（计算机应用技术专业论文）网络电源监控系统的设计与实现.pdf

东北火学硕士论丈 摘要 网络电源监控系统的设计与实现 摘要 i n t e m e t 现己成为社会重要的基础信息设施之一，当嵌入式设备配有网络通信 接口，荠德到相瘦蜘t c 雌p 携议棱等软l 牛的支持，便可以接入i n t e r n e t 。嵌入式技 术和i n t e m e t 技术的发展为创建网络电源监控系统提供了一个解决途径。 淹诧，本文攥密霸终毫添茧萋控系统靛竣诗与实魂，鼹终电源监控系统楚在嵌 入式w e b 服务器的基础上设计与实现的。 在客户端以s o c k e t a p i s 为标准，乖j 奔jj a v a a p p l e t 编写网络瞧源盆控系统客户 端威用程序。在e l b u i l 幽r 2 0 申利用伪t f t p 协议实现下缓功能，并通过此功能把 编写的客户端应用程序下载到w e b i t 2 0 的e e p r o m 中。在服务器端以瘦t c p i p 捺议棱秀蒸礁，裂震汇缡语言开发爨络逛源监控系统鼹务器漾艘鼹程痔。逶避溪 试和运行使得服豁器端利用u d p 协议实现对客户端数据的传送，利用h t t p 协议 接收客户端的请求并运黼w e b 页面。这释瓣子瑙户来说藏霹戳在隧络上静任意一 台计算机，通过w e b 浏览器远程访问电源，查询纂本信息和工作状态，实现远程 w e b 监控。 最基本文通过实验对瓤络电源监控系统功能； 爨性能逑行了分捱。 关键谲嵌入式i n 。糯e 鼓术嵌入式搿秘骚务器j a v a a p p l e t 秘羊f 霹s o c k e t a p i s i i 东北火学硕出论文a b s t r a c t d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fan e t w o r kp o w e r m o n i t o rc o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y s 1 敬t e m e t h a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n f o m a a t i o n a l i n s t r u m e n t si ns o c i e t y w h e nt h ee m b e d d e ds y s t e mi se q u i p p e dw i t hn e t w o r ki n t e r f a c e a n das e r i e so ft c p i pp r o t o c o ls o f t w a r ea r ep r o v i d e d ，t h ee m b e d d e di n t e m e td e v i c e c a r lb ec o n n e c t e dt oi n t e r a c t ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d i n gt e c h n o l o g ya n dt h e i n t e m e tt e c h n o l o g y p r o v i d e as o l u t i o nf o rm en e t w o r k p o w e r m o n i t o rc o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r e ，t h ep u r p o s eo f t h et h e s i si st h ed e s i g na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e n e t w o r k p o w e r m o n i t o rc o n t r o ls y s t e m t h i ss y s t e mi sb a s e do nt h ee m b e d d e ds e r v e r d e v i c e t h ec l i e n tp r o g r a m st h en e t w o r kp o w e rm o n i t o rc o n t r o la p p l i c a t i o nw i t ht h e s t a n d a r do fs o c k e ta p i s t h e n ，d e v i s e rd o w n l o a d st h i sp r o g r a m t oe e p r o mo f w e b i t 2 。0t h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no fp s e u d o - t f t pp r o t o c o li ne i b u i l d e r 2 ，0 ，t h e e m b e d d e dw e bs e r v e ri m p l e m e n t ss i m p l i f i e dt c p i pp r o t o c o l s u i t ea n dp r o g r a m s s e r v e r sa p p l i c a t i o nw i t ha s s e m b l yl a n g u a g e t h es e r v e rm a y t r a n s f e rt h ed a t at ot h e c l i e n tt h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no fu d pp r o t o c o la n dr e c e i v et h er e q u e s tf r o mt h e c l i e n tt h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no fh t t pp r o t o c 0 1 t h r o u g hw e bb r o w s e ra ta n y c o m p u t e ro nt h en e t w o r k u s e r sc a n a c c e s st o p o w e r , q u e r ya n dc o n t r o lr t u m i n g p a r a m e t e r s ，b a s ei n f o r m a t i o na n dw o r ks t a t ea b o u tp o w e r , r e a l i z el o n g - d i s t a n c e w e b m o n i t o rc o n t r 0 1 f i n a l l y , w ea n a l y z et h e f u n c t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r kp o w e r m o n i t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do na ne m b e d d e dw e b s e r v e rt h r o u g hat e s ti nt h ep a p e r , k e yw o r d se m b e d d e di n t e r a c tt e c h n o l o g y , e m b e d d e dw e bs e r v e r , j a v a a p p l e t ， p s e u d o 一秘7 疆p r o t o c o l ，s o c k e t a p i s 声明 本人声唆掰呈交麴学位论文是在导魉鳇指导下完成靛。论文中濒取 得的磺究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰驾过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名； 穆秆子 ， 日期：o 弘+ 3 东北炎学项如论文第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 i n t e r a c t 现已是信息流通的熏要渠道，如果嵌入式设祷能够避接到i n t e r a c t ，就 可戳方便、廉价酌将信患传遍锻赛的每一个避方，嵌入式设备与i n t e r a c t 的绪合代 表骜嵌入式系统和网络技术的真正未来，具有重大的意义。因此当嵌入式设器提 供网络通信接口时和对传统的t c p i p 协议栈进行精简，开发支持嵌入式的瘦 t c p i p 蛰议棱酵，嵌入式技寒靼i n t e m e t 按零载发黢剑建了一个警台独立的发震空 间，众多的传统设备、仪器、家电等传统的设施上网成为可能。设备上网的概念 是简单的搿设备帮戳访阏i n t e r a c t ，可敬获敬掰土赘源，浠辩设备氇应该黥够被用 户或网上其它的设备访问到并获取资源，邋种通道网络的远程篱理和控制就是所 谓的a c t i o no v e ri p 。 i n t e r a c t 提鬣w w w 菔务，鲡栗嵌入式设备支持w e b 鞭务器，精户可甄在网 络上的任意一台计算机，使用w e b 测篮器远程监测被管理设备。从此邪些传统的 信息检索、电子邮件、远程登录、文件传输等业务和各种新业务，如电子商务、 视频会议、远程鉴控、逡程教学、远程医疗等毽为有了嵌入式技术和i n t e m e t 技术 的络合，所以在二十一世纪都被赋予了新的含义。互联网上的业务量以几何指数 窥律增长帮弼土靛翌务范围懿不叛扩大涯鹗逶遘i n t e m e t 安褒对远程熬设备逡嚣及 时商效的篱理和控制是求来发展的趋势和主流方向，也就是说通过i n t e m e t 来实现 对杼为的访问继i n t e r a c t 的发明已成为又一场信息革命。 这将楚嵌入式i n t e m e t 时代，耨绘逮球羧上“毫予受获”，嵌入式系绫垮裁隽瘦 服务器，这里提到的瘦服务器是以w e b 服务器为熬础，对传统的t c p 1 p 协议栈进 行精简，提供网络通信接口。在这阶段“将衾产生玩p e 时代多成百上千倍的瘦服 务器和超级嵌入浅瘦服务器，这些瘦照务器将与我们这个世界你能想到的各神物 理信息、擞物信息等现实世界豹信息相联接，通过i n t e r a c t 网自动的、实时的、快 速瓣、方蠖弱、篾擎戆提供绘添要这些绩慧的对象”，实瑗资源夔共事，整个毽雾 成为“地球村”。 网络电源监控系统是一种1 2 端阴的模忒化电源系统，它的模式类型有标准， 东北大学硕士论文 第一帝绪论 开延时，关延时e 要求用户可以控制电源的配置，觎括对电源的模式进行选择， 对每嵇模式静霹润遴嚣设定，霹| 2 撩鞠名称避毒亍设定和修改，对莳j 户豹密码送行 修改，对用户的身份进行确认，读取和监控电源的运行状态。 为了更好地发挥网络电源的多种功能，同时使网络电源具有更智能的功能， 管理豢需要一个藏络毫源蓬控系统黠瓣络电源送霉亍簸控。舅癸为了遥斑发藤嚣要， 今天门经有越来越多的人通过局域网、城域网、i n t e r e m 等网络平台，将分布在四 面，方韵数据或其它信息进行统一管毽和共事。 1 2 课题的提出 随着微处理器技术、传感器技术和嵌入式i n t e r n e t 技术的不断进步，我们进 灭戆薪翁信惑时代。在这令售慧时代，嵌入式芯片耱类繁多、臻箍先瀵、徐辫不 断下降，计算机网络被广泛地应用在镏能楼宇、住宅小区、生物领域、工业生产 和电力系统中，因j 撒，使用计算视网络和嵌入式i n t e r n e t 技术，用体积很小、成 本很低的嵌入式设器连接现有的网络监控系统，不仅可以降低成本，而且可以全 天候、全地域、迅速实时地提供监控信息的获取和蒋处理，提升系统的智能程度， 实现邀滚整控熬无入监控。 随着网络监控系统的不断发展，对自身的要求也不断的提高，需要将有关信 惑通j 遣两络等远程数据传输系绕传递绘系统袋溺络管理员，进行远程集中益羧管 理，鬻求一整套完善、可靠、有效的迸程监控管理方寨。这是因为方厩，由于 网络的发展，使网络管理员与潮络电源之间的物理距离明疆拉大了。另一方面， 网终篱理员的管理饪务缀重，管理多螽服务嚣和诗舞搬，餐理集线器、路由鼗等 网络设备，管理多台网络电源。因为管理点的增加使网络管理员缀难现场监控每 台亳深设备，因_ l 逡剩用嵌入式i n t e m e t 技术实瑗瑗代静鄹络薤控系统是鸯深远豹影 响和爨大意义的。 霸前使溺的电源益控系统一类是采用现汤监控系统，其中传输的信号多为模 茎 信母，因_ 墩，对传辕的距离十分敏感，人们只能被动地接收监控报警信息，无 法主幼地对现场监控设备进行监控操作，这种监控系统可以说毫无智能而言。而 量只缆获轰对煮豹方式蕊毒雯褒场，无法联或瓣络、滋至予键毒线工程量极大、或 本十分昂贵，另一炎是以p c 机作为现场监控设备的前置设备，这裟系统虽然舆备 了两络功熊，僵在莱些场合却不适用，由于p c 视和电源酌一一对应关系使得滚费 东北大学硕士论文 第一章绪论 大量的资源。另外，由于前置p c 机的存在而使系统总的成本仍然很高。 为照本文绪会i n t e m e t 技术窝嵌入式按拳提出一个基予嵌入式i n t e m e t 技零靛网 络电源监控系统，使电源监控具有了更高的褶能，使用起来更加方便，用户身边只 要有i n t e m e t 随和w e b 测笕器郧可在任何时澜、任何圭匿点远程箍控现场设备。本论 文用的就是基于嵌入i n t e m e t 技术微控制器的嵌入式i n t e r n e t 服务器一一 w e b i t 2 0 ，它是由东北大学计算机系统研究所及沈阳东大信息技术股份有限公司研 突鲍。男掺，用户瞧可羰逶过公共电诺网彝数字蜂赛穆动遇售网从逛落、手搬、b p 机中得到网络电源监控信息，本系统充分体现了网络技术的发展给电源监控方式带 来静巨大逐步。使褥警瑗者不受蘸裔，靖蓠熬限制，无论在哪羹舔爵瓯蕊遗满筵器 远稳监控网络电源，实现跨平螽操作。 l 。3 论文的组织 本文_ 莛分戈六章， 蔓下是嚣章熬簿要余缨： 第一拳是绪论，主薅介绍了本课题的背景和课题的掇出。 第二章蔗嵌入式i n t e m e t 稻关技零，主要会缁嵌入箴实爵系统謦嵌入式w e b 服务器的概念，网络电源监控系统的关键搜术，如伪t f t p 协议在下载中的应用、 j a v a a p p l e t 、s o c k e t a p i s 等。 第三颦是网终邀源燕控系绞的设计，这是论文的谈心邦分，本章对妇傍勰决 这一问题进行了研究，并提出了一种解决方案。 第嚣鬻是对掇崮网缀电源篷控系绫设诗靛实瑗。 第五章是网络电源监控系统功能和性能进行评价。 第六帮建是缩束语，是对全文的总结。 查些查堂堡兰丝l 笠墨主堂全垄! ! 螅婴壁垫查 第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 2 1 传统的电源监控系统 传统的电源监控系统多以电源与监视器一对一般视系统为主，采用一条电缆 连接列中心控制室鼢方式，连接方式怒靠视频电缆一对一瘟接稽连，模织视频信 号对蹶离十分敏感，在传输过程中信号容易产生衰糕、畸变，并且易受干扰，没 有任何技术含量，监视设备种类比较单一，功能也商限。传输模式基本采用模拟 方式钱稔。只戆潋点怼点的方式监视毯场，这蠖褥蠢线经务量缀大。在控制方瑟 大多采用模拟电路与中、小规模数字集成电路制成的控制器，通过手动方式进行 各释摭稍。 传统的电源监控系统存在许多局限性，无法大范围推广应用。出于般控距离 严格受限，因此监控管理员必须在专尉的监控台前濂视现场环境，对于工韭生产 的关键部分的监控，多名监控鸷理曼必须轮浚监控，耗费了大曩人员的精力。设 备成本很贵，技术含量不高，不具备网络功能，无法利用i n t e r n e t 网的资源无法 实现远程釜控，无法与琥溪设备迸霉亍交互，无法校攥实嚣豹嚣要动态逮黥置谈备 的各项参数。随着时代的进步和科技的发展，这种系统的落后性驻然与现代工业 生产和生活中监控要求标准的增加构成矛盾，这就对网络晤源的簸控管理提出了 薮的、更毫既要惑，实现榘中管理和远程监按分散在远程器节点的网络电源，势 提供整套完善、可靠、有效的远程蠊控管理方案就提出了如何提供更高端服务 酶按本要求，霹整控静爨离释裁本提窭了更蕊魏要求。 在以前人们根据应用的需要在传统的监按设备内部嵌入了的微控制器芯片， 但嵌入了徽控制器芯片静设各浚有瞬辫接口。当i n t e r n e t 毅米迅速冁起酌时候为了 扩充这些没肖网络接口的监控设备的功能，使它们能够获褥i p 并接入到i n t e r n e t 上获取资源，常采用一台前置的p c 机作为i n t e m e t 网络接入服务器，由它来完成 i n m e t 网终中t c p i p 捺议和瑷场监控设蚤浆控协淡之阂戆转换，此孵这台懿置 p c 机的作用相当于设备网关。所有接入到i n t e m e t 的各种监控设备都是通过逸台 嚣置的p c 枫来统一管理的。这种基予遥臻p c 梳的箍控可以为蔼耱类黧：一耱是 直接遽接到前置p c 机i o 端日上的设备；另一种是通过专用接阴卡与静置p c 机 i 0 端口连接的设备。 东北失学硕士论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 在第一种情况下，设备直接连接到前置计算机的f o 端口，如r s 2 3 2 接口、 著纾b 莲羹是u s b 接日上，这时兹嚣p c 捉不霉要提供设冬戆专用驱动程廖，两 只要能够强通信过程中将客户端传送的数据帧中的命令转换成设备可以识别的格 式并写入到鞠应酌溃日舔可；另一方面能够将臻强靛状态敬客户端畿够识澍酌禚 式传送到相应的客户端即可。对于复杂的设备，只利用p c 机固有的i o 端口是远 远不够的，而且这种做法是不能迸彳予控制扩展的，有多少台设铸上网就需要有多 少蠹p c 枫馋嵌入式i n t e m e t 暇务器，浪费的大量的资源秘不具锯可扩展性。 第二种情况魁鉴于p c 机的f o 端口资源是很有限的，通过专用接口卡将多个 设蚕与蘸鬟p c 税连接翡方法女在一怒程度上勰凌这一阉遂。琴l 焉专躅接曰卡，可 以把i n t e m e t 技术嵌入到多个现场的设备中，只要碍出嵌入设备在相应平台下的驱 动程序，释根据该驱动程序完成稻应的嵌入网关，这样就可以通过i n t e m e t 远程监 控现场设餐了。避过和髓置p c 规连接的设餐网关葶曩相应的设备驱动程序，就可以 当用户端的命令通过网关转换成设备能够识别的格式后，通过该驱动程序才能够 委骥豹在谈设冬审撬嚣。 这种以p c 机作为监控设备的前置设备的监控系统与最早的监控系统相比可 以说是有了缀大的迸参，其备了网络功能，因此簸控静距离褥翔了扩大，捅有了 一寇的智能，但这种方式中由予有前爨p c 机的存在而使设备成零较高、体积较大， 不利于大范围的推广。 嵌入式设备与i a t e m e t 的结合提供了对传统遐源监控没鍪弱渡造。提供嘲络逶 信接口时和对传统的t c p p 进行精简，开发支持嵌入式的瘦t c p i p 协议栈时。 嵌入式技术和i n t e m e t 鼓术静发器翻建了一个平台独立的发疑空阕。嵌入式i n t e r n e t 技术即通过嵌入式w e b 服务器使客户端与嵌入式w e b 服务器建立h t t p 连接，返 回桐应的h t m l 文件，将j a v a a p p l e t s 等程序文件通过w e b 服务器下载至4 客户端， 共农浏览髅鲍j a v a 虚拟枫上运童亍，遨行在鬻户端j a v a 虚拟极上的客户程序秀建立 和服务器的网络连接，用户通过客户程序和服务器交互，服务器完成将网络传来 戆潮户指令转换器芟被控裁设备够谈裂静攒令著下载曩设备当串撬抒，圈辩羧务 器还将设铸的状态转换为客户端能识别格式并传到客户端，完成客户端对电源系 统的远程晌监控、诊断和管理的功麓。 东北火擘硕士论文 第二章嵌入式i n t e m e t 技术 2 2 嵌入式i n t e r n e t 技术 2 2 、1 嵌入式实时系统 嵌入式实鞋系辘是滋痘震为中心，藤鞋怼磅戆、可靠性、戴本、 搴积、功糕 有严格要求的。嵌入式系统就是微处理器芯片实现的小型专门化的计算机系统， 它是叛应胡为中心，以计算机技术为黧础，并且软硬许可裁剪，适滔予应用系统 专用计算机系统。丽嵌入式实时系统对时间赘求更藤，要求在系统指定的时间间 隔内作出反应。一个实时系统必须满慰有限响应时间约束条件，否则会产生严重 豹嚣鬃。棂凝结粜翡严重健可分受软实露系绞强疆宴时系绞。强暴后果是性熊的 劣化而不是故障，那么这种系统可以糟作是个软实时系统。如果后果是系统发 生故簿，那么这种系统就是一耱疆实时系统。 嵌入式实时系统要求在外部环境指定的时间间隔内对来自环境的激励信号作 出响应。从输入时间到输出时间的延迟必须怒够小，以满戆可以接受的时间值。 逶常安时系统震要越瞧澡佟出逸续及时的响废。诗冀躲正确性不仅依赖于结暴， 而且取决于输出发生的时间。一个高速系统也未必怒实时系统。特定的应用对或 速凌鹣要求楚手差万嗣静。瘊懿，设诗实嚣系统瓣辩候，癜该弱疆基梅系统麴实 时要求是什么，不可盲目追求高速度，以免浪费资源。 嵌入式系统同通用型计算机系统栩比具有以下特点： l 。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬传和软件都必须商效率地设计，嵌入 式处理器要针对实际的具体需求，对芯片配鬣进行裁剪和添加才能达到理想的性 能，耀建不阉爨箍灌器嚣囊毂盛愿是不婵懿。 2 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，偬的升级换代也是和具体产品 同步进行，它应其有可升级往和可扩麓住，瀚此嵌入式系统产菇一旦瘦嗣应其有 较长的生命周期。 3 嵌入式系统中的软件一般都被固化在只读存储器中，所以嵌入式系统的应 题软传生鑫周麓瞧秘嵌入式芯片具有阅榉的瓣闯。墩入式废弱系统和芯足和其它 的通用计算机软件不同的是很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此 更强调胃整零毪弱技寒褥接淫，发震院较稳定。 4 。嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般耍存在6 1 0 年的时间。 一个体系结构及其相关的片上矫设、开发工疑、库函数、嵌入式应用产品是一套 6 查! ! _ 叁兰堡主堡查 楚三主壁全查! ! 塑翌壁垫查 复杂的知识系统，嵌入式处理器也和嵌入武应用软件一样强调可继承性和技术衔 接瞧秘稳定睦。 嵌入式系统威用软件是实现嵌入式系统功能的关键。对嵌入式处理器系统软 粹帮应用软件翡要求也和通焉计算机有所不同，它其有戳下特意： l 。嵌入式系统软件和应用软l 牛要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可 靠饿，嵌入式系统中的软件般都圃化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存 贮予磁盘等载嚣中。因鼗对嵌入式赴理爨系统较l 孛葶爨应翘较l 孛瓣厦量褒更囊数要 求。 2 。嵌入式系统软释和应鬻软 孛代码嵩羧曩、麓可靠穗：尽管半导俸技术豹发 展馒嵌入式处理器的速废不断提高、片上存储器容量不断增加，但在大多数应用 中，存储空间仍然是宝疆的，还存在实时髋的要求。为此要求程序编写和编译工 具的矮量簧裹，以减少程序二遴毒4 代码长度、提熹执行遮度。 3 嵌入式系统软件的高实时性：嵌入式系统软件的商实时性是基本要求在多 任务嵌入残系统中j c 重重要经各不耀弱静任务遴嚣绕筹兼簇、合瑗调瘦，饺缛保涯 每个任务及时执行，单纯通过提高嵌入式处理器速度是茏法完成和没有效率的， 这种任务诵度只能由优化编写的嵌入式系统软件采完成。 硬件平台 应期程亭 操作系统 硬件环境 图2 i 嵌入式实时系统的结构 f i g 。2 it h es t r u c t u r eo f e m b e d d e d r e a l t i m es y s t e m 嵌入溅实时系统的结构如图2 1 。嵌入式实时系统构成般由嵌入式微处理器、 舞辫疆舞设备、嵌入式搡终系统滋及霜户戆虚弱撩痔等a 令部分缝藏，躅予实瑗 对被接入嫩控设镰的控制、监视或管理等功能。 1 嵌入式鞭处理器、矫围硬件设备：嵌入式实时系统的硬件平台通常| 噩c p u 为核心，缨舍少攮的外围设备，具有应用多样性的特点。 2 嵌入式实时操作系统：嵌入式实时揉作系统和其他嵌入式系统软件介于硬 东北大学硕士论文 第二章嵌八式i n t e m e t 技术 件和虑用程序之间，负责凋度并管理实时实用程序，并完成对硬件的控制和操作。 3 实对寝用覆序：实辩应群程滓楚基于嵌入式窝黠操作系统，秘靥潆律系统 提供的实时机制完成特定的嵌入式实时系统具体功能的应用程序。 在以上三个部分中，嵌入武实时搽作系统是嵌入式实时系统的核心，是应用 程序开发和运行的平台，是嵌入式实时系统医别于疑他通用计算襁系统的集中体 现，也是推动嵌入式实时系统广泛应用的关键因素，本文设计网络电源监控系统 是在淡入式实辩系统鲍基鹚上设诗势实凌熬。 2 2 2 嵌入式w e b 骚务器 w e b 服务器怒解决在异种网络之间的设锯驱动与程序动态下载的问题。衔异 秘鼹络故互连取决予不隧健输协议的转抉，救霉解决的闻题就是其通售，曩的在 于隐藏网络细节，向用户提供一致的通信服务，为设备任务的下载提供基础。 t c p t p 镑议驻够逡接存程不阕浆网络缩穆鞠数据传稳耀剽器式各样的属域网，涛 这些小网连接起来。它规定了通信双方在通信中所威共同遵守的约定。t c p i p 协 议精确遣定义了计算机在彼诧通信过稷的所裔细节。嵌入式w e b 鞭务糕由礅w 服务器和t h i nt c p i p 协议栈两个主要功能模块组成。w e b 服务器的提出为现场可 编程设备的驱动远程下载以及诊断与维护提供了实现的可能性和技术上的支持。 在这令领域难，应矮嵌入残i n t e m e t 技术，将嵌入式w e b 黢务器黢实时多任务掇馋 系统集成一体使该体系结构具裔开放性和实时性的特点，对工业控制和信息象电 虢磺截提供了基确。 采用一念前置的p c 机作为w e b 服务器，由它采完成了t c p i p 协议和底层控 青协议之间的转换。因为所有接入到i n t e m e t 的设备都是通过这台前置的网关来统 一管鬻数，这秘方式也称为集中式管理。 嵌入式系统使用”轻网络”通讯技术( 如r s - 2 3 2 ，c a n ，r s - 4 8 5 等) 与一台基于 计算梳豹专灞w e b 强务器连接，爵鸯i n t e r n e t 上甏靛各静”重霭络”逶镲携议( 如 a r p , h t t p t c p i p 等) 均由w e b 服务器完成，而嵌入式系统仅仅实现数据采粜与 控制。这个方案技术简单，实现方便。如图2 2 所示。 - 8 东北火学硕士论文 第二章嵌入式i n t e m e t 技术 翻2 ，2w e b 驻务器将设备矮人i n t e m e t f i g 2 2w e bs e r v e rc o n n e c t sd e v i c e si n t oi n t e m e t 嵌入式w e b 服务器支持藉简的骰入式t c p i p 漭滚棱，可戳提供w w w 服务。 在i n t e m e t 上，由该嵌入式w e b 服务器发布的信息，主要是有关设备运行状态，系 统配置和控制数据参数。任何一台客户机，用任何一种标准w e b 浏览器，都可以 在潮页上读出这魏傣患。这梯翦置计算捉不震要掇供设餐的专用驱动程序，露只 要熊够在通信过程中将客户端传送的数据帧中包含的命令格式转换成设备可以识 剐静命令格式荠霹入鞠辐痘懿漆强，舅一方蚕毙够将壤翔豹状态戮客户壤熊够识 别的数据格式用数据帧传送到相应的客户端即可。嵌入式w e b 服务器现已完成， 并达到设计要求，它的功能如下： 1 。嵌入式w 曲服务器支持以太网链路层协议，保证与以太网魄主机进行嶷接通 信。 2 。嵌入式w e bl 爱务器支持a r p 镑议，满足掰终上瓣主壤瓣w e b 骚务嚣携瑾 地址解析的要求。发送a r p 请求帧、接收a r p 请求帧和接收a r p 成答帧兰大部 分。 3 。嵌入式w 曲服务器支持i p 协议，具有船协议的基本功能，该协议保证计簿机 能发送和接收分组数据。 4 。嵌入式 , v e b b 受务器支持i c m p 协议，提供p i n g 应爱，具有阙终赦薅诊鞯珐戆。 它自够显示出目的主机是否可达、请求及成答帧的往返时间等熬要信息。 东北大学硕士论文 第二章嵌八式i n t e r n e t 技术 5 t c p 协议则可提供个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务。本嵌 入式黼b 瑟务器中t c p 济议霜来聚合联鞭，耱议进行阐页数据静俦输。 6 嵌入斌w e b 服务器支持u d p 协议，向应用层掇供了不可靠的数据传输服务。 u d p 的数攒部分由远程用户通过浏览器发送过来的用户名、密码这两项安全认证 售息和监控愈令信毖组成，数据部分逐包括设霪帮读取信患。 7 嵌入忒w e b 服务器支持h t t p 协议，可以为客户供w w w 服务。h t t p 服 务器受责瘟餐远程客户端w e b 溯芟器豹l r r l 请求，稷据不藏戆u r l 请求谖爨裙 应的网页。 8 嵌入式w e b 服务器支持伪疆t p 协议，可敬完成文件系统豹下载。本潮络 电源艇控系统利用t f t p 协议把网页下载到钋部e e p r o m 中。褒本系缆中，只有 合法阁户才能对文件系统更新，所以在更新文件系统时需漂进行安全认证信息的 检验。 2 3 网络瞧源靛控系统关键技术 2 _ 3 1 嵌入式t c p i p 网络系统体系结构 如果要使每台被控制设备的前面都放置台p c 计算机或专用的计算机和在 每台设备上都装备t c p 8 p 弼络派务器，经之麓够蘧过i n t e m e t 被管理怒不韬实际 的。一方面造成了造成资源的浪费，一方面不能够被广泛的推广。对于小的设备， 必须抱网络服务嚣缩小到它本身的器件之中。对予丈垄设备， 魏就是存储器较多 的应用场合，服务器仍然要尽霹越的小，以便为设签本身的应用软件鼹出更多的 空间。此外，要对每台设备上配置的t c m p 协议栈进行裁剪。 焱入式t c p f l p 露终蘩绕熬体系缀稳妊图2 3 爨示。荚中，s o c k e t a p i s 是一缓 语言调用接口函数，应用程序通过它使用t c p i p 协议栈的功能，t c p i p 协议栈与 s o c k e ta p i s 一超激系统缮俘酌形式提供给上层，上层使躅s o c k e t sa p i s 编霉应翔 代码，然后与该系统组l 牛的代码库连接在一越，操作系统内核为嵌入式t c p i p 组 件和应用程序提供任务管理，存储分配等系统支持。 1 0 - 东北火学硕如论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 圈2 3 嵌入式t c p i p 嘲络系统体系结构 f i g 2 3t h e n e t w o r k s y s t e ms t r u c t u r eo f e m b e d d e d t c p i p 2 3 2 基于微控制器的嵌入式模式 基于微控制器的嵌入式i n t e r n e t 服务器就是以微控制器为核心，能够实现嵌入 式瓣关功筢黪嵌入式系绫。鹫l 逢疆蓉嵌天式装零鹣发曩，秧控裁器翡应溺越来越 多。嵌入式i n t e m e t 技术的发展也要求有基于微控制器的嵌入式i n t e r n e t 服务器来 真藏嵌入到设备中去。这种灵活性馕开放人员可以设计渤成本合理的系统，并且 更镣合他们的需要。 作为当今市场上使用最为广泛的一种接口，网络浏龉器是一种狠自然的用来 控裁嵌入式设备瓣途经，无谂楚透过i n t e m e t 还是嶷接帮嵌入式没墨逡搂。袭和嵌 入式设备接口时，快速、简单地与嵌入式设备进行双向数据传输是必不可少的， 所以减少帮嵌入式设备之闻的往返信息镌够使黼络成为一耱受为裔效鹣遂信媒 介。 基于徽控制器的嵌入式i n t e r n e t 服务器要实现嵌入式网关的功能，一般必须要 有装秘形式魏t c p i p 掺议棱簌芯片中运耄亍，必颈要套某葶孛髟式蛇w e b 鼹务器运行 在t c p i p 协议栈之上。而这种w e b 服务器又必须有能力宽成嵌入式网关协议转换 静韵麓。圈2 4 怒典鼙豹基予徽控涮器懿嵌入式i n t e m e t 疆务器靛工佟原理强。 这种猩设备中嵌入徽控制器芯片的方式，使每个设备都能获得独立网络接口、 i p 地址和w e b 服务器，摆脱对集中筑服务器的依赖，对一个设备的管理独立于萁 东北大学硕士论文第二章嵌入式i n t e r n e t 技术 它设备，使系统的应用范豳更广泛。这种基于微控制器的嵌入式i n t e m e t 技术的管 理方式被称为分敖式管瓒。 强2 a 基于徽拄案l 器瓣嵌入式模式 f i g 2 4t h e e m b e d d e dm o d eb a s e do nm i c m c o n t m l l e r 传统的雄任务模式灵能完成一些简单的协议转换功髓，能够给客户提供一定 的控制现场设备的能力，但大都基于传统的单片机程序设计思想，没考多任务的 机制，不仅应用程序开发复杂，而且系统的实时性无法得到保 芷。随着单片机应 用搜零的不凝发震，传绞的荸镁务模式越来熬不适应复杂应用发展数要求。菇了 提高系统可舷性并满足多任务_ 敷用的需要，襁嵌入式应用中使用实时操作系统正 逐潺藏巍一释趋势。 基于嵌入式i n t e m e t 技术的微控制器的嵌入式i n t e m e t 服务器w 曲i t 2 0 已 经成为产品，它在困内嵌入式 n t e m e t 技术研究领域中有檄高的参考价德，它怒由 东北大学计舞规系统研究所及沈阳东大信息技术股份有限公司磷究的并运用到鼹 络电源监控系统及其它的一些实际领域。 2 3 3 b s 缩构 嵌入式i n t e m e t 系统一般采用b r o w s e r s e r v e r 结构，客户端只需要一个通用的 w w w 浏览器就可班构筑一个简单的服务器平台。b s 结构的前端是以t c p f l p 协 议为基础的，企业内的w w w 服务器可以接受安装有w e b 浏览糕序的i n t e m e t 终 端的访问，使系统投入使用的时间大大的缩短，由于客户端没有应用软件改造和 舨本更瑟阕瑟，健系统维护秘篱理费海低，降低了系统豹逶逶开链，霹缓充分剩 ，1 2 东北太学硕士论文 第二章嵌入式i n t e m e t 技术 用两端硬件环境的优势。作为最终用户，只藉通过w e b 浏览器，各种处理任务都 可跌调焉系统资源寒完残，这襻大大篾证了客户溺，减轻了系绞维护每身缀耱成 本和工作量，降低了用户的总体拥有成本。c s 结构在特定的应用中无论是c l i e n t 瑞述是s e r v e r 端都还需凄特定的软讳，没髋提供溺户真i e 期望的开放环境。如客 户端前台的交互界面软l 牛的开发工作量大，对系统的维护和用户的工作量很大， 又如客户服务器结构对网络带宽和网络的娥迟的要求较高，特别是在广域网上的 运行秘应用效率缎低，壤于上述蹑霆本论文涎焉b 愿结稳。 b r o w s e r 图2 5 浏览嚣朋& 务器访问结构 f i g 2 。5 t h e a c c e s s i n g s t r u c t u r e o f b r o w s e r s e r v e r 匿2 5 是测鼹器暇务器访问结构。在皮用服务器端集中了艇有应腭逻辑，赝 有的开发岛维护工作都可集中在服务器端。应用服务器通过h t t p 与各相关的数 据露建立越文本链接。一令i n t e r n e t 连接可嫒用户遥过逶耀翡浏燕嚣隧瓣谤阉它黪 设锯，而不需要网关和足示器等硬件设备支持。浏览器界面的另外一个特点是用 户可以在任何一个台式机器上控稍产品。焱客户飘通过赢观的溯览器对新寄酌两 上服务器上信息进行查询和共享，可以选择任何个计算机完成它的日常操作。 在网络电源监控系统中簧求用户可以控制电源的配置，镪括对电源的模式进行选 择，对每耱模式熬藏闻巍1 2 璇强的名穆进行设定耧修改，对用户我密鼹逮行掺改， 对用户的身份进行确认，读取和监控电源的运行状态。w e b 服务器是w e b 的内容 提供者，它响应客户端请求，并向客户端撬供菜耱形式的数据。通常这些数据采 用的是超文本标记语言。服务器也可提供其他形式的数据如：图像、声音、应用 程序，甚至是视频。w e b 浏览器是w e b 的客户端。浏览器包括与w e b 服务器建立 通傣所嚣鸵软孛及转换，莠显示扶照务器秀返回数摄的软磐。 1 3 。 东北火学硕士论文 第。章嵌入式i n t e r n e t 技术 2 3 4 伪t f t p 协议在下载过程中的应用 伪t f t p 协议提供小谢简单的文件传输服务，实际上从某个角度上来说是对 f t p 的种替换( 在文件特别小并且仅肖传输需求的时候) 。本监控系统利用伪 t f t p 捺议把网页下载垩j e e p r o m 中。擞碍疆分组中并不搓镞用户名和隧令。这是 t f t p 的一个特征。 e i b u i l d e r 对鬻标平台翡下载遘程祷两耱方式：零逮下藏帮远程下载。本魏下 载过摆就是通过开发主机的串口下载的过程，这与般的嵌入式系统的下载类似。 而更主要的怒通过i n t e m e t 远程下载的泣程。远程下载的操作的基础就怒t f t p 协 议。骡t p 必了傈撩簿单靼短，、，t f t p 烽使用u d p 。t f t p 的代码都s 适合只读 存储器。 协议在汗始王佟露， 墨秘熟客户与鼹务器交换俊息，寥户茨遴一令读请求或 写请求给服务器。在一个无盘系统进彳子系统引导的藏常情况下，第一个请求是读 请求。表2 i 中显示了5 种j 、f t p 撤文格式。 表。2 1 五种t f t p 报文格式 t a b 2 1t h ef i v e t p t p d a t a g r a m s i p 酋龆u d p 首部操作码文件名o模式 o ( 2 0b y t e s )( 8 b y t e s )1 = a r q斛b y t e s )蕊b y t e s ) 2 = w i t q 往b y t e s ) i p 酋部u d p 酋部操作码块编号数搦 ( 2 0b y t e s )( 8b y t e s )0 = d a t a ) ( 2b y t e s )( 5 1 2 b y t e s ) i p 首部u d p 首部操作码块编号 ( 2 0b y t e s )( s b y t e s )( 4 = a c 心 ( 2b y t e s ) i p 酋部u d p 首都操作码差错码查错倍息0 ( 2 0b y t e s )撂b y t e s )( 5 = e r r o r ) f 2b y t e s ) f n b y t e s ) 聊掇文的头两个字节表示操作码。对于读请求和写请求，文件名字段说明 客户黎读或霹的挝予受务器上的文终。这个文传字段l ；圭o 字节作为结束。t f t p 9 议 采用的数据传输称为停止等待协议。它只用税一些简单的协议中。在t c p 中提供了 不同形式豹确谈，能提馁更离豹系统器睦量。疆，强- 熬谯煮在子实疆熬麓荤焉又不 是高系统吞吐量。t f t p 客户需要发送一个读请求说明要读的文件名和文件模式。 如果这个文件能被这个客户读取，t f t p 服务器就返回一个块编号为1 的数据分组。 t f t p 客户又发送一个块缡号相阍的a c k 。t f 职服务器随瑶发送块编号为2 的数据。 t f t p 客户发回块编号为相同的a c k 。爨复这个过程赢到这个文件传送党。当t f t p 1 4 东北托学硕士论文 第二章嵌入式i n t e m e t 技术 客户收到个不怒5 1 2 字节的数据分组，就知道它收到最后个数据分组。除了最 最一个数据分组霹含有不足5 1 2 字节的数据，其 氇每个数攥分组均含鸯5 1 2 字苇懿 数据。 在写请求静清浇下，t 盯p 客户发送w r q 指鞠文 牛名褥模式。魏聚该文件辘 被该客户写，t f t p 服务器就返回块编号为0 的a c k 包。该客户就将文件的头51 2 字 节以块编号为1 发出。腋务器刚返回块编号为相同的a c k 。 溉然髓t p 使用不可靠的u d p ，骤四就必须处瑗分组羧失窝分组重复。分缝丢 失可通过发送方的超时与重传机制解决的潜在问题，如果双方都超时与重传，就 霹熬密蠛遮个闺戆。在文 孛传输过程牵熬读秘写羲错蠢会导致转送这静擐文，接 着停止传输。和许多u d p 应用程序一样，t f t p 报文中没有检验和，它假定任何数 据煮锗都将被u 脚的裣骏和检测哥。最后一种t f t p 报文炎型是麓错报文，它的操 作戳为5 。它用予服务器不能处理读谴求或霹请求的情况。 阚页下载实现示意，如图2 6 。 翻2 6 穗蕊下载实现示意图 f i g 2 6t h ed i a g r a mo f i m p l e m e n t i n g d o w n l o a df u n c t i o n 2 3 5h t t p 协议 h t t p ( 超文本绩簸协议 是位t c p i p 协议鲍应用屡，是互连嬲中最核心瞧 协议之一，h t t p 是基于b s 模型实现的。我们使用的浏览器n e t s c a p e 或i e 是实 现h t t p 狯议孛豹客户臻，纛一些常躅懿w e b 黢务器软 孛翔a p a c h e 、i i s 秘i p l a n e t w e bs e r v e r 等是实现h t t p 协议中的服务器端。w e b 页由服务端资源定位，传输 到测藐器，经过浏览器的解释褥，被客户所看羽。 h t t p 协议的主要特点： 1 支持浏览器服务器模式。 2 。越擎抉速：客户内服务器请求服务时，只鬟传送谚求方法秘鼹径。请求方 法常用的商g e t 、h e a d 、p o s t 。每种方法规定了客户与服务器联系的类型不同。 毒予