本文提出了一種在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)施基于HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集的方案，利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)串口到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，使用采集板將數(shù)據(jù)封裝成HTTP包。

該方案靈活方便，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單;采用分布式結(jié)構(gòu)，采集效率高，可適用于大量數(shù)據(jù)的采集，而且可以方便擴(kuò)展為基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。

1、前言

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，由于傳輸速度、傳輸可靠性及可擴(kuò)展性等綜合性能方面的優(yōu)越性，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是基于以太網(wǎng)接口，并且越來(lái)越多的儀器儀表設(shè)備也提供了以太網(wǎng)接口。但是很多企業(yè)都有早期投入的設(shè)備儀表，一般使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此需要一種簡(jiǎn)單、高效、易于擴(kuò)充的集成方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有設(shè)備儀表的數(shù)據(jù)采集，并且可以方便的集成到現(xiàn)有的以太網(wǎng)工業(yè)控制系統(tǒng)中。本文提出一種數(shù)據(jù)采集方案，除了滿(mǎn)足前面要求外，由于其采用HTTP協(xié)議，可以方便擴(kuò)展為基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集.HTTP協(xié)議可以利用嵌入式系統(tǒng)（WinCE、Linux等）基于其自帶的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)或者直接使用嵌入式Web服務(wù)器，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中也可以利用高級(jí)語(yǔ)言直接使用Web客戶(hù)端使用HTTP協(xié)議或者利用Winsock網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)基于HTTP的數(shù)據(jù)交互，但都會(huì)增加系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，本文提出一種基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單HTTP協(xié)議的方法，并基于此方法構(gòu)建數(shù)據(jù)采集方案。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HTTP協(xié)議是一種基于TCP實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用層協(xié)議，它是因特網(wǎng)可靠的交換數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。如果要實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議，必須以TCP/IP協(xié)議棧為基礎(chǔ)，利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊即可方便的實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的功能。圖1為一個(gè)利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)的基于HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集方案。

圖1中，最關(guān)鍵部分是采集板和網(wǎng)絡(luò)模塊。當(dāng)今儀器儀表最常用的通訊接口是485串行接口，采集板和儀表設(shè)備一般通過(guò)485總線(xiàn)連接，采集板利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和設(shè)備儀表的通信，采用主從方式采集所需要的數(shù)據(jù)，再通過(guò)485總線(xiàn)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊收到采集板數(shù)據(jù)發(fā)出的串行數(shù)據(jù)，利用內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)、交換機(jī)和采集服務(wù)器連接。采集板是實(shí)現(xiàn)HTTP應(yīng)用層協(xié)議的地方，只要采集板發(fā)出的數(shù)據(jù)符合HTTP協(xié)議，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)模塊轉(zhuǎn)化后成為合法的HTTP請(qǐng)求，則Web服務(wù)器可使用任何的服務(wù)器端動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)（CGI、ASP、JSP、PHP、ASP.Net等）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和保存。

3.1 采集板

采集板和儀表進(jìn)行主從通訊采集數(shù)據(jù)以外，最主要的任務(wù)就是把采集的數(shù)據(jù)封裝為HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，也就是要在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的HTTP協(xié)議，能夠完成基本的數(shù)據(jù)交互功能即可。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，有兩個(gè)HTTP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)文檔：RFC1945和RFC2616。這兩個(gè)文檔分別描述了HTTP/1.0和HTTP/1.1的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)版本的HTTP協(xié)議最大區(qū)別在于前者不支持保持連接，規(guī)定每次的HTTP請(qǐng)求和響應(yīng)后都要關(guān)閉TCP連接，而后者支持持久連接，這意味著可以打開(kāi)一次TCP連接進(jìn)行多次請(qǐng)求/響應(yīng)，大大提高了性能。為了提高性能，本文中將實(shí)現(xiàn)基本的HTTP1.1協(xié)議。經(jīng)過(guò)分析研究，找出了一種比較簡(jiǎn)單且有效的實(shí)現(xiàn)。下面通過(guò)一個(gè)具體例子說(shuō)明實(shí)現(xiàn)的HTTP協(xié)議包格式。

GET /com2http/test.aspx HTTP/1.1CRLF

Host： 127.0.0.1CRLF

Content-Length： 86CRLF

Connection： Keep-AliveCRLF

CRLF

000000C8420000C8420000C8420000C8420000C8420000C8420000C842000

0C8420000C8420000C84251AD

通過(guò)工具截獲的數(shù)據(jù)以16進(jìn)制顯示如下：

00000000:47 45 54 20 2F 63 6F 6D 32 68 74 74 70 2F 74 65 GET /com2http/te

00000010:73 74 2E 61 73 70 78 20 48 54 54 50 2F 31 2E 31 st.aspx HTTP/1.1

00000020:0D 0A 48 6F 73 74 3A 20 31 32 37 2E 30 2E 30 2E 。.Host： 127.0.0.

00000030:31 0D 0A 43 6F 6E 74 65 6E 74 2D 4C 65 6E 67 74 1..Content-Lengt

00000040:68 3A 20 38 36 0D 0A 43 6F 6E 6E 65 63 74 69 6F h： 86..Connectio

00000050:6E 3A 20 4B 65 65 70 2D 41 6C 69 76 65 0D 0A 0D n： Keep-Alive.。。

00000060:0A 30 30 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 43 .000000C8420000C

00000070:38 34 32 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 43 8420000C8420000C

00000080:38 34 32 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 43 8420000C8420000C

00000090:38 34 32 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 43 8420000C8420000C

000000A0:38 34 32 30 30 30 30 43 38 34 32 30 30 30 30 438420000C8420000C

000000B0:38 34 32 35 31 41 44 84251AD

上面顯示的便是一個(gè)合法的HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)包實(shí)例，從0x61開(kāi)始為真正的有效數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)包括一個(gè)字節(jié)的采集站地址，本例中為“00”，10個(gè)符合IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)的單精度四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)，本例中為10個(gè)100.0（16進(jìn)制表示為0000C842），和2個(gè)字節(jié)的CRC16的循環(huán)檢驗(yàn)碼，本例中為“51AD”.HTTP協(xié)議傳送的數(shù)據(jù)一般都是文本格式，所以總共43字節(jié)二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化成為86字節(jié)的16進(jìn)制字符串?dāng)?shù)據(jù)。在HTTP包的封裝中，除了數(shù)據(jù)域以外，0x4開(kāi)始的“/com2http/test.aspx”和0x43開(kāi)始86會(huì)根據(jù)實(shí)際需要在下位機(jī)中由程序自動(dòng)設(shè)置，分別表示處理該數(shù)據(jù)的處理頁(yè)面和提交的有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。由此可以看出，只要在有效數(shù)據(jù)的前面加上HTTP請(qǐng)求頭，就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的HTTP1.1協(xié)議，在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這種功能和寫(xiě)普通的串口發(fā)送程序一樣簡(jiǎn)單。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

該模塊在該系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧，完成把485線(xiàn)上串行傳送的HTTP包數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為在交換式以太網(wǎng)中的以太網(wǎng)幀，真正向Web服務(wù)器發(fā)出HTTP請(qǐng)求。

3.3 Web Server And Real Database

網(wǎng)絡(luò)模塊轉(zhuǎn)化后的HTTP請(qǐng)求最終到達(dá)Web服務(wù)器，可用任何服務(wù)器端動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和保存，實(shí)驗(yàn)方案采用微軟最新的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)ASP.Net.通過(guò)編寫(xiě)程序獲取有效數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式，驗(yàn)證校驗(yàn)碼，如果無(wú)誤根據(jù)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)寫(xiě)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，如果實(shí)時(shí)性要求不高以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量不大，可以使用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，不然可以使用專(zhuān)用的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，如Oracle和SQL Server.

4、優(yōu)點(diǎn)

本文中數(shù)據(jù)采集方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以很方便的集成現(xiàn)有設(shè)備和儀表的數(shù)據(jù)采集。只要知道儀表設(shè)備的通訊協(xié)議，在下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，把采集到的數(shù)據(jù)封裝為HTTP協(xié)議包通過(guò)串口發(fā)出即可。

（2）采用工業(yè)交換以太網(wǎng)，基于HTTP協(xié)議，同時(shí)滿(mǎn)足局域和遠(yuǎn)程采集的需要。可以把該系統(tǒng)連至Internet，Web Server And Real Database和采集系統(tǒng)不在同一地理位置，而且服務(wù)器可以同時(shí)處理多個(gè)不同地理位置的數(shù)據(jù)，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中，能更好的管理和使用數(shù)據(jù)。

（3）方便維護(hù)和升級(jí)，方便增加采樣點(diǎn)。可以根據(jù)需要隨意增加下位機(jī)，做到需要幾個(gè)模塊調(diào)試增加幾個(gè)模塊。

（4）不同于傳統(tǒng)的專(zhuān)用采集服務(wù)器采集數(shù)據(jù)模式，上位機(jī)服務(wù)器的功能由Web服務(wù)提供，不需要編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)接收程序和采集程序，只要編寫(xiě)完成數(shù)據(jù)的處理和保存的代碼。真正同儀表的通訊由下位機(jī)完成，形成分布式數(shù)據(jù)采集，Web服務(wù)是多線(xiàn)程體系結(jié)構(gòu)，可并發(fā)處理多個(gè)下位機(jī)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，使得整個(gè)系統(tǒng)支持更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)采集，提高整個(gè)系統(tǒng)的采集效率。

5、實(shí)驗(yàn)

（1）下位機(jī)實(shí)現(xiàn)：同普通的下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，只是在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)需要加上HTTP協(xié)議包的包頭，可參考3.1.

（2）網(wǎng)絡(luò)模塊：實(shí)驗(yàn)選用了廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司開(kāi)發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊-ZNE-100T，它內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議棧，利用它可以輕松完成嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能，另外為了測(cè)試方便直接使用了ZNE-100T的評(píng)估板。通過(guò)周立功公司提供的配置軟件可以輕松設(shè)置網(wǎng)絡(luò)模塊的參數(shù)，需要設(shè)置的參數(shù)包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、串口的波特率設(shè)置、端口工作模式、目標(biāo)IP 地址和目標(biāo)端口等，特別說(shuō)明的是端口工作模式，由于HTTP協(xié)議是基于TCP的，所以該方案中模式設(shè)為T(mén)CP Client模式，目標(biāo)端口一般默認(rèn)設(shè)置為80.

（3）Web服務(wù)器使用聯(lián)想萬(wàn)全520服務(wù)器，Windows Server2003操作系統(tǒng)，IIS6.0，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2005，使用ASP.Net技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和保存。 下面給出用C#實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理核心代碼實(shí)例：

byte ［］a;

a=this.Request.BinaryRead （ this.Request.ContentLength） ;//獲取提交的數(shù)據(jù)

System.Text.ASCIIEncoding ascii=new System.Text.ASCIIEncoding （）;

string c=ascii.GetString （a）;

if （！CheckValidChr （c））//檢查是否有非法字符

return ;

byte ［］b=new byte ［a.Length /2］;

for （int i=0;i

b［i/2］=Convert.ToByte （c.Substring （i，2） ，16）;

if （！CheckCRC（b））//驗(yàn)證CRC

return ;

for （int i=5;i

｛

if （ （i-1） % 4 ==0 ）

｛

float t=BitConverter.ToSingle （b，i-4）;//把字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)

SaveData（b［0］，（i-1）/4，t）;//根據(jù)下位機(jī)站地址以及數(shù)據(jù)位置保存數(shù)據(jù)

｝

｝

6、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，基于本文方案可以快速有效的部署一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的串口數(shù)據(jù)采集方法有很多優(yōu)越性，擴(kuò)展維護(hù)方便，由于上位機(jī)基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，只需編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理和保存程序，使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作主要放在下位機(jī)和儀表的通信上。需要說(shuō)明的是，該方案中使用ZNE-100T評(píng)估板和下位機(jī)通過(guò)485串行總線(xiàn)相連，下位機(jī)向網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送的有效數(shù)據(jù)需要加入CRC校驗(yàn)，防止在485總線(xiàn)上數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤引起Web服務(wù)器采集到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。另外一個(gè)解決方案是把ZNE-100T模塊集成在下位機(jī)，這樣可以取消校驗(yàn)。不過(guò)前者有個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是如果下位機(jī)距離交換機(jī)很遠(yuǎn)，可以近距離用網(wǎng)線(xiàn)把交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)模塊連接，用485線(xiàn)把網(wǎng)絡(luò)模塊和下位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸。由此可出看出，利用嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)基于HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)確是一個(gè)非常靈活的方案。

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