嵌入式Internet智能仪器网关设计与实现刘宏杰，王耀希，代红兵（云南省电子计算中心，云南昆明650223）平台、嵌入式操作系统、运行轻网络的现场智能仪器接口通信模块、运行于IntraneInternet的微型"Web服务器、Intranet/Iritemet接口通信模块和应用服务模块等六个方面讨论了适应多种轻量级网络的嵌入式Internet智能仪器网关设计。

　　目前，随着嵌入式微处理器性能的不断提高和嵌入式操作系统的不断普及。智能仪器网络正在从面向bit和Bitbus向传输距离更远的Intranet，甚至Internet上转移。尤其是在远距、分散、无人值守的现场实时监测环境中，有线和无线网络智能仪器正在发挥着越来越大的作用。基于Internet的智能仪器网关技术因其具有①网络的有效半径不受限制，可以实现无人值守和跨地区通信；②接入网络方便；③不需使用前端的PC服务器；④基于开放式的B/S模式，用户方便地通过Web测览器进行监测管理等优势，开始引起业界的普遍关注。更为重要的是这种基于Internet的智能仪器网关技术可以根据实际需要，通过Internet网络，利用内嵌的专用Web服务器控制智能仪器的运作，获取或处理数据，以“虚拟到场”的形式实现远程诊断和远程维护。

　　1发展现状近年来，国外在智能仪器的开发和利用上有了很大的进展，提出了基于IEEE1451.2标准的智能仪器工作模型和基于EMIT提出了BOL -IST方案、以及嵌入式设备接入Internet的技术和嵌入式服务器技术SAIK并先后成功开发出Device -Networking、软硬件产品，在数据米集、DSP、TCP/IP、STIM、NCAP等方面不断产生了新型的专用接口模块，为嵌入式Internet智能仪器研究提供了更加坚实的技术保障。国内在该领域上也做了很多工作，研制出了以较低的成本实现微控制器（MCU）与Internet互联的Web接口芯片WebChip和因特网片上系统iSOC芯片等，但大多局限于嵌入式WEB和RS- 232与以太网的连接，要适应多种现场总线的应用目前还需要大量的研究与探索。

　　2技术原理从智能仪器的现场总线网络到Intranet/Internet网络，技术关键和难点就是异构网络互连的协议转换。两个网络间的协议转换一般采用对应的分层转换方法，自低向上逐层进行。目前互连大都是在网络层展开，因而必须对网络层以下各层协议逐层向上转换。这种转换方法的依据是协议分层的基本原理，即低层支持高层，高层调用低层，低层断开连接后，高层连接也随之断开，但高层断开连接却不会影响低层。互连系统应具有所示的分层结构。

　　基金项目：2003年云南省科技计划项目资助（2003215）。

　　刘宏杰，等：嵌入式Internet智能仪器网关设计与实现现场总线与IntranetAntemet互联的网络分层结构具有应用层、传输层、网络层、以太网数据链路层和物理层；现场总线网络具有应用层、数据链路层和物理层，其中应用层由用户自己定义，数据链路层和物理层由现场总线协议所定义；数据网关具有物理层、数据链路层和应用层，其应用层也就是Intranet/lnternet与现场总线的信息数据交换层，网关的微控制器在此层相互解释并转发这两嵌入式Internet智能仪器网关涉及到两个网络，一个是由RS 232、RS485、CAN、红外、射频等现场总线组成的轻网络；另一个是由TCP/IP组成的重网络。嵌入式Internet智能仪器网关是轻网络和高性能重网络之间的桥梁，其作用就是将轻网络的数据转换到重网络中。因此，网关应包括的组件有：嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统、运行轻网络的现场智能仪器通信模块、运行于种不同协议的数据。3设计实现3. 1网关总体结构Intranet/lnternet的微型Web服务器（CGI接口、供Web服务器生成动态网页的数据管理模块和执行客户操作的远程调用函数库）、Intranet/Internet通信模块和应用服务模块。见：嵌入式Internet智能仪器网关系统3.2网关硬件设计从实时性、可靠性、开发周期、实现难度、系统成本、开放性、通信方式，以及处理器MIPS值/位长、Flash大小和SDRAM扩充能力等各项因素考虑，嵌入式Internet智能仪器网关采用ARM内核处理器，外部接口含存储模块（SDRAM、FLASH）、现场智能仪器接口通信模块（RS232/接入模块（Ethernet、PPP等）、输出模块、还有电源支持等模块，增加交互模块和LCD显示模块可实现现场交互操作和参数配置。见嵌入式系统硬件平台3.3网关软件设计3.3.1嵌入式操作系统目前，可供选择的嵌入式操作系统比较多，常版税软件、自由软件得到了广泛的认可与应用，可用于嵌入式应用并具有完整TCP/IP协议栈的uCLinux现已成为国内32位嵌入式系统开发的。纵然在uCLinux基础上实现嵌入式WEB服务器需要ARP、IP、TCP、ICMP等网络协议的支持，但由于其中每一个完整协议都很庞大，在存储容量有限的嵌入式系统上全部实现是不现实的，同时要实现嵌入式Webserver，就必须在有限的资源上对信息进行HTTP、TCP、UDP、PPP、IP及ICMP等协议处理，使之变成可以在互联网上传输的IP数据包以及可以在内置Web页上浏览的数据，这就要求嵌入式操作系统必须进行协议栈的精简和模块化的设计。

　　3.3.2现场智能仪器通信模块现场智能仪器通信模块通过轻网络，完成现场智能仪器与嵌入式Internet智能仪器网关之间的通信，监测智能仪器设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈给后续数据管理模块。同时，智能仪器设备驱动模块还可以解释Web服务器收到的用户命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。现场智能仪器通信模块网关可根据不同现场智能仪器进行相应的模块化通信选择。现场智能仪器通信的驱动设计主要是针对于相应卡的底层函数设计和驱动封装设计。底层函数设计包括有卡信息接收，卡的事件处理和对通信卡的设置、检查等功能的一些函数。如Config用卡信息配置、RecvBufPop用于处理接收缓冲区、CheckHWIn fO用于硬件信息检查、Reset用于复位卡等；驱动封装是为了便于不需要了解底层实现机制和驱动函数的一般用户而设计的，提供一OpenFile、-SendMsg >-CloseFile>~RecvMsg>~Control五个函数用于现场总线的通信，以动态连接库（DLL）的形式供用户调用。

　　3.3.3嵌人式微型WEB服务器HTTP协议是嵌入式Web服务器技术的核心，是WEB应用的标准协议。现在的HTTP1. 1标准可以为多个HTTP事务在测览器和服务器之间只保持一个TCP连接，为在嵌入式Web服务器中得到一个稳定的用户界面而不影响嵌入式系统的CPU和内存资源提供了保证。

　　嵌入WEB服务器通过CGI接口和其它方法，在HTML文件或表格中插入运行代码，供RAM读取/写入数据。HTML页面内容一般是通过存储在ROM中的压缩文件，由快速运行的代码动态产生的。利用avaScripts、ava等技术在客户端生成应用代码，而在服务器端只发布网页，以减少在服务器端的代码和容量，提高服务器端的性能。嵌入式Web服务器模型见嵌人式Web服务器通过兀命令（MetaCommands）、HTML表格中的CGI脚本（CGI Scripts）、E-mail等方式来进行信息传递，并有RomPager、EMIT等多种实现形式。元命令允许服务器来动态改变WEB页面的内容；HTML表格中的CGI脚本是用户通过填写表格方式提交卡局的读写函数，卡的初始化，卡信息发送，给Web服务器一个嵌入式应用的数据，月艮务器通过运行一个CGI脚本来处理信息；E记录Web服务器相关事件或者当设备遇到特别需要注意的情况时通知适当的人，然后进行分析。

　　通信模块针对不同的网络应用环境，以模块化的方式选用不同的Intranet/lnternet通信模块来支撑嵌入式智能仪器所处的上网环境。Intranet/lnter net通信模块包含有针对Intranet的以太网接口模块和PPP电话拨号模块等，针对Internet的以太网接口模块、PPP拨号模块、ADSL模块、无线接入模块和CableModem模块等，例如：PPP拨号软件可以支持四种工作模式：一开机就拨号，且永不挂断；检测到有通信数据流量时才自动拨号且可设定自动挂断时间；一开机就拨号，且可以设定自动挂断时间；检测到有通信数据流量时才自动拨号，且永不挂断。

　　3.3.5应用服务模块嵌入式Internet智能仪器网关要实现的功能主要是现场实时数据发布功能。应用服务模块主要完成从智能仪器上提取需要的数据进入WEB页面，如果Intranet/Internet上有需求，还必须将所提取的数据转到相应的目的地并根据用户发出的数据请求执行相应的处理操作。

　　4结束语嵌入式Internet智能仪器网关技术是目前国内外智能仪器网络研究开发的热点技术之一。通过嵌入式Internet智能仪器网关，可将TCP/IP协议应用于现场智能仪器网，并利用Intranet/lnternet直接进行现场数据采集和信息传输，使信息网和现场测控网形成一个一体化的网络平台。本文介绍的适应多种轻量级网络的嵌入式Internet智能仪器网关设计相关技术，已在环保监测、水文数据实时监测系统中得到实现和应用。