嵌入式Web技术在智能温室监控系统中的应用

智能温室监控系统是近年来发展起来的节约型设施农业技术，通过计算机综合控制，在充分利用自然资源的基础上，调节温度、湿度、光照强度等环境因素来获得作物生长的最佳条件，从而达到提高作物产量、改善品质、增加经济效益的目的。嵌入式系统与Intemet技术的结合是当今发展的趋势，如何将嵌入式产品与Internet连接起来实现室内设备的统一监控与管理，通过Internet实现对设备行为的访问与交互是目前研究的热点。本文提出一种基于嵌入式Web技术的智能温室监控系统设计方案，系统以嵌入式处理器作为上位机，通过构建嵌入式Web服务器，借助CGI（Common Gateway Interface）技术控制中心与嵌入式Web服务器端之间的动态数据交互，来满足嵌入式设备直接与Internet联网的要求，使管理者可以不受空间限制，通过Internet利用Web浏览器完成对设备的远程访问、监控和维护等操作。

　　1 系统总体设计

　　本设计基于ARM9开发平台，构建嵌入式开发环境，裁剪移植Linux操作系统。系统采用嵌入式Web服务器对设备进行功能配置，利用温度、湿度、光照强度传感器采集数据，采用嵌入式数据库对监测数据进行分析和存储。系统通过控制程序协调温室参数，并对控制参数进行监测，从而为温室中的作物提供最佳的生长环境。

　　嵌入式网络监控系统分客户端主机和现场嵌入Web服务器智能监控设备两部分，监控系统的结构如图1所示。

　　客户端主机通过浏览器与Web服务器交互式处理数据，从而实现对网络智能设备的远程监控。其中嵌入式Web服务器和监控端位于温室现场，监控端完成对温室环境参数（温度、湿度、等数据）的采集，并将采集结果存入数据库，通过CGI技术，管理人员通过网络便可了解温室内环境情况。系统采用Boa作为嵌入式Web服务器，负责监控、接收和分析用户请求，传送静态页面和调用后台CGI（Common Gate Interface）程序。

　　2 系统硬件设计

　　为了保证系统的实用性和可扩展性，系统选用Samsung公司的S3C2440A作为CPU处理器，S3C2440A带有丰富的外围接口，是一款高性价比的ARM核SoC芯片，工作频率最高可达400 MHz。系统硬件结构如图2所示。

　　系统配置有内存大小为64 M的SDRAM和128 M的Nand Flash。外接320x240的LCD触摸屏，实现本地用户人机接口，进行设备管理，通过USB接口连接摄像头，完成温室环境的图像采集；通过DM9000外扩以太网接口实现与无线局域网设备的连接和Interact的连接。另外，系统还扩展有RS485接口，可用于系统的扩展，通过布线连接相应的设备。

　　3 系统软件设计

　　整个系统软件结构如图3所示，数据采集程序通过数据采集设备（传感器、摄像头等）按照用户预先设定的参数周期性的下发查询命令，将采集到的结果写入SQLite数据库，监控人员使用浏览器通过Web服务器（Boa）管理和维护系统。

　　网络服务程序由嵌入式Web服务器和CGI脚本程序两部分组成：服务器通过监听80端口，监听来自网络的用户请求，如有用户请求，则启动相应的CGI脚本程序，将请求信息转化为服务器可以识别的数据格式，从SQLite数据库中读出所需的信息，再由CGI程序将信息转化为Web浏览器能够识别的格式，作为HTTP应答消息回送客户端显示。CGI脚本程序完成的功能主要包括：配置、查询设备相关信息及查询设备告警信息等。

　　3．1 嵌入式Linux操作系统

　　用于嵌入式系统中的操作系统很多，如Linux，Vxworks，Windows CE等。相比而言，Linux兼容POSIX1003．1标准，支持多线程、多任务系统且具有源码公开、完全免费和广泛的移植性等特点，使用更加灵活。同时具有强大而稳定的网络功能和完善的开发工具，支持TCP／IP协议栈，可提供FTP、TELNET等服务，同时还可以通过应用程序向其他系统提供服务。因此，选择Linux 2．6．32作为嵌入式操作系统。

　　3．2 交叉编译Boa

　　本系统采用尽可能简单的嵌入式Web服务器，即Boa，能够实现HTTP1．1协议的基本内容，支持CGI，支持认证，是一个单任务的HTTP服务器，Boa体积小，只有几十kB。交叉编译工具使用的是arm-linux-gcc4．3．2。

　　1）下载Boa源码包boa-0.94.13targz，解压后，在boa-0．94．13＼src目录下运行#／configure命令生成Makefile文件。

　　2）修改Makefile文件，其中：CROSS_COMPILE=／usr／local／arm／4．3．2／bin／arm-linux-。

　　3）运行#make命令，生成可执行程序boa，运行#／usr／loeal／arm／4．3. 2／bin／arm-linux-strip boa命令删除调试信息。

　　3．3 嵌入式数据库的移植

　　Sqlite数据库对嵌入式来说是一个很好的数据库引擎，可有力地减小应用程序管理数据的开销。具体的移植过程：

　　1）在Sqlite的官网下载linux版本的Sqlite3．6．23，解压sqiite-amalgamation-3．6．23．tar．gz并进入sqlite-3．6．23目录。

　　2）mkdir build在sqlite3.6.23目录内建立编译文件夹并进入，Sqlite的编译就在这个文件夹内进行。

　　3）．．／configure--host=srm-linux--prefix=／usr／local／sqlite3选定编译器为arm-linux-gcc，并指定安装目录为／usr／local／sqlite3，这个路径是可以根据自己的需要进行修改。

　　4）make make install安装成后在sqfie3目录下生成bin、include、lib三个文件夹，分别为可执行文件，头文件与库文件，由于采用动态编译，所以生成的库是动态库，将它们复制到系统的相应文件夹下。此时，就可以在目标板上运行sqlite3。

　　3．4 CGI程序的设计

　　CGI定义Web服务器与用户之间访问与执行程序的标准接口，它使浏览器和Web服务器之间具有交互性。图4表明了本系统中浏览器、Web服务器和CGI程序之间的关系。

　　当客户通过浏览器访问Web服务器时，浏览器与Web服务器建立TCP连接并发送HTTP请求，Web服务器收到HTTP请求后，分析请求内容，如果为静态文档请求，则直接返回该请求的结果，如果是CGI请求，则Web服务器把该请求通过环境变量、命令行参数或标准输入的方式传给指定的CGI程序，同时接管这个CGI程序的标准输出，CGI程序进行相应的信息处理后，将处理结果以HTML形式的文件送到标准输出，Web服务器在CGI程序输出的内容上附加一些头标信息和状态行，然后把结果送回浏览器。