王 會，張國友

基于S3C6410和3G網絡的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控終端設計

*王 會1,2，張國友1,2

（1.安徽工程大學電氣工程學院，安徽，蕪湖 241000； 2.安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽，蕪湖 241000）

針對傳統(tǒng)的2G/2.5G網絡數(shù)據(jù)監(jiān)控設備存在數(shù)據(jù)傳輸延遲高，網絡帶寬窄等問題，設計了一種基于嵌入式 Web Server技術和3G無線通信技術的數(shù)據(jù)監(jiān)控設備，該終端采用高性能的ARM11處理器作為控制芯片并移植了Linux嵌入式操作系統(tǒng)。主要給出了監(jiān)控終端的硬件方案設計和軟件實現(xiàn)流程，通過實驗表明，該終端能夠通過3G網絡將采集的數(shù)據(jù)遠傳至本地客戶端的Web界面上，數(shù)據(jù)傳輸實時、高效，可適用于遠程監(jiān)控和工業(yè)數(shù)據(jù)采集等應用場合。

ARM11；3G；嵌入式Web Server；Boa

隨著嵌入式網絡監(jiān)控技術的不斷發(fā)展，無線監(jiān)控方式因其安裝簡便，便于移動的優(yōu)勢獲得了快速發(fā)展，尤其是在一些受地理和環(huán)境因素嚴格制約以及設備頻繁移動和數(shù)據(jù)需要遠距離傳輸?shù)膱龊稀Ｅc此同時，無線監(jiān)控對監(jiān)控設備的數(shù)據(jù)傳輸速率和網絡帶寬提出了更加嚴格的要求。傳統(tǒng)的依靠2G/2.5G網絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酱嬖跀?shù)據(jù)傳輸效率低，聯(lián)網緩慢，數(shù)據(jù)傳輸量小等問題。而基于3G無線通信技術的監(jiān)控終端具有更便攜、聯(lián)網迅速，數(shù)據(jù)傳輸量大、效率高等優(yōu)點[1]。因此本文設計了一種基于嵌入式Web Server技術和3G通信技術的數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，最后進行實驗，用戶通過本地的IE瀏覽器就可以對遠程的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行快速查詢操作。

1 監(jiān)控終端的硬件設計

監(jiān)控終端主要完成現(xiàn)成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)解析、發(fā)送。本終端的硬件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、主控制器模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，監(jiān)控終端硬件架構圖如圖1所示。為了實現(xiàn)較好的便攜性和較高的性價比，主控制板的核心采用S3C6410處理器，這是三星公司基于ARM11內核構建的高性能16/32位 RISC嵌入式微處理器，它具有高達667 MHz的運行頻率。

圖1 終端硬件結構圖

存儲器采用的是1GB的NAND Flash（K9F2G08U0A）和256M的SDRAM（K4X1G163PQ）。

3G第三代移動通信技術是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術，相對于GPRS，3G服務能同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息速率一般在幾百Kbps以上[2]。因此本硬件方案設計中，我們選擇了性價比更高的3G模塊。3G無線模塊采用高性能的華為WCDMA模塊E1750，它能夠實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)傳輸、短信等功能并且支持AT命令、內嵌TCP/IP協(xié)議以及支持PPP協(xié)議，它支持5.76Mbps的上行最高速率和7.2Mbps的下行最高速率，數(shù)據(jù)傳輸快。

2 軟件設計

2.1 嵌入式 Web Server Boa的構建

Boa服務器是小巧高效的Web Server，是運行于Unix或Linux下，支持認證、CGI等，源碼開放、性能高、功能比較全[3]。Linux環(huán)境下，將Boa搭建在ARM11平臺上的步驟包括：

第一步：編譯Boa Server。首先下載Boa源碼包boa-0.94.13.tar.gz并解壓，然后進入源碼src目錄執(zhí)行configure命令生成編譯所需要的Makefile文件；然后修改makefile，把其中的CC改為CC=arm-linux-gcc；CPP –E改為CPP=arm-linux- g++；最后執(zhí)行make命令完成Boa的編譯。

第二步：修改Boa.conf文件。在源碼boa-0.94.13的根目錄中找到Boa.conf并進行修改，步驟如表1：

表1 Boa.conf的修改

第三步：配置開發(fā)平臺并建立相應的文件夾。將第一步編譯生成的可執(zhí)行文件Boa放進開發(fā)平臺的/usr/local/bin目錄中。根據(jù)第二步對Boa.conf文件的修改在開發(fā)平臺中創(chuàng)建以下目錄：CGI腳本目錄/var/www/cgi-bin；html文件目錄/var/www；日志文件目錄/var/log/boa/error_log和/var/log/boa/ access_log。

最后將編譯好的CGI文件和html文件放入以上指定目錄當中，開發(fā)平臺上運行Boa Server，在用戶瀏覽器中輸入相應的URL就可以顯示網頁。

2.2 基于Boa Server的數(shù)據(jù)采集程序設計

嵌入式Web Server Boa主要完成接受客戶請求、分析請求、相應請求、向客戶端返回請求結果等任務[4]。數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖2所示，客戶端的Web瀏覽器向Boa提出的服務請求被Boa監(jiān)聽到，并且Boa對請求進行分析以此來提供相應的服務，主要的服務包括數(shù)據(jù)采集，用戶管理和歷史采集數(shù)據(jù)查詢。這些功能的實現(xiàn)主要是調用相應的CGI程序實現(xiàn)，這些CGI程序又將與嵌入式數(shù)據(jù)庫或者傳感器驅動程序交互，利用嵌入式數(shù)據(jù)庫所提供的API（調用接口函數(shù)）接口對數(shù)據(jù)進行調取和管理或者啟用相應的傳感器驅動程序來采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)返回給CGI程序，最后Boa再對經過CGI程序處理的數(shù)據(jù)結果進行解析，將生成的HTTP響應信息返回給Web瀏覽器。

圖2 Boa的數(shù)據(jù)采集程序流程圖

2.3 CGIC庫實現(xiàn)

由于客戶端與Boa Server要進行動態(tài)網頁交互，為滿足此種需求我們采用CGI(Common Gateway Interface)通用網關接口來編寫外部程序。CGI程序可以采用任何具有標準輸入/輸出功能的語言設計，在嵌入式系統(tǒng)中，一般采用C語言作為編程語言[5]。其中，CGIC是一個功能比較強大的支持CGI開發(fā)的標準C庫，在此基礎上進行C語言的CGI編程可以使編程的難度大大降低，編程的效率極大提高。在ARM-Linux平臺上實現(xiàn)CGIC庫的步驟如下：

第一步：下載CGIC庫源碼并修改相關腳本程序。將其解壓并進入源碼目錄# tar xzf cgic205.tar.gz； # cd cgic205，然后修改Makefile文件，找到CC=gcc，將其改成CC=arm-linux-gcc，找到AR=ar，將其改成AR=arm-linux-ar，找到RANLIB=ranlib，將其改成RANLIB= arm-linux-ranlib。找到gcc cgictest.o -o cgictest.cgi ${LIBS}，將其改成$(CC) $(CFLAGS) cgictest.o -o cgictest.cgi ${LIBS}，找到gcc capture.o -o capture ${LIBS}，將其改成$(CC) $(CFLAGS) capture.o -o capture ${LIBS}，并保存退出。

第二步：使用make命令編譯，得到libcgic.a的CGIC庫，通過調試輔助程序capture和測試程序cgictest.cgi，驗證生成CGIC庫的正確性。

第三步：將capture和cgictest.cgi拷貝到Boa Server的/var/www/cgi-bin目錄下。在客戶端的瀏覽器地址欄輸入http://192.168.1.102/cgi-bin/ cgictest.cgi，可以看到頁面，表示CGIC庫和測試腳本都移植成功。

2.4 3G網絡傳輸程序設計

Linux操作系統(tǒng)不僅具有很好的實時性和穩(wěn)定性而且還具有強大的網絡功能，其內部包含了完整的TCP/IP協(xié)議和PPP協(xié)議，為模塊的程序設計提供了強有力的協(xié)議支持。程序模塊主要包括E1750驅動、PPP網絡協(xié)議模塊、采集數(shù)據(jù)接收和TCP發(fā)送模塊。根據(jù)功能需求，以下部分是程序設計要實現(xiàn)的：(1)系統(tǒng)上線自動檢測3G網絡;(2)撥號登陸3G網絡并進行PPP協(xié)商(2)實時或定時接受嵌入式Web Server解析的采集數(shù)據(jù);(3)通過套接字(Socket)端口進行數(shù)據(jù)傳輸?；谀K化的程序設計思想，系統(tǒng)應用軟件設計按照以上功能性的不同，主要包括系統(tǒng)初始化模塊、3G登陸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.4.1 3G登陸模塊

本文3G模塊采用WCDMA制式，WCDMA的分組域支持用戶終端設備UE(User Equipment)通過撥號方式與外部IP網絡建立一個鏈路層連接。PPP(Point-to-Point Protocol，點到點協(xié)議)是建立鏈路層連接最常用的一種協(xié)議，連接建立之后，UE就可以直接與外部IP網絡通信了[6]。Linux操作系統(tǒng)下集成了使終端能方便實現(xiàn)撥號登錄的PPP協(xié)議，模塊包含char和pppd兩個程序，char程序首先撥號完成身份驗證，然后由pppd程序與3G通信進程進行握手完成ppp連接，將3G登陸模塊存放于系統(tǒng)公共啟動腳本/etc/rc.d/rc.sysinit中，這樣終端上電初始化后能自動進行PPP撥號聯(lián)網[7]。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心發(fā)布的實時數(shù)據(jù)采集命令，或者采取定時采集方式，數(shù)據(jù)監(jiān)控終端按照預先設定的時間間隔接受嵌入式Web Server解析過的數(shù)據(jù)信息。

2.4.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

當鏈路層的PPP通信鏈路在終端上建立之后，只要通過Linux下的網絡編程使用傳輸層協(xié)議TCP/UDP即可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。TCP是一種面向連接的可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[8]?；趯Σ杉瘮?shù)據(jù)準確性和完整性的要求，數(shù)據(jù)傳輸程序選用TCP傳輸協(xié)議通過流套接字(Socket)編寫較為合適。終端接入Internet后通過設定好的IP地址和端口進行TCP連接。監(jiān)控中心通過TCP連接的Socket發(fā)出控制終端的遠程命令。傳輸模塊軟件流程如圖3所示。

3 實驗及測試結果數(shù)據(jù)對比

通過DS18B20溫度傳感器將采集的溫度數(shù)據(jù)遠傳至本地客戶端IE瀏覽器的實例來驗證本終端的實用性并與傳統(tǒng)的GPRS網絡設備相比較以證明其在數(shù)據(jù)傳輸上具有良好的實時性和快速性。

圖3 3G傳輸模塊軟件流程圖

DS18B20溫度傳感器實驗具體操作如下：(1)將通過CGI編寫好的溫度采集網關程序wdcj.cgi進行編譯并放入開發(fā)平臺Boa Server文件所在的/var/www/cgi-bin目錄下；(2)將用HTML語言編寫的網頁程序sycj.html放入開發(fā)平臺/var/www/目錄下；(3)在客戶端IE瀏覽器地址欄輸入Boa Server的IP地址后能夠收到終端傳送的網頁登陸界面；(4)輸入正確的賬號和密碼登陸以后，在打開的網頁中選擇實時數(shù)據(jù)查詢，網關程序wdcj.cgi可作為一個shell腳本被網頁HTML程序sycj.html調用執(zhí)行。采集數(shù)據(jù)顯示頁面如圖4，經過測試該終端聯(lián)網迅速，能夠快速的將溫度數(shù)據(jù)實時傳輸至本地Web界面上，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定正常。

圖4 實時溫度顯示界面

4 結束語

本文結合3G無線通信技術和嵌入式Web Server技術，在以S3C6410為主控制器的嵌入式平臺上完成了遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控終端的軟硬件設計，利用該終端，客戶端只需通過普通的IE瀏覽器就能實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的參數(shù)設置和數(shù)據(jù)采集，大量實驗表明，該終端在聯(lián)網速度、數(shù)據(jù)實時傳輸，易操作性等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的無線網絡監(jiān)控設備，在環(huán)境、工礦、水利等遠程監(jiān)控和工業(yè)數(shù)據(jù)采集等應用場合，具有一定的應用前景。

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[3] 時斌，王奔，朱曉舒．基于ARM9的嵌入式Web服務器的移植和應用[J]．微計算機信息，2009,25(26):109-110．

[4] 張繁．Linux C編程從初學到精通[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011．

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[6] 姜波．WCDMA關鍵技術詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2008.

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[8] Richard Stevens W，Stephen A Rago．Advanced Programming in the UNIX Environment[M]．北京：人民郵電出版社，2006．

The design of remote data monitoring terminal based on S3C6410 and 3G network

*WANG Hui1,2, ZHANG Guo-you1,2

(1. College of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University ,Wuhu Anhui 241000, China ; 2.Key Laboratory of electrical transmission and control in Anhui Province, Wuhu Anhui 241000, China)

According to the exiting problem of data transmission delay and network bandwidth narrow for the traditional the 2G/2.5G network data monitoring equipment, we design a data monitoring equipment based on embedded technology and 3G wireless communication technology. The terminal uses a high-performance ARM11 processor as the control chip and transplanted embedded Linux operating system. We mainly provide the design of system hardware and the process of the software realization. The experiment shows that the terminal can transfer remote date to the client through the 3G wireless real-time and efficiently, and is applicable to remote monitoring system and Industrial Data Acquisition System.

ARM11; 3G; embedded web Server; Boa

TP274

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.06.012

1674-8085(2013)06-0056-05

2013-03-11；

2013-05-28

*王 會(1986-)，男，河北邯鄲人，碩士生，主要從事嵌入式系統(tǒng)應用研究(E-mail: hwang_s@yahoo.cn);

張國友(1965-)，男，安徽滁州人，副教授，主要從事檢測技術與網絡控制等研究(E-mail: gyzhang@ahpu.edu.cn).