■韩文强 曹祥伟 山东科技大学机械电子工程学院
[摘 要]本文介绍了一种基于嵌入式网络服务器的远程监控系统的工作原理和软、硬件实现，该系统可以实时地检测目标信息，建立监测数据档案，为不同权限的用户提供远程访问服务或数据资料下载，可以广泛用于工业排污、环境监测等领域。
[关键词]嵌入式系统 服务器 在线检测
一、引言
环境监测是一个大的系统工程，监测地域广、采样位置分散，靠人工采集数据的传统方法十分不便。工业排污如污水、废气等排放也是环境部门的重要监管内容，当前普遍采用人工定期检测，该方法操作繁琐，而且不能全面地反映企业的实际排污状况，漏检、偷排现象时有发生。针对以上问题，提供一种连续的在线监测措施十分必要。本文介绍了一种基于互联网的在线检测系统平台，每一个信息采集点独立分布，就近接入以太网。该系统可以按照用户要求对监测信息定时采样分析，统计相关信息、建立信息数据档案，授权用户可以通过以太网查看、下载相关信息数据，实现远程监测和网络化数据采集。如果用于工业排污监测，还可以全程监测污染物排放、建立污染物排放的统计数据，给管理部门提供准确可靠的信息，便于管理和排污按量收费。
二、系统结构介绍
下图是基于嵌入式服务器的在线检测系统的总体结构图。从图中可以看出，整个系统可分为三个基本环节：基于嵌入式服务器的排污检测系统、企业（或就近）局域网和Internet。
其中基于嵌入式服务器的检测系统提供网络接口和远程访问服务，同时具有现场数据采集、数据处理的功能，实现现场数据到局域网的数据传输。采用嵌入式系统，避免了现场配置PC机的缺陷，使得系统可以适应于恶劣的环境条件，而且结构紧凑，可靠性提高，成本降低。该系统主要包括气体采样装置、物理传感器等检测仪表子系统、数据采集和数据处理子系统、web服务子系统等。
检测仪表子系统负责对被检测信息实时采样，数据采集和处理子系统采集仪表检测数据，生成监测报告，根据需要可以对相关信息进行进一步处理，建立监测档案。Web服务子系统提供网络接入并为用户提供Web服务，使授权用户可以通过Internet连接，使用IE浏览器或Netscape浏览器进行远程访问，浏览、下载相关数据，或定制数据采集、数据处理子系统的工作模式而不受空间限制。
三、硬件设计
基于嵌入式Web服务器的烟囱排污监测系统的硬件结构如图所示。本系统中嵌入式Web服务器选用Cygnal的C8051F020单片机，该单片机是与MCS-51单片机兼容的高性能、高速8位单片机，速度可达到25MIPS，具有64个I/O 口，2个UART,以及SPI和SMBus/I2C串行接口。片内具有64k 字节的Flash ROM和4352 字节的RAM，5个16位定时器、可编程计数器阵列（PCA），而且具有10路12位ADC，2路12位DAC，内建比较器、电压基准、温度传感器等。该单片机具有丰富的资源，对于检测仪表的控制、管理以及信号采样无需另外扩展接口。外部只需要扩展一片E2PROM作为数据存储和网页存储单元，扩展一片网络接口芯片即可。
外部扩展的存储器采用24LC256，这是一种I2C总线的串行E2PROM，可以直接和C8051F020的I2C串口相连接。该芯片用于存放烟囱检测数据、排污档案以及网页信息。网络接口的扩展采用RTL8019AS，该芯片是台湾REALTEK半导体器件公司生产的10baseT全双工以太网收发控制器。
四、软件设计
监测系统中嵌入式Web服务器的软件主要由系统初始化设置、数据采集及处理、TCP/IP协议栈的实现等模块组成。系统初始化以及数据采集、数据处理由系统自动完成，授权用户也可以通过网络访问进行定制。
利用RTL8019AS实现的网络协议栈中，物理层功能由网络接口芯片来完成，程序的初始化部分包含网络接口芯片的驱动，网络层部分加入了地址解析协议（ARP），实现IP地址到物理地址的映射。整个层次结构如图3所示。
协议栈主要包括接收数据包的解释以及发送数据包的打包，以太网协议有两种，一种是IEEE802.2/IEEE802.3，还有一种是以太网的封装格式。现在的操作系统均能同时支持这两种类型的协议格式，考虑到嵌入式系统资源的局限性，本系统只采用后一种格式。以太网数据以帧的格式进行传输，其物理传输帧格式如下表所式：
其中PR称为同步位，用于收发双方的时钟同步，同时也指明了数据传输的速率。SD称为分隔位,表示后面跟着的是数据而不是同步时钟。DA是目的地址,为48位二进制数,表明该帧要传输到的网卡地址。SA是源地址,表明该帧数据是哪个网卡发的,即发送端的网卡地址。TYPE是类型字段，表明该帧的数据是什么类型的数据，不同协议的类型字段不同。DATA为数据段，该段数据不能超过1500字节。PAD称为填充位，由于以太网帧传输的数据包最小不能小于60字节, 除去DA、SA、TYPE 共14字节，还必须传输46字节的数据，当数据段的数据不足46字节时，在该段用任意数补足。FCS是数据校验位，它是32位的CRC校验码。在实际应用中,PR、SD、PAD、FCS这几个数据段是由网卡自动产生的，我们只要处理DA、SA、TYPE和DATA四个段的内容即可。
如果帧类型字段值为0800h，表示数据为IP包，帧类型字段值为0806h，则表示数据包为ARP包。接收帧时，首先判断帧类型，不同的帧类型由不同的程序模块对它进行处理。发送数据帧时，同样根据不同的帧类型，分别由不同的程序进行打包处理。二者的处理方法基本相同，只是读、写操作的切换。数据帧的接收和发送都是建立在物理层对NIC操作的基础上，包括读接收缓冲区、写发送缓冲区，NIC采用8位工作方式。由于在Internet中都使用TCP/IP协议，因此，基于IP的TCP和UDP协议起着非常重要的作用。因为采用单片机作为服务器，其存储器容量相对较小，采用传统的方法实现TCP和UCP是不合理的，这里采用一边构造套接字（SOCKET），一边进行应用层处理的方式。发送数据时也是这样，边处理实用数据边填充发送数据，这种方法极大地节约了内存资源，而且有效地提高了应用程序的处理速度。由于程序的主要功能是接收数据采集命令，发送相关数据，实际传送的数据量很小，不需巨大的缓存空间，[来自WwW.Lw5u.com]所以上述硬件资源足以满足软件处理的需求。
五、结语
本文介绍的网络化远程监测系统，可以实现环境信息的在线、实时监测，生成监测数据报告，建立监测档案。同时作为一个服务器，配置了网页资源，授权用户可以通过网络连接对其进行访问，浏览、下载相关数据，定制系统工作方式。服务器采用嵌入式系统，具有结构紧凑、工作可靠、价格低廉、适应环境能力强等特点。
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