基于ARM-LINUX平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器設(shè)計(jì) - 全文

　　基于XSCALE PXA270處理器平臺(tái)和開(kāi)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，使用基于XSCALE PXA270處理器的Up-Tech嵌入式實(shí)驗(yàn)箱為核心服務(wù)器運(yùn)行平臺(tái)。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(jì)，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(jì)所使用的iQuery類(lèi)庫(kù)和AJAX技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)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(wú)線(xiàn)技術(shù)、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，各類(lèi)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(guò)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(fǎng)問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)信息，監(jiān)測(cè)和控制各類(lèi)傳感節(jié)點(diǎn)和電氣設(shè)備，一個(gè)友好的用戶(hù)界面是前提?；贐/S架構(gòu)的解決方案以其客戶(hù)端通用性成為構(gòu)建系統(tǒng)的首選。本文將設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)通用的基于ARM處理器平臺(tái)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(tái)上，將使用基于XSCALEPXA270處理器的UPTECH嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)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(guò)CGI通信方式實(shí)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(diǎn)，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(xiě)一個(gè)守護(hù)程序來(lái)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(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(shè)備。

　　系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(guò)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(yǔ)言+驅(qū)動(dòng)庫(kù)”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(tái)方面，采用UART 虛擬串口與嵌入式平臺(tái)進(jìn)行連接通信。

　　本系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)功能如下：

　?。?）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;

　?。?）設(shè)置定時(shí)器，在規(guī)定的單元時(shí)間內(nèi)，采集各個(gè)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(guò)虛擬串口發(fā)送;

　?。?）利通虛擬串口通信，時(shí)刻檢測(cè)來(lái)自ARM-Linux平臺(tái)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號(hào);

　?。?）分析串口傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包，檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源確定是否合法，然后根據(jù)特定的控制代碼對(duì)單片機(jī)和各個(gè)控制模塊進(jìn)行控制。

　　2.2 基于ARM—Linux平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

　　ARM-Linux 平臺(tái)是指利用開(kāi)源的Linux內(nèi)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(yùn)行在ARM處理器的Linux內(nèi)核，同時(shí)還定制一個(gè)Linux根文件系統(tǒng)，整個(gè)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(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(qǐng)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(qǐng)求，由服務(wù)器接收并檢驗(yàn)后，將請(qǐng)求查詢(xún)、控制指令傳遞給守護(hù)程序，守護(hù)程序接收到來(lái)自服務(wù)器的請(qǐng)求，通過(guò)驗(yàn)證后再向單片機(jī)發(fā)送請(qǐng)求查詢(xún)、控制指令。

　　守護(hù)程序的通信過(guò)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(tīng)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(jì)

　　由于嵌入式設(shè)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(qǐng)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(shè)備而開(kāi)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(diǎn)，相當(dāng)適合嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。另一方面，在實(shí)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(lái)，每個(gè)人都希望可以通過(guò)手上的手持式設(shè)備來(lái)訪(fǎng)問(wèn)控制自己的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使用一個(gè)輕量級(jí)的WEB服務(wù)器當(dāng)作訪(fǎng)問(wèn)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(hù)端構(gòu)成。在此架構(gòu)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。

　?。?）在客戶(hù)端的瀏覽器（Browser）輸入WEB服務(wù)器的IP地址;

　?。?）客戶(hù)端首先通過(guò)TCP發(fā)起建立連接請(qǐng)求，然后服務(wù)器通過(guò)認(rèn)證后，確認(rèn)請(qǐng)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(qǐng)求;

　?。?）當(dāng)服務(wù)器端接收到HTTP請(qǐng)求后，對(duì)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。

　?。?）客戶(hù)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(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(qǐng)求后才能響應(yīng)另外一個(gè)連接請(qǐng)求，雖然無(wú)法實(shí)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(gè)相當(dāng)輕量級(jí)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(jì)的精簡(jiǎn)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(guò)以下步驟完成其交叉編譯：

　　#tar—bx*** 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(tái)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(duì)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(shù)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(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(jiǎn)稱(chēng)為CGI程序。在客戶(hù)端瀏覽器上面，可以請(qǐng)求執(zhí)行CGI程序，并會(huì)附帶傳送的參數(shù)。當(dāng)服務(wù)器收到此請(qǐng)求后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)輸入輸出來(lái)實(shí)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(jì)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(guò)CGI程序來(lái)對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行通信。通過(guò)這樣的通信過(guò)程實(shí)現(xiàn)了客戶(hù)端與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端的交互。其通信過(guò)程如下：

　?。?）客戶(hù)端利用TCP/IP協(xié)議和WEB服務(wù)器建立連接;

　?。?）客戶(hù)端利用HTTP協(xié)議發(fā)出URL指向一個(gè)CGI程序的請(qǐng)求;

　?。?）服務(wù)器收到請(qǐng)求后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的CGI程序;

　?。?）CGI應(yīng)用程序執(zhí)行，可以通過(guò)讀取標(biāo)準(zhǔn)輸入或環(huán)境變量（QUERY STRING）獲取來(lái)自客戶(hù)端的參數(shù);

　?。?）應(yīng)用程序利用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輸出方式來(lái)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(hù)端，完成整個(gè)請(qǐng)求返回過(guò)程。

　　3.4 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(diào)用jQuery類(lèi)庫(kù)和利用AJAX技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示頁(yè)面的效果。而頁(yè)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(jí)的數(shù)據(jù)交換格式。本設(shè)計(jì)使用JSON數(shù)據(jù)格式中的”名稱(chēng)/值”對(duì)的集合為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它作為頁(yè)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(lèi)庫(kù)，每隔1 s中通過(guò)請(qǐng)求。/cgi-bin/web_cgi。得到請(qǐng)求結(jié)果作為當(dāng)前狀態(tài)。

　　4 總結(jié)

　　本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于ARM-Linux平臺(tái)的通用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)可以為用戶(hù)提供通過(guò)WEB頁(yè)面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制功能，具有較好的實(shí)用意義。下一步將繼續(xù)完善系統(tǒng)的功能，如：增加對(duì)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。