嵌入式WEB技術在控制系統中的應用研究

一　傳統控制系統與Web技術改造后的控制系統比較

在工業控制系統中，對遠端嵌入式控制設備進行訪問和監控往往通過專用通信協議和監控軟件。通常這種方式的訪問，客戶端和服務器端的程序都是專為用戶定制的，具有良好的響應。但缺點也十分明顯，即每臺想訪問服務器的客戶PC機都要安裝給定版本的客戶端程序，一旦有新的版本產生，每臺客戶端PC都得重新安裝新的版本，要讓每臺客戶機都盡快更新成最新版本的程

嵌入式Web技術的控制系統的監控功能是通過位于PC機上的通用客戶端程序(如IE軟件)訪問位于嵌入設備中的服務器端程序來完成。嵌入式Web服務器卻可簡化和實現遠程訪問和控制。嵌入式Web服務器就是一個HTTP文本服務器，它是在非PC機的現場設備上運行的特殊Web服務器。通常這些現場設備資源有限，如CPU運算處理能力不強、存儲空間少、能耗要求嚴格，所以嵌入式Web服務器在工業控制中應用通常都有一些特殊的要求。由于嵌入Web服務器遵循HTTP協議，可通過標準的瀏覽器進行訪問，就不需要定制特殊的客戶端程序，只需安裝標準的瀏覽器軟件，如Internet Explore或者Netscape。這樣只有現場設備的應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服務器的控制系統結構如圖1所示。

工業控制采用嵌入式Web技術，具有以下優勢：

(1)無須研發客戶端軟件，網絡瀏覽器作為通用客戶端的人機界面可運行于各個平臺，無論是Windows、Unix均可，與所在工作站的操作系統無關；

(2)瀏覽器的界面簡單易用，無需進行額外的使用培訓；

(3)可通過瀏覽器進行服務器端軟件的下載、升級和更新，使管理和升級現場設備應用軟件更加輕松和方便；

(4)同一個服務器設備可被多個瀏覽器同時訪問，只需通過安全認證，可以使用戶通過Internet網進行遠程監測、控制、升級，節省人力資本；

(5)服務器端軟件可以進行自診斷，能實時進行故障報警，故障分析，并通過Internet網絡通知不在現場的管理者，可加快故障排除，縮短故障響應和維修時間。

二　嵌入式Web服務器與標準Web服務器的差別

標準Web服務器，目的是用于電子商務或在Internet上發布網絡服務供大多數人訪問，是定位在“集中所有的Web服務軟件的優點，提供最穩定的、全功能的HTTP服務器”。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，而工業底層的各種現場設備的各種資源均有限，和PC機有很大的差別，上面這些要求對嵌入式Web服務器來說難以實現。嵌入式Web服務器則更多地關注根據儀表、控制系統的特點設計，以下是嵌入式Web服務器的具體特征。

1. 有限的嵌入式系統資源，較少的代碼空間

這是最重要的需求。許多嵌入式設備通常只有有限的存儲空間(Flash和RAM)，這就要求我們的服務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，由于大多數嵌入式設備沒有很好的存儲管理功能，不能對已經分配的存儲空間進行有效的回收，所以一旦用于打開某個網頁的內存空間被釋放之后，很難與臨近的內存空間合并，導致將來無法使用。這就要求嚴格控制嵌入式Web服務器的代碼大小，所需內存大小，并采用預分配和靜態分配的機制進行存儲管理，防止出現內存碎片。

2. 能夠支持動態網頁的生成

標準Web服務器通常含有大量的靜態存儲網頁，而嵌入式Web服務器要根據需求動態生成網頁。這些網頁需要實時地反映設備的狀態、采集的信號、報警信息，反饋操作的執行結果等等。嵌入式Web服務器必須要求網頁能隨現場設備的變化而動態更新和生成。通常有以下兩種做法來實現動態數據的生成：

(1)通過純C代碼在程序執行時生成HTML的標簽來反映動態的數據；

(2)直接生成動態網頁，并通過擴展標簽來嵌入動態數據。

3. 可以與控制系統、儀器集成
 
嵌入式WEB服務器應當能與現有的控制設備進行很好地集成，以方便設計。將已有的與設備相關的應用程序接口API與Web服務器集成，可通過不同的途徑。不同的嵌入Web服務器供應商會提供不同的方法，目前還沒有統一的標準。但比較通用的做法是通過動態服務網頁ASP(Active Server Pages)和JavaScript來使設備的應用程序產生的動態結果鏈接到網頁上。

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

5. 可以移植到新的平臺上
  
和CPU體系結構中嵌入式Web服務器通常要應用在不同的現場設備中，這些設備具有不同的處理器體系，如果Web服

由于在工業現場中，各種智能儀表的運算能力、儲存空間及其他各種硬件資源均有不同，其接入到網絡中的方式也有不同，導致嵌入式Web技術在具體的實現中有以下幾種方式：

(1)運行軟件TCP/IP協議棧，設備內部實現Web服務器。
 
這種方式的關鍵是用純軟件來實現TCP/IP的協議棧，讓嵌入式Web服務器軟件在此之上運行，并可直接連接到網絡上。這種直接連接的方式，通常需要CPU具有很強的運算處理能力，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，或者有以太網芯片組連接到以太網上，從而讓TCP/IP協議棧軟件與外界進行通信，其結構如圖2。

其技術優點是：設備可直接掛接到網絡上；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，硬件設計簡單。

其缺點是：需要處理能力較高的CPU，通常為32位運算能力的處理器；代碼量和數據內存耗費很大，需要較大的存儲空間；純軟件協議棧，軟件調試復雜。

(2)通過輔助硬件實現TCP/IP協議棧，控制設備集成形式實現Web服務器。

這種方式如圖3，完全由硬件來實現TCP/IP協議棧，只需在硬件規劃時設計好接口即可。也可采用能實現TCP/IP的硬件電路板，通過串口接入到現場智能設備上，從而實現硬件TCP/IP協議。現場設備的控制處理器只需運行嵌入式Web服務器軟件即可，大大減輕了負擔。

方案優點是: 設備可以直接掛接到網絡上；全部的TCP/IP協議棧由外圍芯片硬件實現，減輕了調試軟件的負擔；CPU不用運行TCP/IP協議棧軟件，減輕了處理負擔，對CPU的性能要求降低，減少了存儲器的使用空間。

其缺點是：增加了外圍芯片，成本增加；增加了硬件設計復雜度和產品成本。

(3)外部網關形式實現嵌入式Web服務器，對多設備進行調度。

這種方式如圖4，通常讓一臺PC機來充當外部網關，在此之上運行完整的TCP/IP協議和部分嵌入式Web服務軟件，通過串口等方式使每臺PC機可控制一個或者多個現場設備。外界對現場設備的訪問，先要通過網關進行解析，然后與現場設備交換信息，提取網頁等，并將最終的信息送給外部訪問者。

其優點是：現場設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備比較適合采用外部網關形式Web服務器；由于軟硬件的修改很少，極大縮短了產品的研發時間。

其缺點是：由于需要外部的網關(通常是PC機)，增加了產品的成本和系統復雜性；在網關與現場設備之間的協議沒有標準可循，通常不同的廠商之間的協議各不相同，增加了互聯的難度。

通常，采取何種方式實現網絡互聯并運行嵌入式Web服務器，取決于硬件資源、產品成本和用途。對于CPU處理能力強的硬件設備，可采用第一種或者第二種方式，而對于CPU處理能力不強，產品數量不多，或者是老設備的改造等，可在原有硬件的基礎上考慮第二種或者第三種實現方式。

四　嵌入式WEB技術發展展望

將嵌入式Web技術應用到工業控制現場具有許多優點，但同時還有一些關鍵問題需要進一步解決：

(1)實時性

在用戶瀏覽器和工業控制底層的嵌入Web服務器之間，通常采用10M/100M以太網。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鍵網段隔離開，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，采用高運算能力32位嵌入式微處理器，以保證控制運算的實時性，以及在多用戶訪問同一個嵌入式Web服務器時可有較快的響應速度。

(2)工業標準的選擇

Internet相關各種標準在不停地發展。從使用的語言上來看，HTML語言已經有了更多替代，如XML可擴展標識語言，可使表示形式和具體內容分開，具有更強的數據交換功能，更有利于控制系統通過標準方式來交換數據。所以在現場設備中，會得到更多的推廣。

(3)可靠性

工業控制設備基本功能是

(4)安全性

對工業現場關鍵設備的訪問和操作，以及網頁信息的顯示，均要保證安全性，通常不能用明文在網絡上傳輸信息，而是采用加密措施以及鑒別認證進行用戶管理。

五　結束語

隨著網絡技術不斷的發展，將Web技術應用到工業控制現場中使得系統功能在空間上得到延伸，具備網絡化自動化控制系統的特性，具有較好應用性、開放性，是技術發展的趨勢和熱點。同時，在具體實現嵌入式Web服務器的時候，我們要考慮底層設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、產品成本等，以決定采取何種方式接入網絡，以及實現哪些Web服務器功能。