嵌入式WEB技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

一　傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與Web技術(shù)改造后的控制系統(tǒng)比較

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，對遠(yuǎn)端嵌入式控制設(shè)備進(jìn)行訪問和監(jiān)控往往通過專用通信協(xié)議和監(jiān)控軟件。通常這種方式的訪問，客戶端和服務(wù)器端的程序都是專為用戶定制的，具有良好的響應(yīng)。但缺點(diǎn)也十分明顯，即每臺想訪問服務(wù)器的客戶PC機(jī)都要安裝給定版本的客戶端程序，一旦有新的版本產(chǎn)生，每臺客戶端PC都得重新安裝新的版本，要讓每臺客戶機(jī)都盡快更新成最新版本的程

嵌入式Web技術(shù)的控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能是通過位于PC機(jī)上的通用客戶端程序(如IE軟件)訪問位于嵌入設(shè)備中的服務(wù)器端程序來完成。嵌入式Web服務(wù)器卻可簡化和實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制。嵌入式Web服務(wù)器就是一個HTTP文本服務(wù)器，它是在非PC機(jī)的現(xiàn)場設(shè)備上運(yùn)行的特殊Web服務(wù)器。通常這些現(xiàn)場設(shè)備資源有限，如CPU運(yùn)算處理能力不強(qiáng)、存儲空間少、能耗要求嚴(yán)格，所以嵌入式Web服務(wù)器在工業(yè)控制中應(yīng)用通常都有一些特殊的要求。由于嵌入Web服務(wù)器遵循HTTP協(xié)議，可通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器進(jìn)行訪問，就不需要定制特殊的客戶端程序，只需安裝標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器軟件，如Internet Explore或者Netscape。這樣只有現(xiàn)場設(shè)備的應(yīng)用程序需要定制和更新，客戶端程序就不需要。典型的采用嵌入式Web服務(wù)器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工業(yè)控制采用嵌入式Web技術(shù)，具有以下優(yōu)勢：

(1)無須研發(fā)客戶端軟件，網(wǎng)絡(luò)瀏覽器作為通用客戶端的人機(jī)界面可運(yùn)行于各個平臺，無論是Windows、Unix均可，與所在工作站的操作系統(tǒng)無關(guān)；

(2)瀏覽器的界面簡單易用，無需進(jìn)行額外的使用培訓(xùn)；

(3)可通過瀏覽器進(jìn)行服務(wù)器端軟件的下載、升級和更新，使管理和升級現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)用軟件更加輕松和方便；

(4)同一個服務(wù)器設(shè)備可被多個瀏覽器同時訪問，只需通過安全認(rèn)證，可以使用戶通過Internet網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制、升級，節(jié)省人力資本；

(5)服務(wù)器端軟件可以進(jìn)行自診斷，能實時進(jìn)行故障報警，故障分析，并通過Internet網(wǎng)絡(luò)通知不在現(xiàn)場的管理者，可加快故障排除，縮短故障響應(yīng)和維修時間。

二　嵌入式Web服務(wù)器與標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)器的差別

標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)器，目的是用于電子商務(wù)或在Internet上發(fā)布網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供大多數(shù)人訪問，是定位在“集中所有的Web服務(wù)軟件的優(yōu)點(diǎn)，提供最穩(wěn)定的、全功能的HTTP服務(wù)器”。它的全功能的許多特性都是以犧牲代碼空間并占用大量硬件資源為代價的，而工業(yè)底層的各種現(xiàn)場設(shè)備的各種資源均有限，和PC機(jī)有很大的差別，上面這些要求對嵌入式Web服務(wù)器來說難以實現(xiàn)。嵌入式Web服務(wù)器則更多地關(guān)注根據(jù)儀表、控制系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計，以下是嵌入式Web服務(wù)器的具體特征。

1. 有限的嵌入式系統(tǒng)資源，較少的代碼空間

這是最重要的需求。許多嵌入式設(shè)備通常只有有限的存儲空間(Flash和RAM)，這就要求我們的服務(wù)器程序所占的存儲空間要小(包括代碼空間、堆和棧的大小)。同時，由于大多數(shù)嵌入式設(shè)備沒有很好的存儲管理功能，不能對已經(jīng)分配的存儲空間進(jìn)行有效的回收，所以一旦用于打開某個網(wǎng)頁的內(nèi)存空間被釋放之后，很難與臨近的內(nèi)存空間合并，導(dǎo)致將來無法使用。這就要求嚴(yán)格控制嵌入式Web服務(wù)器的代碼大小，所需內(nèi)存大小，并采用預(yù)分配和靜態(tài)分配的機(jī)制進(jìn)行存儲管理，防止出現(xiàn)內(nèi)存碎片。

2. 能夠支持動態(tài)網(wǎng)頁的生成

標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)器通常含有大量的靜態(tài)存儲網(wǎng)頁，而嵌入式Web服務(wù)器要根據(jù)需求動態(tài)生成網(wǎng)頁。這些網(wǎng)頁需要實時地反映設(shè)備的狀態(tài)、采集的信號、報警信息，反饋操作的執(zhí)行結(jié)果等等。嵌入式Web服務(wù)器必須要求網(wǎng)頁能隨現(xiàn)場設(shè)備的變化而動態(tài)更新和生成。通常有以下兩種做法來實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的生成：

(1)通過純C代碼在程序執(zhí)行時生成HTML的標(biāo)簽來反映動態(tài)的數(shù)據(jù)；

(2)直接生成動態(tài)網(wǎng)頁，并通過擴(kuò)展標(biāo)簽來嵌入動態(tài)數(shù)據(jù)。

3. 可以與控制系統(tǒng)、儀器集成
 
嵌入式WEB服務(wù)器應(yīng)當(dāng)能與現(xiàn)有的控制設(shè)備進(jìn)行很好地集成，以方便設(shè)計。將已有的與設(shè)備相關(guān)的應(yīng)用程序接口API與Web服務(wù)器集成，可通過不同的途徑。不同的嵌入Web服務(wù)器供應(yīng)商會提供不同的方法，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但比較通用的做法是通過動態(tài)服務(wù)網(wǎng)頁ASP(Active Server Pages)和JavaScript來使設(shè)備的應(yīng)用程序產(chǎn)生的動態(tài)結(jié)果鏈接到網(wǎng)頁上。

4. 能夠支持沒有文件系統(tǒng)的設(shè)備
    
許多嵌入式設(shè)備通常沒有磁盤文件系統(tǒng)或其他大容量存儲設(shè)備，但仍希望通過網(wǎng)頁來對其進(jìn)行訪問和控制，這就要求嵌入式Web服務(wù)器能夠通過ROM或Flash這樣的存儲設(shè)備來進(jìn)行網(wǎng)頁的存儲。

5. 可以移植到新的平臺上
  
和CPU體系結(jié)構(gòu)中嵌入式Web服務(wù)器通常要應(yīng)用在不同的現(xiàn)場設(shè)備中，這些設(shè)備具有不同的處理器體系，如果Web服

由于在工業(yè)現(xiàn)場中，各種智能儀表的運(yùn)算能力、儲存空間及其他各種硬件資源均有不同，其接入到網(wǎng)絡(luò)中的方式也有不同，導(dǎo)致嵌入式Web技術(shù)在具體的實現(xiàn)中有以下幾種方式：

(1)運(yùn)行軟件TCP/IP協(xié)議棧，設(shè)備內(nèi)部實現(xiàn)Web服務(wù)器。
 
這種方式的關(guān)鍵是用純軟件來實現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議棧，讓嵌入式Web服務(wù)器軟件在此之上運(yùn)行，并可直接連接到網(wǎng)絡(luò)上。這種直接連接的方式，通常需要CPU具有很強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，要求32位處理器，如ARM系列CPU，PowerPC，MIPS處理器等，它們通常有串口可以與Modem連接，或者有以太網(wǎng)芯片組連接到以太網(wǎng)上，從而讓TCP/IP協(xié)議棧軟件與外界進(jìn)行通信，其結(jié)構(gòu)如圖2。

其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備可直接掛接到網(wǎng)絡(luò)上；整體性好，不需要其他輔助硬件，全部硬件就是CPU和接口芯片，硬件設(shè)計簡單。

其缺點(diǎn)是：需要處理能力較高的CPU，通常為32位運(yùn)算能力的處理器；代碼量和數(shù)據(jù)內(nèi)存耗費(fèi)很大，需要較大的存儲空間；純軟件協(xié)議棧，軟件調(diào)試復(fù)雜。

(2)通過輔助硬件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，控制設(shè)備集成形式實現(xiàn)Web服務(wù)器。

這種方式如圖3，完全由硬件來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，只需在硬件規(guī)劃時設(shè)計好接口即可。也可采用能實現(xiàn)TCP/IP的硬件電路板，通過串口接入到現(xiàn)場智能設(shè)備上，從而實現(xiàn)硬件TCP/IP協(xié)議?，F(xiàn)場設(shè)備的控制處理器只需運(yùn)行嵌入式Web服務(wù)器軟件即可，大大減輕了負(fù)擔(dān)。

方案優(yōu)點(diǎn)是: 設(shè)備可以直接掛接到網(wǎng)絡(luò)上；全部的TCP/IP協(xié)議棧由外圍芯片硬件實現(xiàn)，減輕了調(diào)試軟件的負(fù)擔(dān)；CPU不用運(yùn)行TCP/IP協(xié)議棧軟件，減輕了處理負(fù)擔(dān)，對CPU的性能要求降低，減少了存儲器的使用空間。

其缺點(diǎn)是：增加了外圍芯片，成本增加；增加了硬件設(shè)計復(fù)雜度和產(chǎn)品成本。

(3)外部網(wǎng)關(guān)形式實現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器，對多設(shè)備進(jìn)行調(diào)度。

這種方式如圖4，通常讓一臺PC機(jī)來充當(dāng)外部網(wǎng)關(guān)，在此之上運(yùn)行完整的TCP/IP協(xié)議和部分嵌入式Web服務(wù)軟件，通過串口等方式使每臺PC機(jī)可控制一個或者多個現(xiàn)場設(shè)備。外界對現(xiàn)場設(shè)備的訪問，先要通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行解析，然后與現(xiàn)場設(shè)備交換信息，提取網(wǎng)頁等，并將最終的信息送給外部訪問者。

其優(yōu)點(diǎn)是：現(xiàn)場設(shè)備不需其他輔助的硬件，只需有簡單的RS-232或RS-485等通信接口；極大減輕了CPU的負(fù)載，對CPU的性能和存儲器空間的要求大大降低；基于8位或16位微處理器使得控制設(shè)備比較適合采用外部網(wǎng)關(guān)形式Web服務(wù)器；由于軟硬件的修改很少，極大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)時間。

其缺點(diǎn)是：由于需要外部的網(wǎng)關(guān)(通常是PC機(jī))，增加了產(chǎn)品的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性；在網(wǎng)關(guān)與現(xiàn)場設(shè)備之間的協(xié)議沒有標(biāo)準(zhǔn)可循，通常不同的廠商之間的協(xié)議各不相同，增加了互聯(lián)的難度。

通常，采取何種方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)并運(yùn)行嵌入式Web服務(wù)器，取決于硬件資源、產(chǎn)品成本和用途。對于CPU處理能力強(qiáng)的硬件設(shè)備，可采用第一種或者第二種方式，而對于CPU處理能力不強(qiáng)，產(chǎn)品數(shù)量不多，或者是老設(shè)備的改造等，可在原有硬件的基礎(chǔ)上考慮第二種或者第三種實現(xiàn)方式。

四　嵌入式WEB技術(shù)發(fā)展展望

將嵌入式Web技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)控制現(xiàn)場具有許多優(yōu)點(diǎn)，但同時還有一些關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步解決：

(1)實時性

在用戶瀏覽器和工業(yè)控制底層的嵌入Web服務(wù)器之間，通常采用10M/100M以太網(wǎng)。如果要將實時采集的信息及時反映到用戶的瀏覽器上，可用路由器或者交換器把關(guān)鍵網(wǎng)段隔離開，這樣可避免更多的沖突，保證足夠的通信速率。同時在CPU的處理能力上也要有所考慮，采用高運(yùn)算能力32位嵌入式微處理器，以保證控制運(yùn)算的實時性，以及在多用戶訪問同一個嵌入式Web服務(wù)器時可有較快的響應(yīng)速度。

(2)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的選擇

Internet相關(guān)各種標(biāo)準(zhǔn)在不停地發(fā)展。從使用的語言上來看，HTML語言已經(jīng)有了更多替代，如XML可擴(kuò)展標(biāo)識語言，可使表示形式和具體內(nèi)容分開，具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換功能，更有利于控制系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)方式來交換數(shù)據(jù)。所以在現(xiàn)場設(shè)備中，會得到更多的推廣。

(3)可靠性

工業(yè)控制設(shè)備基本功能是

(4)安全性

對工業(yè)現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備的訪問和操作，以及網(wǎng)頁信息的顯示，均要保證安全性，通常不能用明文在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息，而是采用加密措施以及鑒別認(rèn)證進(jìn)行用戶管理。

五　結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷的發(fā)展，將Web技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)控制現(xiàn)場中使得系統(tǒng)功能在空間上得到延伸，具備網(wǎng)絡(luò)化自動化控制系統(tǒng)的特性，具有較好應(yīng)用性、開放性，是技術(shù)發(fā)展的趨勢和熱點(diǎn)。同時，在具體實現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器的時候，我們要考慮底層設(shè)備和儀器的各種資源約束，如處理器速度、存儲器空間、通信接口方式、產(chǎn)品成本等，以決定采取何種方式接入網(wǎng)絡(luò)，以及實現(xiàn)哪些Web服務(wù)器功能。