基于XSCALE PXA270處理器平臺和開源Linux系統(tǒng)搭建ARM-Linux物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。使用51單片機(jī)連接溫濕度傳感模塊、LED燈等外圍設(shè)備，使用基十XSCALE PXA270處理器的Up-Tech嵌入式實驗箱為核心服務(wù)器運(yùn)行平臺。首先介紹了嵌入式設(shè)備的ARM-Linux系統(tǒng)搭建、守護(hù)程序和CGI程序之間的通信設(shè)計，然后詳細(xì)介紹了Web服務(wù)器的搭建和網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計所使用的iQuery類庫和AJAX技術(shù)的設(shè)計實現(xiàn)。
物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的擴(kuò)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(shè)備，例如：無線技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)，各類傳感器等技術(shù)設(shè)備將物理世界中的各種信息，如溫度、光強(qiáng)、位置等信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，達(dá)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問物聯(lián)網(wǎng)信息，監(jiān)測和控制各類傳感節(jié)點和電氣設(shè)備，一個友好的用戶界面是前提?；贐/S架構(gòu)的解決方案以其客戶端通用性成為構(gòu)建系統(tǒng)的首選。本文將設(shè)計開發(fā)一個通用的基于ARM處理器平臺和Linux嵌入式操作系統(tǒng)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嵌入式開發(fā)實驗箱、51單片機(jī)及各種傳感控制設(shè)備。在此嵌入式設(shè)備上使用ARM LinuX系統(tǒng)，在嵌入式Linux系統(tǒng)下搭建服務(wù)器，采用B/S架構(gòu)，以BOA為WEB服務(wù)器，通過CGI通信方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程的信息傳遞和智能交互。
1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
為了突出現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器系統(tǒng)的低功耗、低成本、服務(wù)水平高、處理效率高的特點，服務(wù)器將運(yùn)行在基于XSCALE PXA270處理器的UP—Tech嵌入式設(shè)備上，利用51單片機(jī)連接各種傳感控制設(shè)備。
在UP-Tech嵌入式設(shè)備上移植了2.6.28內(nèi)核的ARM Linux操作系統(tǒng)。在Linux系統(tǒng)上面，編寫一個守護(hù)程序來與51單片機(jī)通信，從而在Linux系統(tǒng)上與各種傳感控制設(shè)備進(jìn)行通信控制。在Linux上面移植Boa WEB服務(wù)器，用來搭建用戶可交互式的訪問界面。使用戶通過瀏覽器訪問頁面就可以實時進(jìn)行查看或控制各種傳感控制設(shè)備。
系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)設(shè)計
2.1 基于51單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
在物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備方面，采用51單片機(jī)，通過其豐富的外擴(kuò)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語言+驅(qū)動庫”的開發(fā)模式，通過這樣的開發(fā)模式，不僅可以提高開發(fā)效率，還能很好地完成多個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(tǒng)的基本實現(xiàn)功能如下：
(1)連接各個傳感模塊，通過輸入輸出接口獲取傳感器傳遞過來的信息并且記錄;
(2)設(shè)置定時器，在規(guī)定的單元時間內(nèi)，采集各個傳感設(shè)備的信息和控制設(shè)備的狀態(tài)。將他們的信息、狀態(tài)合成數(shù)據(jù)包，通過虛擬串口發(fā)送;
(3)利通虛擬串口通信，時刻檢測來自ARM-Linux平臺發(fā)送過來的控制信號;
(4)分析串口傳遞過來的數(shù)據(jù)包，檢測數(shù)據(jù)來源確定是否合法，然后根據(jù)特定的控制代碼對單片機(jī)和各個控制模塊進(jìn)行控制。
2.2 基于ARM—Linux平臺的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
ARM-Linux平臺是指利用開源的Linux內(nèi)核經(jīng)過特定需求的裁剪后，經(jīng)過交叉編譯后得到一個能夠運(yùn)行在ARM處理器的Linux內(nèi)核，同時還定制一個Linux根文件系統(tǒng)，整個系統(tǒng)容量控制在幾百KB到幾十MB。系統(tǒng)主要由三部分組成：BootLoader、ARM-Linux內(nèi)核、Linux根文件系統(tǒng)。
在嵌入式設(shè)備上，主要的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由守護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)。守護(hù)程序一方面負(fù)責(zé)接收處理單片機(jī)發(fā)送過來的信息;一方面接受WEB服務(wù)器傳來的查詢控制請求。
在物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端，來自客戶端訪問的請求，由服務(wù)器接收并檢驗后，將請求查詢、控制指令傳遞給守護(hù)程序，守護(hù)程序接收到來自服務(wù)器的請求，通過驗證后再向單片機(jī)發(fā)送請求查詢、控制指令。
守護(hù)程序的通信過程分為兩部分，第一部分為守護(hù)程序向服務(wù)端的CGI程序告知更新數(shù)據(jù)，第二部分為服務(wù)端CGI程序向守護(hù)程序發(fā)送指令控制，由守護(hù)程序監(jiān)聽到后執(zhí)行控制程序。
3 人機(jī)交互子系統(tǒng)-WEB服務(wù)器設(shè)計
由于嵌入式設(shè)備的硬件資源一般都比較有限，不能同時處理多個用戶的請求。因此，在WEB服務(wù)器的選取方面，選擇一些專為嵌入式設(shè)備而開發(fā)的WEB服務(wù)器。這些服務(wù)器具有占用內(nèi)存空間低、處理效率高、安全性高等優(yōu)點，相當(dāng)適合嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。另一方面，在實際的應(yīng)用當(dāng)中，由于互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，3G網(wǎng)絡(luò)的到來，每個人都希望可以通過手上的手持式設(shè)備來訪問控制自己的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使用一個輕量級的WEB服務(wù)器當(dāng)作訪問控制服務(wù)器，可以相當(dāng)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(jié)構(gòu)采用B/S架構(gòu)，也即由服務(wù)端和客戶端構(gòu)成。在此架構(gòu)上，將會通過以下幾個步驟來與WEB服務(wù)器互相通信。
(1)在客戶端的瀏覽器(Browser)輸入WEB服務(wù)器的IP地址;
(2)客戶端首先通過TCP發(fā)起建立連接請求，然后服務(wù)器通過認(rèn)證后，確認(rèn)請求合法后立即建立連接。在這個過程中，采用的是TCP/IP協(xié)議的“三次握手”方式建立連接的;
(3)通過TCP/IP建立連接后，瀏覽器再用HTTP協(xié)議發(fā)出HTTP請求;
(4)當(dāng)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(jù)不同的處理結(jié)果服務(wù)器再執(zhí)行相應(yīng)的返回操作。
(5)客戶端收到服務(wù)器的返回結(jié)果后，解析HTML數(shù)據(jù)包，然后將之顯示在瀏覽器上。
3.2 Boa WEB服務(wù)器的移植
Boa是一個處理單任務(wù)的WEB服務(wù)器。也就是說只有在完成一個請求后才能響應(yīng)另外一個連接請求，雖然無法實現(xiàn)并發(fā)響應(yīng)，但是已經(jīng)足夠應(yīng)付嵌入式的應(yīng)用處理了。另外，Boa也是一個相當(dāng)輕量級的WEB服務(wù)器，交叉編譯所得到的可執(zhí)行文件只有60kB左右。出于設(shè)計的精簡和應(yīng)用需求，Boa僅支持CGI。
在WWW.boa.org上下載boa的源代碼。通過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(zhí)行如下命令：
#make
#arm-linux-strip./boa
得到能在arm平臺下的可執(zhí)行文件boa，大小只有60KB
將可執(zhí)行文件Boa下載到嵌入式設(shè)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boa配置文件boa.conf。表1為Boa配置文件部分配置說明：
表1 Boa配置文件配置參數(shù)說明
3.3 通用網(wǎng)關(guān)接口CGI
CGI是通用網(wǎng)關(guān)接口的簡稱。該接口定義了WEB服務(wù)器和其他可執(zhí)行程序之間的通信接口標(biāo)準(zhǔn)。一般這些可執(zhí)行程序我們也簡稱為CGI程序。在客戶端瀏覽器上面，可以請求執(zhí)行CGI程序，并會附帶傳送的參數(shù)。當(dāng)服務(wù)器收到此請求后，執(zhí)行對應(yīng)的CGI程序，與此同時，會把來自客戶端的傳輸傳遞給CGI程序。在服務(wù)器和CGI程序之間，他們足利用標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出來實現(xiàn)參數(shù)傳遞和信息返回的。
在本物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)計當(dāng)中，CGI程序不僅僅與WEB服務(wù)器通信，它還需要和守護(hù)程序進(jìn)行通信。由于守護(hù)程序是負(fù)責(zé)連接外圍設(shè)備，并與之通信的，所以可以通過CGI程序來對外圍設(shè)備進(jìn)行通信。通過這樣的通信過程實現(xiàn)了客戶端與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端的交互。其通信過程如下：
(1)客戶端利用TCP/IP協(xié)議和WEB服務(wù)器建立連接;
(2)客戶端利用HTTP協(xié)議發(fā)出URL指向一個CGI程序的請求;
(3)服務(wù)器收到請求后，執(zhí)行對應(yīng)的CGI程序;
(4)CGI應(yīng)用程序執(zhí)行，可以通過讀取標(biāo)準(zhǔn)輸入或環(huán)境變量(QUERY STRING)獲取來自客戶端的參數(shù);
(5)應(yīng)用程序利用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輸出方式來輸出返回結(jié)果給WEB服務(wù)器。
(6)WEB服務(wù)器將結(jié)果傳送給客戶端，完成整個請求返回過程。
3.4 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的訪問與控制
網(wǎng)站的訪問和控制使用JavaScript語言，調(diào)用jQuery類庫和利用AJAX技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)顯示頁面的效果。而頁面的參數(shù)傳遞和CGI反饋都是使用JSON數(shù)據(jù)格式。
JSON即JavaScript Object Notation，它是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式。本設(shè)計使用JSON數(shù)據(jù)格式中的”名稱/值”對的集合為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它作為頁面與CGI程序之間的參數(shù)傳遞和運(yùn)算結(jié)果返回的數(shù)據(jù)格式?；靖袷饺缦拢?/p>
{device：'value'，model：'value'，type：'value',data：“Value”}
利用jQuery類庫，每隔1 s中通過請求./cgi-bin/web_cgi。得到請求結(jié)果作為當(dāng)前狀態(tài)。
4 總結(jié)
本文實現(xiàn)了一個基于ARM-Linux平臺的通用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)計，本設(shè)計可以為用戶提供通過WEB頁面對物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集的實時監(jiān)測和控制功能，具有較好的實用意義。下一步將繼續(xù)完善系統(tǒng)的功能，如：增加對更多傳感器的支持，系統(tǒng)如何更方便地應(yīng)用于不同的領(lǐng)域等，系統(tǒng)的安全性也有待完善。
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