摘    要：本文介紹了一種適合于工業(yè)場合、基于客戶機/服務器模型的嵌入式網絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計。服務器采用32位的Freescale ColdFire系列MCF5272為CPU,以mClinux為操作系統(tǒng),客戶機可以是網絡上任何裝有客戶機軟件的PC機，系統(tǒng)中的監(jiān)控界面由客戶端設計，可以通過升級客戶機軟件來滿足新的監(jiān)控任務。該系統(tǒng)的通用性和靈活性強，利于用戶的二次開發(fā)。
 
關鍵詞：嵌入式;  客戶機/服務器；網絡監(jiān)控；PLC；二次開發(fā)

引言
目前，嵌入式網絡監(jiān)控系統(tǒng)以其本身體積小、功能多、支持以太網技術等優(yōu)點，已成為工控領域中的新熱點。網絡監(jiān)控系統(tǒng)的方式可分為B/S(瀏覽器/服務器)和C/S(客戶機/服務器)兩種。對于B/S形式，要求嵌入式服務器的存儲器容量足夠大，而且對于監(jiān)控設備結構調整或對監(jiān)控內容更改頻繁的應用場合，就必須對嵌入式服務器中的網頁和CGI程序進行更改，這無疑會使普通用戶在對服務器進行維護和二次開發(fā)時遇到很大的困難。本文介紹的一種采用C/S結構的系統(tǒng)設計可以克服以上問題。由于監(jiān)控對象和監(jiān)控頁面的設置都由客戶機完成，服務器只需進行數(shù)據(jù)采集、響應客戶請求、利用TCP/IP網絡發(fā)送客戶請求數(shù)據(jù)等工作，同時客戶機的監(jiān)控頁面采用通用的微軟Windows風格，降低了對操作人員的要求，利于二次開發(fā)。

嵌入式網絡監(jiān)控系統(tǒng)的
總體框架
以工廠生產自動化中監(jiān)控PLC和CAN總線設備為例，為了實現(xiàn)工廠生產透明化，希望在任何地方都能通過網絡監(jiān)控生產情況，并能夠隨著工廠生產內容的調整更換監(jiān)控內容，因此，可采用C/S形式使監(jiān)控對象及監(jiān)控頁面由客戶自己根據(jù)具體要求定義。服務器由32位Freescale Coldfire系列中支持網絡通信的MCF5272芯片和專用于微控制的mClinux操作系統(tǒng)構成。
該系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。由客戶機發(fā)出對設備的監(jiān)控命令，嵌入式服務器接收并處理信息，根據(jù)客戶機請求對監(jiān)控對象發(fā)出控制命令，或通過串口和CAN接口獲得客戶機感興趣的狀態(tài)，并將此信息通過網絡協(xié)議經過網絡連接返回客戶端，由客戶端分析并與設計的監(jiān)控界面建立動畫連接或將現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)顯示在界面上，并將此信息存儲到客戶端歷史數(shù)據(jù)庫供用戶打印輸出或統(tǒng)計。

客戶端軟件設計
客戶端系統(tǒng)要完成的任務是監(jiān)控界面的制定和監(jiān)控任務的執(zhí)行，所以客戶端軟件有兩個功能模塊：界面開發(fā)環(huán)境和界面運行環(huán)境。本系統(tǒng)使用的是由VC6.0開發(fā)的組態(tài)軟件，客戶可以自定義監(jiān)控界面風格，也可與國內生產組態(tài)軟件廠商合作設計通用的客戶端界面軟件。
客戶端軟件的結構如圖2所示。其中界面開發(fā)環(huán)境的任務是生成監(jiān)控的人機界面，開發(fā)環(huán)境應提供構成現(xiàn)場畫面所需要的對象，如線、填充圖形、文本及可直接調用的圖庫，對于有實際意義的圖形運行界面，還將提供會話式的對話框來使這些圖形與現(xiàn)場的控制單元建立動畫連接。當用戶通過開發(fā)環(huán)境自定義監(jiān)控界面后，開發(fā)環(huán)境會根據(jù)此界面建立一系列數(shù)據(jù)文件，并生成終的圖形目標應用文件，供運行環(huán)境使用。運行環(huán)境將開發(fā)環(huán)境生成的目標應用文件裝入內存并投入實時運行，一般由多個線程來完成。界面運行線程接收用戶請求事件，將用戶的請求按一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到運行與內存的上行/ 下行消息隊列，實時消息管理線程將對消息隊列進行管理并收發(fā)數(shù)據(jù)。為了滿足監(jiān)控對象的多樣性，消息收發(fā)線程在將用戶消息發(fā)送到服務器時，就會根據(jù)開發(fā)環(huán)境提供的監(jiān)控PLC類型，在監(jiān)控設備協(xié)議解釋層將發(fā)送消息根據(jù)此設備的通信協(xié)議進行組織。利用此方式可以方便地監(jiān)控各種設備。同時，驅動程序用動態(tài)連接庫的形式給出，方便系統(tǒng)升級。

嵌入式服務器端系統(tǒng)設計
嵌入式服務器采用32位Freescale Coldfire 系列的MCF5272加mClinux微操作系統(tǒng)的方案，硬件結構如圖3所示。5272是Freescale生產的基于68K第二代Coldfire內核、可用于工業(yè)場合的嵌入式芯片，它集成以太網接口,運算速度66MIPS。ColdFire 微處理器上可以運行很多操作系統(tǒng)，但是mClinux 可以說是合適，性價比的操作系統(tǒng)。
本系統(tǒng)中服務器端運行的mClinux系統(tǒng)的主要模塊有TCP/IP協(xié)議棧、PPPD模塊、以太網口、CAN驅動和串口驅動，應用程序有PPP撥號服務器模塊和經過網絡通信響應客戶機請求及與被控對象通信的服務程序。在編譯mClinux內核時要加入所需組件，應用程序編譯采用交叉編譯的方式，在運行REDHAT9.0的PC機上用Freescale Coldfire系列 專用編譯器編譯后到服務器的FLASH中。在以太網接收及與PLC的通信驅動程序中，服務器不斷監(jiān)聽網絡端口，將客戶機發(fā)來的消息通過網絡通信得到，并將其轉發(fā)到連接PLC的串口。定義客戶機端發(fā)向服務器的請求消息就是符合該監(jiān)控對象通信協(xié)議的請求消息，這樣服務器可連接任意系統(tǒng)支持的設備而不必設置監(jiān)控對象的類型，因為該任務已經由客戶機在設計界面時完成。PPP服務器守護進程主要在客戶機通過modem經電話網撥入建立網絡連接時使用。

網絡通信及冗余技術
在監(jiān)控系統(tǒng)的客戶機上運行的Windows操作系統(tǒng)中的客戶機監(jiān)控界面與嵌入式服務器之間的TCP/IP網絡通信編程方法是使用BSD Socket (套接口)界面編程。通過它，網絡端點 (IP地址和端口地址)以套接口的形式出現(xiàn)。這種套接IPC(進程間通訊)方式的設計是為了能讓網絡程序的設計獨立于不同的底層通信設施。本系統(tǒng)中客戶機和服務器之間的Socket通信是在異構環(huán)境中進行的，客戶機采用WinSocket,服務器采用Linux下的Socket。
為了保證通信暢通，在利用以太網端口進行通信的基礎上，同時提供利用串口和modem撥號的方式作為與遠端服務器建立通信鏈路的冗余。為了實現(xiàn)modem撥號連接，必須在客戶機端運行撥號軟件，在服務器端運行撥號服務器程序?？蛻魴C可以使用Windows自帶的撥號軟件，而在服務器端就必須在后臺運行撥號服務監(jiān)控程序。撥號通信采用的是PPP點對點協(xié)議，mClinux中帶有這個協(xié)議組件，同時通過PPPD協(xié)議例程來提供PPP連接時的LCP(鏈路控制協(xié)議)、用戶、和IPCP(網絡協(xié)議配置)。
運行在嵌入式服務器端的撥號服務器守護進程的工作機理如下：對串口進行設置并打開串口 ，發(fā)送AT指令檢查外部modem的存在；如modem正常，用標準AT指令設置自動應答模式，之后進入檢測串口輸入循環(huán)；當有遠程modem撥入的鈴流，即串口有RING字符收到后，軟件將強制摘機，進入物理鏈路建立連接階段；連接成功后，串口出現(xiàn)CONNECT字符，此時程序將vfork一個進程，啟動PPPD進入PPP連接階段與撥入客戶機進行握手協(xié)商協(xié)議，用戶、配置遠程計算機IP，成功后將建立PPP連接；PPPD在連接成功后，將更改mClinux系統(tǒng)的路由表添加新的直接到達的路由路徑，這樣就可以在客戶端和嵌入式服務器端通過串口收發(fā)IP包進行網絡通信了。
結語
本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)的服務器端采用32位CPU加mClinux操作系統(tǒng)的嵌入式方案，利于設備的小型化，采用C/S形式將監(jiān)控界面交由客戶端設計，并且系統(tǒng)對監(jiān)控對象無依賴性，可通過升級客戶機軟件來增加驅動以滿足新的監(jiān)控任務，這樣的設計模式增加了該系統(tǒng)的通用性、靈活性和產品生命周期，利于用戶的二次開發(fā)。在嵌入式網絡設備日益滲透到工業(yè)生產和各種監(jiān)控應用中的趨勢下，這種系統(tǒng)將會有很好的利用前景?！?