序執行，可以通過(guò)讀取標準輸入或環(huán)境變量(QUERY STRING)獲取來(lái)自客戶(hù)端的參數; (5)應用程序利用進(jìn)行標準輸出方式來(lái)輸出返回結果給WEB服務(wù)器。 (6)WEB服務(wù)器將結果傳送給客戶(hù)端，完成整個(gè)請求返回過(guò)程。 3.4 網(wǎng)絡(luò )應用程序的訪(fǎng)問(wèn)與控制 網(wǎng)站的訪(fǎng)問(wèn)和控制使用JavaScript語(yǔ)言，調用jQuery類(lèi)庫和利用AJAX技術(shù)，實(shí)現動(dòng)態(tài)顯示頁(yè)面的效果。而頁(yè)面的參數傳遞和CGI反饋都是使用JSON數據格式。 JSON即JavaScript Object Notation，它是一種輕量級的數據交換格式。本設計使用JSON數據格式中的”名稱(chēng)/值”對的集合為基本數據結構，它作為頁(yè)面與CGI程序之間的參數傳遞和運算結果返回的數據格式�；靖袷饺缦拢� {device："value"，model："value"，type："value",data：“Value”} 利用jQuery類(lèi)庫，每隔1 s中通過(guò)請求./cgi-bin/web_cgi。得到請求結果作為當前狀態(tài)。 4 總結 本文實(shí)現了一個(gè)基于A(yíng)RM-Linux平臺的通用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設計，本設計可以為用戶(hù)提供通過(guò)WEB頁(yè)面對物聯(lián)網(wǎng)中數據采集的實(shí)時(shí)監測和控制功能，具有較好的實(shí)用意義。下一步將繼續完善系統的功能，如：增加對更多傳感器的支持，系統如何更方便地應用于不同的領(lǐng)域等，系統的安全性也有待完善。 |
