Web动态服务及控制在物联网中的应用设计

引言
    随着网络技术的不断发展，嵌入式系统将不断地和网络相结合。嵌入式Web技术是计算机领域研究的热点，其优点是开发成本低、通用性强，能运行在8位或16位MCU环境中，其丰富的Web用户图形界面使得嵌入式设备具有极好的交互性。因此，一旦在嵌入式设备中集成了Web服务，就能实现用户与嵌入式设备低成本、高通用性的信息交流，即客户端利用HTTP浏览器(如IE)，在任何时间、任何地点都能实现与嵌入式设备的信息交互。可以说，嵌入式Web的应用必将极大地促进嵌入式设备，特别是低端控制设备、仪器、仪表的信息化，最终将促进物联网的各种应用。
    在MCU上开发Web服务器的难点在于其资源有限。相比台式机PC(几个GB的双核CPU，几个GB的内存和几百个GB的硬盘)来说，嵌入式系统的各种硬软件资源少得可怜。在嵌入式系统中实现复杂的Web动态服务及Web控制，既没有必要也不现实。因此，如何紧紧围绕嵌入式系统的具体应用要求，恰当地实现Web动态服务及Web控制，进而实现物联网应用是一个需要解决的技术难题。

1 嵌入式Web服务的一般实现方法
   目前，嵌入式设备中通常使用的Web服务器有Apache、httpd、Boa、Thttpd和mini-httpd等。常用的实现动态Web页面的技术主要有CGI、ASP、PHP、JSP、Java、ISPI等。其中，Boa是一个运行在类Unix系统中的小型Web Server，虽然功能比较齐全，但很多功能(如virtual hos-t，内存使用量较大)对嵌入式应用而言是冗余的；Apache功能较强大，但占用空间太多(需要几MB空间，其他Web服务器只需要几百KB)；PHP 可扩展性较差，安全性不高；标准的CGI需要用到文件、进程等操作。
    为节省资源、提高效率，嵌入式环境下现应用较多的是嵌入式动态Web实现方法，一般采用“Apache+PHP”或者是“Boa+CGI”技术。然而，在低端的嵌入式设备中，特别是8位MCU的仪器、仪表中，因为受资源尤其是存储资源的限制，要用上述思路来实现嵌入式Web服务不太现实，毕竟对于低端的嵌入式设备而言，移植操作系统是一件奢侈的事情。

2 嵌入式Web动态服务的改进思路及实现
    考虑到嵌入式Web服务器的应用领域多数是专门的控制设备仪表，绝大多数控制设备仪表的工作流程都是基本固定的，所以可以考虑采用某种固定的交互模式来控制这些仪表。能否用这种思路进行设计的关键是要弄清下面两个问题：第一，嵌入式Web服务器的功能有哪些?第二，这些功能是否固定，是否需要扩展?如果这种功能既不是很复杂，又相对固定，那么就可以按照这种思路进行设计，而完全没有必要用CGI、ASP等Web动态服务技术来实现Web动态服务。遵照这一思路，本文实现如下：
    ①将显示界面不变的部分作为一个静态页面，以HTML格式存储在ROM中，以方便MCU直接操作。这样设计后，需要注意的问题是，MCU的ROM空间是否能同时存储程序代码和网页HTML代码。笔者所设计的嵌入式Web服务器的程序代码量有28 KB，而HTML代码量有2～3 KB，采用的MCU(即W78E58B)有32 KB ROM空间，因此采用这种设计思路完全可行。
    ②利用替换法提供Web动态服务。对需要动态改变的内容部分作特殊标记，例如，环境温度值为“TAG：Temperature”，网页长度为“TAG：PageLen”。程序运行时，先将静态页面由ROM读入内存，然后将环境温度值和网页长度值传送到服务器节点，服务器读取实际值并存入内存，再用实际值代替标记，生成一个新的页面并将其送给浏览器，这样用户看到的就是一个动态的页面。
    ③经过上述设计后，网页文件的值是动态的，但不是实时的。可以采用如下思路实现实时动态服务：利用HTML语言的<meta httpequiv =“Refresh”content=“秒数”；url=“跳转的URL”>来实现网页内容的自动更新，其刷新时间由文件开头语句中的content的内容决定。该值可根据具体应用需求进行设置，例如笔者设计的刷新时间为2 s。
    按照这种设计实现后，网页文件就能在2 s范围内实时显示系统通过温度传感器采集来的环境温度。

3 嵌入式Web控制的实现
   按照上述思路可实现服务器对客户端的Web动态服务。然而在实际的嵌入式应用中，仅仅一个Web动态服务是不够的，它还应支持客户端数据上传到服务器，以达到通过客户端来控制服务器的目的。
    那么，如何实现客户端对服务器端的控制呢?遵照上述设计思路，并结合HTTP请求中的POST命令来实现简单的Web控制。实现过程如下：
    ①在网页文件中实现如下表单：

    ②在嵌入式Web服务器的HTTP接收模块中分析HTTP请求的POST数据，当LEDCtr1=0时，发送指令点亮LED灯，否则熄灭LED灯。

4 功能测试
    测试时可将嵌入式Web服务器与客户端主机直接相连，并利用PC机的IE浏览器实时读取服务器测量的环境温度，结果如图1所示。左图是测量的当前环境温度显示的结果，右图是当采用物理手段(如利用打火机烧烤传感器)以提高环境温度后显示的结果。由图可知，嵌入式Web服务器能完成正常的Web动态服务。经实践验证，服务器系统LED灯的亮／灭完全可由图1所示的亮／灭控件来控制，也就是说已成功实现了Web控制。

5 结论
    笔者分析了当前嵌入式系统实现Web动态服务的几种思路，以采集环境温度、控制LED灯的亮／灭为例，给出一种在嵌入式设备中实现Web动态服务与Web控制的实现思路，并在给出实现结果的基础上验证了该设计思路的可行性。这为嵌入式设备，特别是低端嵌入式设备中顺利实现Web动态服务及Web控制，进而实现物联网技术打下了坚实的基础。