基于嵌入式操作系統(tǒng)與Internet網絡實現(xiàn)智能終端控制系統(tǒng)的設計

嵌入式設備與Internet結合將代表著嵌入式技術的真正未來。文中嵌入式網絡智能控制系統(tǒng)將嵌入式操作系統(tǒng)與Internet網絡相結合。

首先給出了基于Web服務器的嵌入式網絡智能控制系統(tǒng)的體系結構；然后，設計了軟件系統(tǒng)，并給出了嵌入式網絡智能控制終端與Web服務器之間信息交換的報文格式，提出了調度服務器的參數計算方法和負載調度算法；最后，給出實驗結果和結論。

1、引 言

隨著 Internet 技術的發(fā)展、信息家電的普及應用以及EOS（Embedded Operating System）的微型化和專業(yè)化，EOS 開始從單一的弱功能向高專業(yè)化的強功能方向發(fā)展。以基于Internet為標志的嵌入式系統(tǒng)，正處在迅速發(fā)展的階段。目前大多數嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術與信息家電、工業(yè)控制技術等結合日益密切，嵌入式設備與Internet的結合將代表著嵌入式技術的真正未來。

本文所研究的嵌入式網絡智能終端控制系統(tǒng)，以微處理系統(tǒng)直接與以太網連接的方式，將嵌入式操作系統(tǒng)和Internet 網絡有機地結合起來。以下將從嵌入式網絡智能控制系統(tǒng)的體系結構、軟件系統(tǒng)兩部分進行闡述。

2 、嵌入式網絡智能控制系統(tǒng)的體系結構

嵌入式網絡智能控制系統(tǒng)的應用環(huán)境與網絡拓撲結構如圖1所示。圖1所示的拓撲結構由嵌入式網絡智能終端、調度服務器、Web服務器組、Internet主機組成。嵌入式網絡智能終端采用uCLinux操作系統(tǒng)［1］，該終端直接與以太網相連，將數據傳送到Internet廣域網的Web服務器。調度服務器在該系統(tǒng)中起負載調度的作用，不至于Web服務器中的某個服務器負載過重。Web服務器組收集嵌入式網絡智能終端系統(tǒng)的數據，應答廣域網主機的訪問。廣域網中的主機可以隨機訪問Web服務器獲取嵌入式網絡智能終端的數據，有特定權限的主機并可以直接訪問嵌入式網絡智能終端。

嵌入式網絡智能終端由微處理器、外部接口、網絡信息處理、電平轉換、擴展存儲器等幾部分組成，嵌入式網絡智能終端的硬件結構如圖2所示。

3、 軟件系統(tǒng)

3.1嵌入式網絡智能終端軟件體系結構

根據圖1所示的環(huán)境本文選用uClinux操作系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺，圖3顯示了軟件系統(tǒng)的整體構架。軟件系統(tǒng)分為兩個部分：受控對象軟件部分與嵌入式網絡智能終端軟件部分。

受控對象軟件部分涉及傳感器如何收集受控對象的信號，如何驅動受控對象和外設，怎樣將信號傳送到嵌入式網絡智能控制終端。

嵌入式網絡智能終端軟件部分涉及到內核的修改、操作系統(tǒng)的移植、文件處理、圖形用戶接口的設計、任務的處理、如何添加應用程序到uClinux中以及嵌入式網絡智能控制終端與Web服務器之間信息的交換。

3.2 嵌入式網絡智能控制終端與Web服務器之間信息的交換

Web服務器是遠程設備導出信息的重要手段，它可以通過公共網關接口（CGI）的表單允許修改設備參數，從而進行遠程監(jiān)控［2］。Web服務器已經成為遠程管理，特別是那些沒有傳統(tǒng)用戶界面（如本文設計的嵌入式智能終端）的設備標準。Web瀏覽器可以與遠程設備進行通信，并展示相應的數據。在圖1所示的拓撲環(huán)境中Web服務器、客戶機和嵌入式網絡智能終端使用超文本協(xié)議［3］（HTTP）和網路編程來實現(xiàn)信息的交換和遠程管理。

HTTP是一種基于ASCII的協(xié)議。HTTP在TCP/IP協(xié)議上面使用標準同步請求/應答模式、客戶機/服務器結構［4］。當客戶機向HTTP服務器提出請求時，需要發(fā)送一個HTTP請求報文，該報文的格式如圖4所示。

圖4顯示HTTP請求報文由請求行、可選報頭、可選報文報體字段組成。請求行建立后來活動的舞臺?？蛇x報頭指出客戶機請求的協(xié)議，以及服務器在應答之前要了解的客戶機的信息。

HTTP請求報文包含很少的一些信息，但通過這些信息可以通知服務器它的“能力和偏好”。同樣HTTP應答也采用類似的結構，在這里就不再闡述。

3.3 網絡數據的提交

實現(xiàn)嵌入式網絡智能終端應用程序網絡數據提交（圖3軟件層中的應用程序）時，嵌入式網絡智能終端與廣域網Web服務器之間的網絡通信采用客戶/服務器模式方式，即uCLinux操作系統(tǒng)環(huán)境下進行網絡編程。實現(xiàn)網絡編程（信息傳輸）包括以下五個基本過程：創(chuàng)建套接字：調用socket（）；綁定套接字：調用bind（）；創(chuàng)建連接：調用connect（）；監(jiān)聽連接：調用listen（）；建立連接：調用accept（）。

3.4調度服務器的調度算法

影響圖1所示的嵌入式網絡智能控制系統(tǒng)可靠性的關鍵因素是調度服務器的網絡性能，合理進行參數計算和映射與負載定位是提升網絡性能的關鍵。

3.4.1 參數的計算和映射

CPU利用率能直接反映服務器的性能，以下給出linux操作系統(tǒng)中獲取CPU利用率過程，linux操作系統(tǒng)中通過讀取/proc/stat文件，該文件中記錄有sys、user、nice和idle變量。計算CPU利用率時只要兩次讀取這些變量，然后利用公式：

上式中B為系統(tǒng)接口緩沖區(qū)空間的容量，Qi（t）為第i個Web服務器的隊列長度，Q（t）為當前系統(tǒng)總隊列長度，T（t）為不再連接會話的閥值參數，α為調節(jié)因子。上述公式可知，動態(tài)閥值算法根據系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)調整控制閥值，閥值的大小與當前系統(tǒng)中空閑的資源成正比，當某個Web服務器緩沖區(qū)空間超過閥值時，將阻塞該Web服務器，不再給該Web服務器分配負載。

3.4.2 負載定位策略

根據前面得到參數，將這些參數傳遞到調度服務器。調度服務器通過使用加權輪轉調度算法［5］來選擇合適的服務器，即將負載定位到具體Web服務器上。定位策略的算法描述如下：

假設有一組Web服務器表示為S = {S0， S1， …， Sn-1}，W（Si）表示Web服務器 Si的權值，變量 i表示上一次選擇的Web服務器，變量cw表示當前調度的權值，max（S）表示集合S中所有Web服務器的最大權值，gcd（S）表示集合S中所有Web服務器權值的最大公約數。變量 i 和cw最初都被初始化為零。算法描述如下：while （true） {

if （i == 0） {

cw = cw - gcd（S）;

if （cw 《= 0） {

cw = max（S）;

if （cw == 0）

return NULL;

}

} else i = （i + 1） mod n;

if （W（Si） 》= cw）

return Si; }

4、實驗環(huán)境和結果

實驗拓撲結構采用如圖1所示的最簡系統(tǒng)。嵌入式網絡智能終端采用嵌入uClinux操作系統(tǒng)，并在uClinux操作系統(tǒng)添加相應的網絡通信程序。調度服務器采用Linux9.0作為操作系統(tǒng)并實現(xiàn)3.3節(jié)的調度算法。Web服務器組、Internet主機為常見的形式。圖5是利用Ethereal網絡協(xié)議分析器獲取的數據包的情況，該圖表明本文設計的系統(tǒng)和采用的算法有效。

5、 結束語

實驗表明本文提出的系統(tǒng)結構、負載計算法和調度算法實現(xiàn)了嵌入式網絡智能控制終端的遠程控制。通過采用加權輪轉調度算法和動態(tài)閥值算法解決了系統(tǒng)負載調度問題，使得系統(tǒng)具有良好的網絡性能和較高的實際應用價值。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為進一步進行嵌入式網絡遠程控制系統(tǒng)服務的研究搭建了一個良好的網絡平臺。

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