（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式Web服务器的中央监护系统的研究与实现.pdf

上海大学硕七学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，基于嵌入式以太网w e b 服务器的监控系统的研 制越来越引人注目，成为当前工业自动控制应用领域研究开发的热点之一，已 经在工业控制和智能家电领域得到了应用，相对于早期嵌入式系统所采用的简 单的控制逻辑程序，现代嵌入式系统越来越倾向于使用处理能力更强的处理器， 并使用完整的操作系统。 目前在医学生物学领域，基于嵌入式以太网w e b 服务器的监控系统尚未见 广泛应用。在分析讨论了目前国内外中央监护系统的现状和发展的基础上，本 研究提出将基于嵌入式以太网w e b 服务器的监控系统应用于医院病房的中央监 护系统中。研制以a r m 芯片s 3 c 4 4 b o x 为处理器的床边监护仪器。该床边监护仪 器具有数据采集和处理能力，可对被监护病人的生理状态进行实时地采集、处 理。同时，通过监护仪本身内嵌的w e b 服务器使远程主机得以监护病人的状态。 本文完成的主要工作如下： 1 搭建了基于s 3 c 4 4 b o x 的硬件平台和软件平台，并在此基础上设计了对 体温和心电信号进行监护的床边监护仪； 2 讨论了基于嵌入式以太网w e b 服务器的监控系统的工作机制，并根据 医院病房的特点，设计了中央监护系统： 3 研究并讨论了嵌入式w e b 服务器的工作机制和实现原理，并在 u c l i n u x + s 3 c 4 4 b o x 平台上实现了嵌入式w e b 服务器； 4 床边监护仪端的数据采集和处理模块程序的设计； 5 利用c g i 、a p p l e t 实现服务器和浏览器之间的数据通信，并在中央监护 台浏览器中动态显示体温和心电曲线； 6 在实验室的局域网中，对本文研制的监护系统进行了性能测试，达到 了预期的效果。 v e 海大学硕士学位论文 课题的研究结果表明，将基于嵌入式以太网w e b 服务器的监控系统应用于 医院监护系统中，能较好得实现监护功能。通过对基于嵌入式以太网w e b 服务 器的监控系统的硬件和软件的设计，为其将来的实际应用进行了有益的探索， 积累了宝贵的经验。 关键词：中央监护系统，a r m ，u c l i n u x ，嵌入式w e b 服务器，嵌入式系统 v l e 海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ea d v a n c e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，g r e a ta t t e n t i o nh a sb e e n a t t r a c t e do n t oe m b e d d e dw e b b a s e dm o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hb e c o m e so n eo ft h e f o c u so f t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h em o d e ma u t o m a t i cc o n t r o li n d u s t r y t h e e m b e d d e dw e b - b a s e dm o n i t o r i n g ( e w m ) s y s t e mh a sf o u n da p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a l c o n t r o la n di n t e l l i g e n te l e c t r o n i ch o m ea p p l i a n c ew i t hi n c r e a s e ds o p h i s t i c a t i o no f c o n t r o ll o g i ca n df u n c t i o n c o m p a r e dw i t ht h es i m p l ec o n t r o ll o g i cp r o g r a mo ft h e e a r l i e re m b e d d e da p p l i c a t i o n s ，m o d e ms y s t e mi si n c l i n e dt om o r ep o w e r f u l p r o c e s s o r sa n di n t e g r a t e do p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hm a k e se m b e d d e ds y s t e mm o r e a n dm o r ef u n c t i o n a l i nt h ef i e l do fb i o m e d i c a lr e s e a r c h e s ，m i c r o - p r o c e s s o rb a s e de w ms y s t e mh a s n o tb e e nf u l l yi n v e s t i g a t e d ，w h i l ea p p l i c a t i o n sn o tb e i n gw e l li m p l e m e n t e d u n d e r s u c hc i r c u m s t a n c e s ，t h i ss t u d yp r o p o s e st oa p p l yt h ea r mp r o c e s s o rb a s e de w m m o d u l ei nt h ec e n t r a l m o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c h i su s e dt om o n i t o rt h e p a t h o p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r so f t h ep a t i e n t si nh o s p i t a l t h eg o a li st oi m p l e m e n t a b e s i d em o n i t o rw i t he m b e d d e dw e bs e r v e ra n dt h ec a p a b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n g ， e n s u r i n gt h ed a t ac o l l e c t i o na n ds u r v e i l l a n c eb e i n gf u n c t i o n a la sw e l la sd a t at r a n s f e r t oa n df r o mt h er e m o t em o n i t o rt h r o u g ho n - l i n ew e bs e r v i c e t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r eb e i n gs t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ： 1 t h ei m p l e m e n to ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do ns 3 c 4 4 b o xa n du c l i n u x o p e r a t i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t h ep r o j e c t ； 2 t h ei m p l e m e n t st r a n s p l a n ta n dd e v e l o p m e n to fw e bs e r v e r , b a s e do n t h o r o u g hs t u d yo nl i t e r a t u r e s ， 3 d e s i g nt h ep r o g r a m f o rd a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dd a t as a m p l i n gm o d u l e ； 上海大学顺士学位论文 4 e s t a b l i s h m e n to f t h ec o n n e c t i o no f t h ew e bs e r v e ra n dd a t am o d u l e ； 5 p r o b l e ms o l v i n go fr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n dd y n a m i c w e bb yu s i n gc g i ，a p p l e t ； 6 t e s t i n gt h es y s t e mi nl a n o f t h el a ba n da c q u i r eag o o dr e s u l t t h es t u d yr e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fe w sb a s e dc e n t r a i m o n i t o r i n gs y s t e mh a sa t t a i n e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h r o u g hh a r d w a r ea n d s o f t w a r e d e s i g no ft h ee w s m o n i t o r i n gs y s t e m ，f u t u r ep o s s i b l ea p p l i c a t i o n sh a v eb e e n e x p l o r e dw h i l ev a l u a b l ee x p e r i e n c eg a i n e d k e yw o r d s ：c e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e m a r m ：u c l i n u x e w s ( e m b e d d e dw e b s e r v e r ) e m b e d d e ds y s t e m v 1 1 1 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垄监e t 期圣竺丝瑟z 塑 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送 交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名 1 1 日期：垄：! ：! ：j 厂 上海大学硕士学位论文 第一章序论 1 1 问题的提出、研究的目的及意义 1 1 1 问题的提出 近年来，随着我国改革开放的不断深入，国民经济的稳步发展，人们生活 水平的提高，人们也越来越清楚的认识到，生活质量与人们的身体健康密切相 关，生命对他们也越来越重要了。因此，利用现代先进的科学技术对生命体征 进行监护就发挥着举足轻重的作用。医疗设备成为医生临床诊断必不可少的帮 手，它们判断能力有时比医生的临床经验都更准确。而本文研究的中央监护系 统就是其中的一种。 通常监护仪可以分两种【lj ，一种是床边监护仪，另一种是中央监护系统。 图1 - 1 床边监护仪实物图图1 - 2 中央监护系统实物图 f i g 1 - 1p h o t oo f b e s i d em o n i t o rf i g 1 2p h o t oo f c e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e m 床边监护仪主要用来对病人的生理或生化参数进行连续地、长时间地、自 动地和实时地监测，并在经过分析和处理这些参数后，实现多类别自动报警、 自动记录和对结果综合判断的功能，从而有利于医护人员或医生可以及时地发 现病人的病情变化情况；一但发现情况变化，他们便可以采取必要的护理与急 救措施，避免般病人的病情来不及诊治和危重病人的死亡口】。 中央监护系统由一台或多台中央监护台通过网络将多台床边监护仪联在一 起，集多床病人的生理或生化参数监护和状态监护于一身的大型系统，它主要 上海大学硕士学位论文 负责监视病人行为状况，将各个床位病人的状态、监护波形和数据同时显示在 监视器上，使医务人员可以不用查房就对病人的情况进行了解。 中央监护系统是目前应用较广、功能较强、使用方便的辅助诊断设备，被大 中型医院危重病房所普遍采用，但也有一些不利因素，限制了其在国内的普及口】。 1 产品价格昂贵 中央监护系统往往都是进口引进的，其价格昂贵。如英国o x f o r da x i s1 8 床位中央监护系统等售价在4 0 万元以上，日本光电w e p - 3 2 0 4 k 售价在2 5 万元以上， 美国宝莱特b l t - 1 0 0 0 、美国的h p 7 8 5 6 0 a 、日本福田d s 一3 3 0 0 、德国西门子等公司 生产的多参数中央监护系统售价在1 5 万元左右。如此昂贵的价格，要作为常规设 备很难在中国市场普及。只能在冠心病监护病房、重症监护室、脑疾患者监护室， 在手术室、分娩室、康复室内等一些专科病房有条件配备，而在病人最集中的普 通的医院住院部的病房床头没有条件配备。 2 操作界面不适合中国国情 由于系统大多从国外引进，进口仪器均采用英文操作，给医务人员操作仪器 带来极大不便，使医务人员有时不能正确理解紧急情况下出现的英语提示而导致 误操作，因此，它仅适于一些英语较好的医务人员使用。 3 产品损坏后更换不便 目前，国内监护仪器的生产尚未成规模，虽有一些公司组装的产品，性能较 好，但价格依然昂贵。而真正国内自行设计生产的监护仪器，准确度、稳定性普 遍较差。另外，目前监护系统一般采用专用元器件来形成一个独立系统，更换与 维修进口仪器元器件也十分不便。 另外，很多中央监护系统都不能进行远程监护，且不提供与外部系统的接口。 随着计算机网络在医院的普及，医院各科室间共享数据的要求将会越来越强烈。 因此，本文提出了基于嵌入式以太网w e b 服务器的中央监护系统的解决方 案，即利用医院现有的微机、网络设备，使用性价比较高的a r m 处理器芯片，引 入嵌入式以太网技术和w e b 技术以实现中央监护系统的功能。该系统造价低、灵 活度大，有望作为面向中小型医院中央监护系统的解决方案。 r 海大学硕士学位论文 1 1 2 研究的意义 由于中央监护系统可用来实时分析、显示与记录，并具有对结果的综合判 别能力，因而便于医务人员发现病人的病情变化，随后采取必要的措施，从而 大幅度减少病人死亡率。因此，世界各国纷纷建立起冠心病监护病房、重症监 护室、脑疾患者监护室，在手术室、分娩室、康复室内等一些专科病房加强了 监护措施。 我国的医疗信息化现在不是很发达，医疗基础设施建设比较差，医疗资金 有限，制约了中央监护系统在中小型医院及普通病房的普及。同时，我国又是 一个发展中国家，人口众多，导致了医疗服务体系结构十分庞大而又复杂。我 国的医疗信息化之路不能照搬发达国家的模式，也不能完全依赖国外进口技术 或服务。因此，研制一种普及于各等级医院普通病房的适合我国具体国情的中 央监护系统，将给我国的医疗系统带来很大的现实意义。 1 2 问题的研究背景 1 2 1 中央监护系统的发展及现状 随着电子技术的突飞猛进和新的医疗检测技术与手段的日新月异，医疗监 护系统也从单一生理参数的检测发展到对人体心率、体温、呼吸、血氧和血压 等多参数的检测。最为典型的就是中央监护系统，它性能卓越，能够昼夜连续 进行多床位同时监护，实时地检测临床病人生理参数的变化，并在危重情况下 及时提供报警信号，这些优点给人们带来了极大的好处。所以，无论在国内还 是在国外，中央监护系统都得到了广泛的应用和迅速的发展。 国外的医疗器械公司以及一些大型的电气公司诸如g e 、s i m e n s 等【4 j ，早 在二十世纪六十年代就提出了开发“一切以病人为中心”的全功能、大综合的 医疗信息系统，中央监护系统就是其中一个重要的组成部分。但是，当时由于 技术尚未成熟，特别是微电子、微处理器以及网络化等关键技术发展还不够完 善，从而影响了中央监护系统的应用和普及。但是，进入七十年代以后，微处 理器技术快速发展，使得p c 机的应用在人们生活中得到了普及，监护仪就是 r 海大学硕士学位论文 在此基础上得到了广泛的发展和应用，当时主要的产品有美国惠普的 h p 7 8 3 5 2 c 、芬兰的a g m l 2 3 + c h s 等。同时，近年来，计算机网络技术的建立 和快速发展，给监护仪的普及带来了革命性的变化。由于网络技术具有传输信 息量大、高波特率、高效率等优点，加之监护仪与它相结合，使得医疗信息化 发展有了质的飞跃，同期出现的产品有p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n g & c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 系统、h i s ( h o s p i t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统等。这给临床病人、医生提 供了很大的方便。而中央监护系统则是这些医疗系统的基础所在，产品有英国 的o x f o r d a x i s c a n 系列、日本光电的w e p - - 3 2 0 4 k 等，他们在实际应用中都 取得很好效果。 8 0 年代以来，各城市大中型医院相继建立起i c u 和c c u 病房1 5 l ，中央监护 系统逐渐趋向普及。由于欧美国家研制生产中央监护系统的历史较长，不仅有 先进的电子设备为基础，也投入大量的资金，丰富临床应用技术，积累了许多 临床测量方法及理论。其产品具有技术先进、测量准确、功能强大、抗干扰能 力强、性能稳定、外形设计合理等优点。所以，目前进口监护设备在医院监护 设备仍占很大比重，中央监护系统的情况更是如此。随着科学技术的提高， 我 国医疗器械企业从我国国情出发，紧随时代的前进步伐，充分发挥自身潜力， 走过了一条从代理到仿制，再到自主开发的道路。国产的、国内组装国外厂家 及合资的中央监护系统也已逐渐进入国内大中型医院。其中国产的有北京精 博电子仪器研究所的j b 9 1 0 0 、泰安市医学仪器研究所的c c u 一4 0 0 0 和d j 一4 2 0 0 等，国内组装的有北京医用电子仪器厂组装日本的产品等，合资的有北京信士 达医疗器械有限责任公司的l & k 8 0 0 、武汉先声智能系统有限公司的h m s 系列 等【4 l 。 在中央监护系统网络组成方面，早期各公司采用的是专用网络及协议，例 如r s 2 3 2 总线，c a n 现场总线等，各家并不兼容。近几年来很多公司采用了 快速以太网( 8 0 2 3 ) 协议标准，提高了兼容性，降低了连网成本。中央监护系统 网络采用以太网结构，通过网关等与医院的医院信息系统( h i s ) 相连，医生可在 i c u 、c c u 监护病房对其他科室的病人实施监护，同样通过网络也可在医院的 其他地方随时了解i c u 、c c u 病房的病人情况。 4 上海大学硕士学位论文 随着现代科技的发展，计算机与网络在医疗仪器中的广泛应用，中央监护 系统与院内的l a n 的连接为建立医院内联机管理提供了良好的基础，与国内、 国际互联网的连接使医院实现全球网络化管理成为可能。 1 2 2 嵌入式以太网w e b 技术的现状 嵌入式以太网w e b 技术是嵌入式以太网技术和w e b 技术的结合。 嵌入式以太网技术是把t c p i p 协议应用于嵌入式设备，从而实现嵌入式设 备接入以太网的功能。目前，在监控系统的现场节点应用嵌入式以太网技术， 使现场节点具备以太网功能是监控系统的一个发展趋势。随此发展趋势，监控 软件也从早期的单机应用发展到基于嵌入式w e b 的网络应用。 从8 0 年代起，一些i t 组织和公司开始进行嵌入式系统的研发，大部分新 开发的嵌入式处理器都支持网络协议，如r a b b i t 半导体公司的 r a b b i t 2 0 0 0 3 0 0 0 处理器、a m d 公司的a m l 8 6 系列嵌入式处理器、m o t o r o l a 公 司的m 6 8 h c 系列嵌入式处理器等等。可以说，目前研究嵌入式以太网的条件已 经成熟。 国外对嵌入式以太网的研究己从理论阶段过渡到开发阶段。在工业控制领 域，美国o p t 2 2 公司采用嵌入式以太网，研制开发了“以太网i o 系统” s n a p i o 系统，通过以太网对分介在远程设备现场的i o 口迸行访问，从而实 现对远程设备的监测和控制。s n a p i o 己成功应用于工业过程控制、路桥收费 系统监控、输袖管线的监控及楼宇的智能化监控等多项工程中。此外，惠普公 司应用l e e e l 4 5 1 2 智能传感器标准，研制的嵌入式以太网控制器具有1 0 b a s e t 以太网接口，能够运行f t p h t t p t c p u d p 协议，应用于传感器、驱动器等现场 设各。 目前，国内在基于嵌入式以太网方面的研究还不很成熟。最年来，越来越 多的科研机构和院校开始研究嵌入式以太网w e b 技术在远程测控领域，如水利、 石油、环保和楼宇控制等方面的应用，同时也发表了不少这方面的论文，但是 目前国内对于嵌入式以太网的w e b 技术的应用研究还不是非常成熟，仍很多问 题尚待解决。可以预见，在今后几年中，基于嵌入式以太网的w e b 技术仍将是 上海大学硕士学位论文 研究热点之一。 1 2 3 嵌入式以太网w e b 技术在医学监护系统中的现状 目前，在医院的中央监护系统中大多还是采用专用网络及协议，例如 r s 2 3 2 总线，c a n 现场总线等，连接中央监护台和床边监护仪。这样的设计 需要通过专用通信线，不仅通信介质是专用的，而且通信协议、配套软件和硬 件都要专门设计。与之相比，若监护网络采用以太网，只要将具有嵌入式以太 网w e b 功能的监护仪器设备连接到监护网络，就能很方便的实现监控功能口l 。 现在，市场上已经出现了些自已带有w e b 服务器监护系统【6 】，例如爱尔 兰e v e n tm e d i c a l 公司生产的灵智( i n s p i r a t i o nt m ) 呼吸机系列，其内置了网络接 口和m i n i w e b 服务器，组网后在中央台可以用i e 浏览器观察呼吸机的工作参 数，显示呼吸曲线，通过相应的通讯技术与市内、国内甚至全球的网络连接， 实现远程通讯。人们可以在任何地方、任何时候进行远程监护和家庭护理，为 远程医疗奠定了基础。 1 3 本文所做的工作和结构 1 31 本文的工作 本文所做的主要工作如下： 1 搭建u c l i n u x + s 3 c 4 4 b o x 工作平台 分析了监护仪器的发展、现状和发展趋势，并在目前已有的开发板基础上， 根据本中央监护系统特点重新搭建了硬件平台和软件平台，使平台具备了网络 功能。同时，由于s 3 c 4 4 b o x 内部的a d 转换器不能满足心电信号的采样要求， 还专门为平台扩展了一块l l 位a d 转换芯片。并在此基础上，开发监护系统 中的床边监护仪。 2 在以上平台上实现了嵌入式w e b 服务器功能 分析了嵌入式w e b 服务器的原理。详细介绍并完成了b o a 服务器移植到 u c l i n u x + s 3 c 4 4 b o x 平台的过程。编写了c g i 程序实现了嵌入式w e b 服务器与 浏览器之间的数据通信。 6 上海大学硕士学位论文 3 床边监护仪的数据采集和处理 在u c l i n u x 下编写了数据采集和数据处理程序，实现了床边监护仪的对于 体温和心电信号数据的采集与处理功能。 4 中央监护台浏览器端的动态曲线显示 用j m ，a 程序语言编写了j a v aa p p l e t 程序，实现了数据的正确接收，并且 将从床边监护仪端获得的体温和心电信号数据动态地显示在浏览器上。 5 对系统进行了测试 在实验室的局域网中，对本文研制的监护系统进行了性能测试，达到了预 期的效果。 1 3 2 本文的结构 本论文共分六章： 第一章：序论。介绍了课题的研究背景、意义及研究现状。 第二章：嵌入式w e b 服务器技术理论基础。分别对嵌入式以太网技术、嵌 入式w e b 服务器的原理和工作方法作出了详细介绍，并讨论了动态交互技术c g i 的工作机制和实现方法。 第三章：中央监护系统的体系结构设计。设计了中央监护系统的总体结构， 分别介绍了本系统中，床边监护仪和中央监护台两部分的设计思想和实现方法。 第四章：床边监护仪端嵌入式设备的设计。详细说明了床边监护仪的硬电 路的设计和软件平台的搭建。并在已有的平台上实现嵌入式w e b 服务器功能， 和数据采集、处理模块。 第五章：浏览器端的设计。利用j a v a 编写a p p l e t 程序来实现浏览器端与 w e b 服务器的数据交互和浏览器端的动态绘图。 第六章：实验及总结。用实验室的局域网模拟医院的局域网进行了系统测 试实验，并得出了结论。 上海大学硕上学位论文 第二章嵌入式以太网w e b 服务器技术基础 嵌入式以太网是指将嵌入式系统接入以太网，使嵌入式w e b 能够实现对嵌 入式系统的远程监视、控制、诊断、测试和配置等功能。其应用框图如图2 1 【7 1 ： 图2 - 1 嵌入式以太网w e b 应用。 f i g 2 - 1a p p l i c a t i o no fe m b e d e de t h e r n e tw e b 应用中，操作站与嵌入式系统以及嵌入式系统之间通过以太网连接，通信 采用t c w i p 通信协议。操作站可以使用w e b 浏览器对嵌入式系统f 嵌入式w e b 服务器) 进行监控，该模式为b s 模式，需要通过动态交互技术实现测览器与服 务器间的数据交换，动态交互技术是建立在t c p i p 通信基础之上的，如公共关 接口c g i 通过t c p i p 上的h t t p 协议实现交互功能。嵌入式系统与测览器端 运行程序及嵌入式服务器之间通过t c ps o c k e t 或u d ps o c k e t 进行数据传输。 本章对嵌入式以太网w e b 服务器相关的内容进行较为详细的研究。 2 1 嵌入式以太网技术 2 1 1 嵌入式以太网技术的概念 嵌入式以太网技术就是把t c p i p 协议应用到嵌入式设备中，从而使嵌入式 设备实现接入以太网的功能。随着制造工艺的进步，智能控制芯片的成本越来 海大学硕士学位论文 越低，功能却越来越强大。许多厂商的微控制器都将t c p i p 协议栈集成在控制 芯片中，或者用软件实现t c p i p 等网络协议，这不仅解决了嵌入式控制器与以 太网连接的技术问题，同时也使得这种连接费用降低到工业控制完全可以接受 的程度。 这种技术的发展促使了基于嵌入式以太网的控制网络的出现。在这种网络 体系结构中，基于t c p i p 的以太网贯穿于控制系统的各个层次，将一台台孤立 的现场设备和设备工程师以及企业管理人员均作为一个网络节点通过以太网有 机地连接在一起，形成一个有机的整体，实现了现场设备到管理层的直接通信， 使设备的控制与维护由过去那种封闭、各行其是的管理模式逐步向开放、共享、 合作的新型管理模式转变，并最终实现企业控制和管理信息的无缝集成。 2 1 2t c p l p 协议 i n t e r n e t 所使用的基本协议是t c p i p ，目前在桌面系统中广泛应用的应用协 议，如f t p ，t e l n e t ，h t t p 等都是建立在t c p i p 协议之上。t c p i p 实现各 计算机之间的数据传输，是传输层的核心协议。图2 - 2 描述了i n t e m e t 使用的i p 、 t c p 、u d p 和i c m p 协议，以及应用层协议之间的关系【8 1 9 1 。 应用程序 应用程序 +十 0 t c p 协议u d p 协议 气、一一 i p 协议 一 i c m p 协议 网络接口 应用层 传输层 网络层 数据链路层 图2 - 2t c p i p 协议层次 f i g 2 2t c p i pp r o t o c o ls t r u c t u r e 1 i m e r n e t 协议( i p ) 从图中可以看出，i p 协议处于t c p i p 协议簇中的网络层，传输层协议u d p 和t c p 协议都是建立在它之上的，使用它来发送和接收数据。 上海人学硕士学位论文 i p 协议是网络层协议。作为一个网络层协议，i p 协议主要完成数据包的发 送，将数据包传送到远程机器，而不管这两台机器是否处于同一网络中。为发 送数据包，i p 协议需要为每个i p 数据包选择路由。i p 协议为高层协议提供了 一个非面向连接的不可靠的数据包传送服务。非面向连接表示每个数据包的发 送是独立的，发送过程中没有固定的连接；不可靠表示i p 协议不保证数据包的 可靠到达。 2 i n t e m e t 消息控制协议( i c m p l i n t e r n e t 的运行主要是由i n t e m e t 的路由器来控制的。路由器完成i p 数据包 的发送和接收，如果发送1 p 数据包时发生错误，路由器使用i c m p 协议来报告 这些消息，例如对于一个i p 数据包，如果路由器无法从它的路由表中找到接收 这个i p 数据包的网络，那么路由器向发送这个i p 数据包的主机返回一条i c m p 错误消息，通知目的地址不可到达。i c m p 协议不仅通知错误消息，而且传输 控制消息。 3 用户数据报协议( u d p ) u d p 协议建立在i p 协议的基础之上，和i p 协议一样，提供非面向连接的 和不可靠的数据报交换，而建立连接的开销相对较大。 u d p 协议是非面向连接的协议，这意味着通信过程中，客户机和服务器之 间没有固定的通道。对于服务器而言，每个客户机请求都是独立的，服务器无 法区分同一个客户机的两个连接请求之间的顺序；对于客户机而言，每个服务 器回答也都是独立的，客户机不能指望最先的回答是对应于最先的请求。如果 需要维护通信的顺序，应用程序必须在自己的程序中处理这个问题，因为u d p 协议的这种非丽向连接的特性，所以可以将每个u d p 数据报看成一个消息。 u d p 协议是不可靠的协议，这意味着它不保证数据报能够可靠地到达目的 地址，数据报可能在传送过程中丢失或者损失。如果程序需要可靠地通信，也 必须在自己的程序中处理。 4 传输控制协议( t c p ) 从以上讨论可知，i p 协议和u d p 协议都是非面向连接的和不可靠的协议。 但大多应用情况还是希望底层的网络提供一条面向连接的可靠的通信道路，在 上海大学硕上学位论文 这个通道上传输的数据能够顺序地、可靠地到达对方。建立在i p 协议之上地传 输层协议t c p 就提供了这样一种可靠地通信道路。 t c p 协议用确认和超时重传来保证通信的可靠性，t c p 协议要求接收方对 每个接收到的数据段返回确认，如果发送者在指定的时间之内没有接收到对方 的确认数据段，它将重新发送这个数据段，然后继续等待确认。如果连续几次 重新发送都未收到确认，t c p 协议就放弃继续发送，向高层应用程序报告发送 错误。为了提高发送的效率，t c p 动态地修改等待确认数据段的时间。 t c p 协议提供的是一个面向字节流通道，数据之间没有界限，为了保持字 节流的顺序，t c p 协议为发送的每个数据包分配一个序列号。 t c p 协议还提供流量控制，接收方总是将它能接收的数据量大小告诉发送 方。接收方的t c p 协议设置一个大小可变的接收窗口，窗口的大小反映了当前 可接收的数据量大小( 接收缓冲区可用空间的大小) 。确认数据段中通知接收方 它现在的窗口大小。接收方在返回去的数据段中通知它的接收窗口现在的大小。 发送方根据对方接收窗口大小发送数据。t c p 协议在接收过程中动态地调整窗 口大小，每当将接收到的数据存放在缓冲区中，就缩小窗v 1 的大小以反映可用 的缓冲区的减小。当高层的应用程序将数据从缓冲区中读走之后，就扩大窗口 的大小以反映可用的缓冲区的扩大。 t c p 协议通信道路是全双工通道，连接的一方可以既是接收者又是发送者。 为了建立一条可靠的连接，t c p 协议采用3 次握手方式： 1 ) 服务器首先执行被动打开连接的操作。完成启动操作后，服务器进入睡 眠，等待客户机的连接请求。 2 ) 客户机执行主动打开连接操作。它通过t c p 协议向服务器的t c p 协议 发送一个s y n 类型数据段，在这个数据段的序列号域中包括客户机的初始序列 号。 3 ) 服务器t c p 协议接收到这个s y n 类型数据段之后，也发送一个s y n 类型数据段，在这个数据段中包括它自己的初始序列号和对s y n 类型数据段的 确认。 4 ) 客户机t c p 协议在接收到对自己s y n 类型数据段的确认之后，发送对 l 海大学硕士学位论文 服务器s y n 类型数据段的确认。至此，客户机完成连接操作。 2 1 3 嵌入式设备接入i n t e r n e t 技术 在嵌入式设备进行w e b 监控的实际应用中，主要采取三层结构，即现场设 备层、w e b 服务器层和浏览器层。现场设备通过两种接入方式接入网络：间接 接入方式和直接接入方式。 1 间接接入方式 在早期的监控系统中，普遍采用的是8 1 6 位的嵌入式系统，其速度慢和内 存小等系统性能缺陷使其不能赢接连入网络，只能采用间接的接入方式。这种 连接方式清楚的区分了现场设备层、w e b 服务器层和浏览器层这三层，其结构 如图2 - 3 所示： 图2 3 间接接入结构 f i g 2 - 3e m b e d d e ds y s t e m sa c c e s s i n g i n t e r n e tw i t hg a t e w a y 嵌入式网关同时提供w e b 服务和数据库功能，嵌入式系统和嵌入式网关采 用传统的r s 2 3 2 或r s - - 4 8 5 等连接通信。嵌入式系统将数据传给嵌入式网关， 并存放入实时数据库，这个实时数据库中的现场数据又存入大型数据库中做历 史数据保存，同时将现场数据通过a s p 或p h p 发布到i n t e r n e t 上供监控人员浏 览。 这种技术模型解决了以8 1 6 位微处理器为核心的嵌入式系统的i n t e r a c t 接 入。但是它需要一个专门的嵌入式网关，而且网关和各个嵌入式系统之间的通 信受到距离和速度的限制。对于过度分散的嵌入式系统而言，采用这种接入技 术模型，成本将会增加。 基于这种接入技术模型，e m w a r e 公司提出了e m i t 技术( e m b e d d e dm i c r o i n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ，嵌入式微因特网互连技术) ，通过给8 1 6 位嵌入式 系统增加相应的软、硬件接入i n t e r n e t ，充分解决了8 1 6 位的嵌入式系统接入 上海大学硕士学位论文 i n t e m e t 的问题，得到了众多软硬件厂商的支持，是当前很具有前景的8 1 6 位 嵌入系统的i n t e r n e t 接入技术。 2 直接接入方式 随着嵌入式i n t a r n e t 的出现，嵌入式系统得以直接接入i n t e r n e t 。将现 场设备层、w e b 服务器层由嵌入式系统一起实现，使客户端浏览器与现场设备 直接相连，进而对其进行监控。这种方法更直接、快捷、经济、高效，同时由 于不再需要专门的w e b 服务器，也减小了开发人员的工作量，其结构图见图2 4 ： 嵌入式 t c p 仃p 网关 嵌入式系统 图2 4 直接接入结构 f i g 2 - 4e m b e d d e ds y s t e m sa c c e s s i n g i n t e r n e tw i t h o u tg a t e w a y 直接接入技术主要是针对采用高档微处理器的嵌入式系统，如采用3 2 位的 a r m 和一些单周期指令速度较高的8 位的单片机。随着硬件技术的发展和制造 成本的降低，高档嵌入式系统微处理器的应用将越来越广泛，也会逐步取代普 通的8 1 6 位微处理器成为应用的主流。从高档嵌入式系统微处理器本身来讲， 能够集成网络接口部件，并且具有足够的速度和资源来实现网络协；另外，现 有的高档嵌入式系统微处理器都实现了t c p i p 协议，并提供相应的网络软件。 因此，高档嵌入系统微处理器己经具备了直接接入i n t e r n e t 的条件。这种i n t e m e t 接入技术模型可以使嵌入式系统直接与i n t e m e t 相连，具有很大的灵活性，但是 占用的系统资源较多，对微处理器的要求也很高。 本课题所涉及的中央监护系统便是采用的上面介绍的第- l + 接入技术直 接接入技术，将床边监护仪接入医院的局域网中，实现集中监护的目的。 2 2b s 系统结构概述 随着i n t e m e t 技术的兴起，在传统的c s ( 客户机服务器) 结构基础上，人们 提出了b s ( 渤j 览器服务器) 结构，它可以说是对于c s 结构的一种变化或者改 上海大学硕士学位论文 进结构。在这种结构下，用户界面完全通过w e b 浏览器实现。一部分事务逻辑 在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓3 一t i e r 结构。 b s 结构利用不断成熟和普及的浏览器技术实现原来需要复杂专用软件才 能实现的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件系统构造技术。 b r o w s e r 浏览器界面，不仅直观和易于使用，更主要是基于浏览器平台的任何 应用软件其界面风格一致，对用户操作培训的要求大为降低，软件的可操作性 增强。 b s 结构主要是利用了不断成熟的w w w 浏览器技术，结合浏览器的多种 s c r i p t 语言( v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t 等) 和a c t i v e x 技术，用通用浏览器就实现了原 来需要复杂专用软件才能实现的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的 软件系统构造技术。 表2 - 1b s 结构与c s 结构部分项目的比较 t a b l e 2 - ic o m p a r i s o nb e t w e e nb sa n d c i ss t r u c t u r e 硬件环境安全性系统维护用户接口 c s 结构专用网络专面向固定用户群用户要安装特定的软件客户端软件对o s 有特殊要 门服务器安全性好升级在客户端进行求 b s 结构 广域网 面向未知用户群 维护和升级都在服务器端客户软件对o s 无特别要求 虽然对b s 结构相对c s 结构有很多的有点，但是c s 结构在对大量数据 进行批量的增、删、改操作和对数据库中的数据进行管理的问题方面，还是有 很大的优势的。即在信息系统中的数据维护部分适合使用c s 结构；信息系统 中的数据查询部分适合使用b s 结构【1 2 l 。 考虑到本中央监护系统，主要功能是向床边监护仪查询病人的生理参数的 数据，所以在本系统中采用的是b s 结构，床边监护仪作为服务器端，中央监 护台作为浏览器端。 2 3 嵌入式w e b 服务器概述 2 3 1w e b 体系结构 w e b 技术以h t t p 技术为基础，具有简单、高效、跨平台等优点，已经成 1 4 上海大学硕士学位论文 为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。w e b 体系结构包括标识( u r l ) 和呈现( r e p r e s e n t a t i o n ) 、资源( r e s o u r c e ) 、以及定义基于该空间的信息系统中各 软件代理之间进行交互( i n t e r a c t i o n ) 的协议。 标识、呈现和资源的关系如图2 5 ： 标识介 佤面五五五赢磊蔬 ! ! 竺 。- 、。，- - - u u ，- ，- - - - 一 图2 - 5 标识、呈现和资源的关系 f i g 2 5r e l a t i o n s h i po f r e p r e s e n t a t i o nr e s o u r c eu r l 设备的资源( r e s o u r c e ) b p 设备状态由u r l 来标识。在本例中，浏览器通过 h t t p 协议索取的设备的资源，设备的资源( r e s o u r c e ) 返回其呈现( r e p r e s e n t a t i o n ) 一h t m l 页面。 2 3 ，2 什么是嵌入式w e b 服务器 嵌入式w e b 服务器( e w s ，e m b e d d e dw e bs e r v e r ) 是指将w e b 服务器引入到 现场检测和控制设备中，在相应的硬件平台和软件系统支持下，使传统的控制 和检测转变为具备了以t c p i p 协议为底层通信协议，w e b 技术为核心的基于互 联网的网络设备。 2 3 。3 嵌入式w e b 服务器的特点 在嵌入式系统中，由于处理器能力和存储器容量等外部条件的制约，嵌入 式w e b