嵌入式Web的远程数据交互式设计

吴辉，侯思祖

（华北电力大学 电气与电子工程学院，保定071003）

引 言

随着物联网和移动互联网技术的快速发展，进一步推动了嵌入式系统网络化进程，使得嵌入式系统变得越来越智能。由于芯片制造工艺的显著提高，各种高性能的处理器相继推出，使用嵌入式系统接入Internet成为一种趋势［1］。把 Web技术用于远程监控或其他嵌入式系统中，用户通过浏览器就可以对远程设备进行控制和监测，使得用户能够实时地了解设备的运行情况。

1 嵌入式Web服务器

嵌入式系统是一种专用的计算机系统，是为某种应用而定制的计算机系统。嵌入式Internet是指设备通过嵌入式模块接入Internet，以Internet作为传输介质实现信息的交互与访问。一个带有微处理器并且能够连接Internet的设备就是一个嵌入式Internet系统。可以通过Web进行信息交互的嵌入式Internet系统被称作嵌入式Web服务器。嵌入式Web服务器具有体积小、成本低、功能简单等特点。

嵌入式Web服务器以LM3S8962为核心，LM3S8962集成丰富的片上资源：含有256KB单周期Flash、64KB单周期访问的SRAM、4个通用定时模块、1个10／100M以太网控制器、三个可编程UART接口等。LM3S8962以太网控制器遵循IEEE802.3规范，完全支持10BASE－T和100BASE－TX标准，含有100BASE－TX扰码器、解码器，支持全功能的自协商协议，支持全双工、半双工和掉电模式，而且具有可编程MAC地址。采用LM3S8962可省略网络控制芯片。温度采集主要由LM3S8962内部温度传感器实现，采样率可达500 000sps。光强采集由小块的太阳能电板代替光传感器，太阳能电板根据光强的变化改变输出电压。通过A／D转换器检测电压的变化来判断光强的变化。LED亮度通过调节输出PWM的占空比来改变。嵌入式Web交互式框图如图1所示。

图1 嵌入式Web交互式框图

2 嵌入式Web交互式原理

Web通信是基于TCP协议进行的，但它与一般的TCP协议不同的是，在TCP通信的基础之上经过HTTP协议传输。客户端通过Web页面请求数据，嵌入式Web服务器收到客户端发送的HTTP请求时，作出对应的响应，从而完成客户端与嵌入式Web服务器之间数据的动态交互。

2.1 CGI和SSI

CGI（Common Gateway Interface）是一段程序，运行在嵌入式Web服务器上，提供与浏览器HTML页面的接口。简单地说就是用户在客户端（浏览器）中输入信息，浏览器把这些信息传输到嵌入式Web服务器CGI目录下对应的CGI程序中，于是CGI程序在嵌入式Web服务器上按照预定的方法进行处理。然后，CGI程序给客户端发送一个信息，表示请求的任务已经结束。

SSI（Server Side Include，服务器端包含）是一种类似于ASP的基于服务器的网页制作技术。在将内容发送到浏览器之前，可以使用“服务器端包含 （SSI）”指令将文本、图形或应用程序信息包含到网页中。服务器接收到一个请求后，会在网页数据中搜索＜！－－#tag－－＞格式标记，并记录这些tag标志，在嵌入式Web服务器处理完请求后需要返回给用户数据时，找出系统已经注册的tag，并在相应的tag－－＞后添加所需要的数据。最后，把更新的数据发送给用户，从而实现了用户与嵌入式Web服务器之间的动态交互过程。

2.2 XMLHTTPRequest

XMLHTTPRequest是由一组方法和属性组成的对象，是AJAX技术的核心，所谓的异步交互和局部刷新都是建立在XMLHTTPRequest基础之上的。XMLHTTPRequest可以在提供不重新加载页面的情况下更新网页，XMLHTTPRequest对象提供了对HTTP协议的完全的访问，包括做出POST和HEAD请求以及普通的GET请求的能力。利用JavaScript来创建XMLHTTPRequest对象，当对象成功创建以后，调用open方法来指定请求的服务网页以及请求方式，然后通过send方法将请求发送出去，最后就可以在客户端接收服务器端返回的数据。

3 嵌入式Web交互式实现

嵌入式Web服务器监听用户的请求，根据用户递交的请求提供与之对应的服务，嵌入式Web服务器端收到用户请求后，把存储在嵌入式Web服务器中对应的数据或网页发送给浏览器，完成数据的动态交互。嵌入式Web数据交互式可以通过CGI／SSI和XMLHTTPRequest方式实现。

3.1 CGI实现过程

CGI是基于标准HTML表单递交数据，嵌入式Web服务器上对应的CGI函数响应客户端的请求，CGI方式数据交互将导致整个页面重新加载。HTML中表单格式如下：

CGI交互式过程如图2所示。用户通过Internet向嵌入式Web服务器请求一个HTML文档。嵌入式Web服务器向用户发送一个表单页面。用户填入对应的数据信息并提交给嵌入式Web服务器。服务器接收用户请求，交给嵌入式Web服务器上CGI程序处理。嵌入式Web服务器将更新的HTML文档发送给用户。

图2 浏览器与嵌入式Web通过CGI交互

当用户向嵌入式Web服务器提交数据时，采用的是GET方式。输入的信息以字符串的形式附加action所给定义的URL后面，中间用“？”隔开，各个变量之间用“＆”分开，变量与其对应的值之间用“＝”连接，空格用“＋”代替，特殊意义的字符用“＆”表示。在嵌入式 Web服务器端对URL进行解码，当遇到字符“＋”时，将它转换成空格；当遇到字符“＆”时，表示下一个变量开始；当遇到“＝”时表示变量名部分结束［2］。由于GET请求的内容附加在URL后面，而URL的长度是有限制的，所以一次请求的内容不能太多，而嵌入式系统由于其本身就是资源受限系统，数据的交互不可能太多，所以GET方法用于此是合适的。

CGI处理函数运行于嵌入式Web服务器端，当嵌入式Web服务器收到客户端请求的URL之后，解析URL中的参数，提交给对应的CGI处理函数。字符文本提交的CGI函数如下：

当在Web页面中遇到格式为＜！－－#tag－－＞的SSI标签时，调用SSI处理函数，将SSI标签转换成对应的文本在网页中显示。SSI函数通过Switch选择语句，解析Web页面中的SSI标签。然后针对不同的标签内容作出对应的响应。CGI／SSI数据交互流程如图3所示。

图3 CGI／SSI数据交互流程

3.2 XMLHTTPRequest实现过程

XMLHTTPRequest方式通过嵌入在HTML文档中的JavaScript来实现网页的交互过程。客户端通过运行HTML文档中的JavaScript程序发送HTTP请求。它是一种特殊的URL，嵌入式Web服务器去文件系统中查找URL中对应的文件。如果查找到对应的文件，嵌入式Web服务器提供相应的响应，然后将嵌入式Web响应返回到客户端浏览器中，返回的状态插入到对应的＜Div＞标签中。XMLHTTPRequest方式只需要更新部分文本，而不需要刷新整个页面，缩短了网络延时，提高了网络效率。浏览器与嵌入式Web通过XMLHTTPRequest方式交互，如图4所示。

图4 浏览器与嵌入式Web通过HTTPRequest方式交互

JavaScript可以将Web服务器端的任务部分转移到客户端，使客户端实现处理任务的功能。XMLHTTPRequest能实现嵌入式Web与浏览器之间的异步交互。JavaScript内嵌到网页中，使其成为HTML文件的一部分，并通过JavaScript解释器完成解释执行。浏览器中温度数据请求JavaScript函数如下：

上述代码中，Temperature.readyState为HTTP请求的状态，当XMLHttpRequest创建时，其属性为0。它一共有5个状态：Uninitialized（0）、Open（1）、Send（2）、Receiving（3）、Loaded（4）。当属性为4时，表明已经接收到完整的HTTP响应。Temperature.responseText从服务器接收的响应的温度信息，当Temperature.readyState小于3时，其属性为空字符串；当Temperature.readyState为4时，其中保存了完整的温度信息，Temperature.status为服务器返回的状态码，200表示成功，404表示"Not Found"。Temperature.onreadystatechange为调用的事件句柄函数，每次Temperature.readyState属性改变时被调用。Temperature.open（）为初始化 HTTP请求参数，send（）发送HTTP请求。

服务器端解析对应文件名“／cgi－bin／Temperature－Get”，如果存在对应的文件，则返回一个消息，客户端接收到这个消息并且存储温度信息到对应请求的响应文本Temperature.response Text中，使用文本插入方法“document.getElementById（"Temperaturestate"）.innerHTML＝ "＜div＞"＋ TemperaturestateresponseText＋ "＜／div＞"；”把消息在网页中对应的DIV位置处显示。

4 系统测试

系统测试分本机测试与局域网测试两种方式。本机测试就是嵌入式Web服务器通过网线直接连接到PC，局域网测试则是将嵌入式Web服务器连接到局域网中的路由器上。复位嵌入式Web服务器，查看其IP地址，同时修改客户端的IP，使其与嵌入式Web服务器处于同一网段中。在客户端通过“ping 169.254.117.2”（嵌入式 Wb IP）查看网络连接状态。成功连接后，在客户端浏览器中输入“http：／／169.254.117.2”地址后，浏览器中会显示嵌入式Web交互式页面，如图5所示。通过点击对应的按钮，可以在浏览器中获得各种请求数据。在文本框中输入文本，将数据存入嵌入式Web服务器中，同时存入信息会在嵌入式Web的LCD上显示出来。通过本地和局域网测试，系统性能良好，可应用性强。

结 语

利用嵌入式系统及Internet技术可以实现Web动态数据交互，通过CGI和XMLHTTPRequest方式，成功地在基于LM3S8962平台上完成局域网内Web页面数据动态交互，实现了一个简易的嵌入式Web服务器的功能。嵌入式Web动态交互技术在工业生产的过程控制、机房环境参数的监测以及远程数据采集等方面都有广泛的应用需求。

图5 浏览器端验证测试

［1］牛利兵.远程监控嵌入式Web服务器的设计［D］.山西：太原理工大学，2011.

［2］李勇.CGI在嵌入式 WEB服务器中的应用和实现［J］.微计算机信息，2008，24（10）：110－112.

［3］彭伟.XMLHttp对象在嵌入式 Web实时系统中的应用［J］.单片机与嵌入式系统应用，2011（11）：29－32.

［4］Texas Instruments.Stellaris LM3S8962Microcontroller DataSheet［EB／OL］.［2013－01－06］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／spms001h.