1 前言

Web Service作為一種有著強(qiáng)大功能的可互操作性和擴(kuò)展性的新技術(shù),被越來(lái)越多用于異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成,自然想到將其應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成.本文介紹了一種在單片機(jī)系統(tǒng)中調(diào)用Web Service實(shí)現(xiàn)主動(dòng)提交數(shù)據(jù)的方法,方便了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的集成.在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,可以利用單片機(jī)系統(tǒng)用串口方式采集儀表數(shù)據(jù),通過(guò)串行總線將數(shù)據(jù)提交給上位計(jì)算機(jī),通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的通信協(xié)議與上位采集服務(wù)器通信,集成采集的數(shù)據(jù).當(dāng)需要增加下位機(jī)采集模塊時(shí)需要擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的上位機(jī)采集口,采集系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)都非常麻煩.在單片機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)用采集服務(wù)器端的Web Service和上位機(jī)交互數(shù)據(jù),可以簡(jiǎn)化下位機(jī)和上位機(jī)的通信,把主要工作放在下位單片機(jī)系統(tǒng)如何和儀表通信采集數(shù)據(jù)上, 基于該方法可以方便的構(gòu)建基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)采集方案.該方案還可以方便的集成已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),方便單片機(jī)系統(tǒng)的升級(jí),比如可以把利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的采集系統(tǒng)很容易的改為PLC采集系統(tǒng)或直接PC采集數(shù)據(jù)模式,而只需升級(jí)后的系統(tǒng)調(diào)用同樣的Web Service交互數(shù)據(jù)即可.由于Web Service調(diào)用使用HTTP協(xié)議交互數(shù)據(jù),該方案還可以方便的擴(kuò)展為支持Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集.

2 單片機(jī)系統(tǒng)中調(diào)用Web Service的實(shí)現(xiàn)

2.1 Web Service技術(shù)[7,9,10]

Web Service是能夠通過(guò)Web協(xié)議來(lái)訪問(wèn)的可編程應(yīng)用程序組件, 使原來(lái)孤立的站點(diǎn)之間的信息能夠相互通信、共享.Web Service所使用的是Internet上統(tǒng)一、開放的標(biāo)準(zhǔn),如HTTP、XML、SOAP、WSDL、UDDI等,所以Web Service可以在任何支持這些標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境（Windows、Linux等）中使用.Web Service本質(zhì)其實(shí)不是一種新技術(shù),前面提到其使用了Internet標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)便是Web Service的核心技術(shù).

(1)HTTP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).HTTP為Web Service請(qǐng)求與響應(yīng)提供了傳輸層,HTTP使得任何設(shè)備和平臺(tái)都可以訪問(wèn)Web Service.

(2)XML(Extensible Markup Language,可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言),是一套規(guī)范,允許編程人員自行定義如HTML般的標(biāo)注,以方便數(shù)據(jù)存取和處理、交換、轉(zhuǎn)換等,主要特點(diǎn)是使用有意義的標(biāo)記,這個(gè)特性使計(jì)算機(jī)可以理解數(shù)據(jù)含義.XML可以在任何系統(tǒng)、應(yīng)用程序、任何平臺(tái)上運(yùn)行,數(shù)據(jù)傳輸以Internet為基礎(chǔ),傳輸費(fèi)用便宜.

(3)SOAP協(xié)議（Simple Object Access Protocol,簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議）,是一個(gè)用于分散和分布式環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)信息交換的基于XML的通信協(xié)議.它的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是簡(jiǎn)單性和擴(kuò)展性,這有助于大量異構(gòu)程序和平臺(tái)之間的互操作性,從而使存在的應(yīng)用程序能夠被廣泛的用戶訪問(wèn).由于數(shù)據(jù)采用文本格式,調(diào)試方便,容易穿越防火墻.

(4)WSDL(Web服務(wù)描述語(yǔ)言),是基于XML的用來(lái)描述Web服務(wù)功能的一種語(yǔ)法.

(5)UDDI（Universal Description, Discovery, and Integration, 統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成）,基于XML創(chuàng)建的一個(gè)平臺(tái)獨(dú)立, 開放的框架,通過(guò)Internet來(lái)描述服務(wù),發(fā)現(xiàn)服務(wù),并且整合服務(wù).

2.2 Web Service 調(diào)用本質(zhì)

現(xiàn)在很多語(yǔ)言工具都支持Web服務(wù)開發(fā),如VS.Net、J2EE、JBuilder等,而且很多語(yǔ)言工具是跨平臺(tái)（Windows、Linux等）的.這些開發(fā)工具都有專門的開發(fā)包或者類庫(kù),可以方便的實(shí)現(xiàn)Web Service的定義和調(diào)用,本文主要研究單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)Web Service的調(diào)用方法.

調(diào)用Web Service本質(zhì)上就是程序客戶端和Web Service服務(wù)器端的信息交互,且有專門的信息格式.在ASP.net中提供了三種交互端口（協(xié)議）：SOAP、HTTP-GET和HTTP-POST[7].在這三種協(xié)議中,SOAP是XML Web Service最常用到的.與HTTP相比,SOAP顯的更為復(fù)雜,但卻擁有更強(qiáng)的接受能力.SOAP是一種以XML為基礎(chǔ)的協(xié)議,它提供一種將數(shù)據(jù)打包和編碼的方法,以用于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸.任意一個(gè)用戶都可以使用SOAP協(xié)議與任何一個(gè)Web Service進(jìn)行通信,甚至于說(shuō)這個(gè)XML Web Service不是建立在ASP.NET 平臺(tái)上的,比如說(shuō)Java的,都可以利用SOAP來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.因此SOAP是語(yǔ)言獨(dú)立的. HTTP將SOAP 消息封裝,然后以它的形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸. HTTP-GET和HTTP-POST這兩種方法傳送參數(shù)和數(shù)據(jù)的能力比較簡(jiǎn)單,非常適合不能使用SOAP的客戶來(lái)調(diào)用Web Service的情況. HTTP-GET和HTTP-POST方式與SOAP相比有如下特性：

優(yōu)點(diǎn)：（1）HTTP方式不需要復(fù)雜的XML消息處理,適合不支持XML的平臺(tái)使用；（2）HTTP方式在交互時(shí)候不需要添加額外的標(biāo)簽,減少了交互的數(shù)據(jù)量和開銷,有利于提高整體性能.

缺點(diǎn)：（1）不能調(diào)用具有復(fù)雜數(shù)據(jù)類型參數(shù)的Web Service；（2）如果調(diào)用返回復(fù)雜數(shù)據(jù)類型時(shí)處理不方便；（3）不能把類和結(jié)構(gòu)序列化為XML消息；（4）不能使用引用方式傳遞參數(shù).

結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)用Web Service的實(shí)際需要以及考慮到單片機(jī)的處理能力低,不支持XML,不適合復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理,開發(fā)效率低等問(wèn)題,認(rèn)為使用HTTP方式比較合適,本文中將以HTTP-POST為例介紹其調(diào)用Web Service的實(shí)現(xiàn)方法.

2.3 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)中調(diào)用Web Service的核心技術(shù)

（1）基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)HTTP

在嵌入式系統(tǒng)（WinCE、Linux等）中,可以基于其自帶的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)HTTP或者直接使用嵌入式Web服務(wù)器[1~5]來(lái)使用HTTP協(xié)議,在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中則可以在高級(jí)語(yǔ)言中直接調(diào)用Web客戶端使用HTTP協(xié)議或者利用SOCKET網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)基于HTTP的數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)都比較簡(jiǎn)單,但在單片機(jī)系統(tǒng)中,其自身并沒有TCP/IP協(xié)議棧,因此基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)HTTP.

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.如圖1所示,下位機(jī)和儀表設(shè)備通過(guò)485總線連接,下位機(jī)利用單片機(jī)開發(fā),采用主從方式和設(shè)備儀表通信采集數(shù)據(jù).采集到的數(shù)據(jù)再通過(guò)總線發(fā)送給嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊,模塊收到串行數(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,嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)網(wǎng)線連接至工業(yè)以太網(wǎng).該方法中,下位機(jī)是實(shí)現(xiàn)HTTP應(yīng)用層協(xié)議的關(guān)鍵,只要下位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包符合HTTP協(xié)議,經(jīng)嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊轉(zhuǎn)化,變成可由Web服務(wù)器處理的合法HTTP-POST請(qǐng)求包,則可利用Web Service實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和保存,也就實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)用Web Service.

圖1 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　實(shí)驗(yàn)中選用了廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司開發(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設(shè)置網(wǎng)絡(luò)模塊的參數(shù),包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、串口的波特率、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,所以實(shí)驗(yàn)中模式設(shè)為TCP Client模式,目標(biāo)端口默認(rèn)設(shè)置為80.　?。?）HTTP-POST消息格式　　Internet標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)HTTP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)文檔：RFC1945和RFC2616[6].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,這意味著可以打開一次TCP連接進(jìn)行多次請(qǐng)求/響應(yīng),大大提高了性能. 由于單片機(jī)系統(tǒng)的處理效率低、資源有限等原因,在其上實(shí)現(xiàn)完整HTTP協(xié)議很不現(xiàn)實(shí),實(shí)際上為了實(shí)現(xiàn)Web Service調(diào)用也沒有必要全部實(shí)現(xiàn),只需實(shí)現(xiàn)基本的HTTP1.1協(xié)議完成單片機(jī)系統(tǒng)和Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信即可. 經(jīng)過(guò)分析研究,找出了一種比較簡(jiǎn)單有效的HTTP-POST格式.下面通過(guò)一個(gè)具體例子說(shuō)明實(shí)現(xiàn)的方法.　　用C#實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)WebService1,定義一個(gè)處理模擬量數(shù)據(jù)的方法：[WebMethod]public string SimulateData(byte s,float[] a) { … return "OK";}　　SimulateData方法的參數(shù)中,s為下位機(jī)站地址,可以用來(lái)區(qū)分哪個(gè)下位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù),數(shù)組a為下位機(jī)提交的模擬量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際傳遞的數(shù)據(jù)來(lái)定.下面是HTTP-POST請(qǐng)求包數(shù)據(jù)：POST /WebService1/service1.asmx/SimulateData HTTP/1.1Host: 127.0.0.1Content-Type: application/x-www-form-urlencodedContent-Length: 43s=1&a=100.0&a=100.0&a=100.0&a=100.0&a=100.0　　上面為一個(gè)合法的HTTP-POST協(xié)議的包實(shí)例, “/WebService1/service1.asmx/SimulateData”為要調(diào)用的Web Service的方法名及其服務(wù)地址,最后一行為真正的有效數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)包括采集站地址,本例中為1,以及5個(gè)模擬量數(shù)據(jù),本例中為5個(gè)100.0.在HTTP-POST包中除了數(shù)據(jù)域以外,“Content-Length: 43”中的43會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)域?qū)嶋H字節(jié)個(gè)數(shù)在下位機(jī)中由程序設(shè)置,表示提交的有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù).由此可以看出,只要加上正確的HTTP請(qǐng)求頭、相應(yīng)的Web Service地址,并且按照HTTP1.1 POST規(guī)范設(shè)置數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的HTTP-POST協(xié)議,在單片機(jī)系統(tǒng)中只需把這些數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)出,剩下的工作由嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn),和編寫普通的串口發(fā)送程序一樣簡(jiǎn)單.經(jīng)絡(luò)模塊轉(zhuǎn)化后的HTTP-POST請(qǐng)求最終到達(dá)Web服務(wù)器,根據(jù)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),如果實(shí)時(shí)性要求不高且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量不大,可以使用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù),不然可以使用專用的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,如Oracle和SQL Server.　　調(diào)用Web Service后也會(huì)返回給下位機(jī)數(shù)據(jù)以表示執(zhí)行結(jié)果,如果下位機(jī)不關(guān)心執(zhí)行結(jié)果可以忽略返回的數(shù)據(jù),否則可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的處理,下面給出作者實(shí)驗(yàn)時(shí)的返回?cái)?shù)據(jù)：HTTP/1.1 200 OKDate: Thu, 08 Feb 2007 07:45:51 GMTServer: Microsoft-IIS/6.0MicrosoftOfficeWebServer: 5.0_PubX-Powered-By: ASP.NETX-AspNet-Version: 1.1.4322Cache-Control: private, max-age=0Content-Type: text/xml; charset=utf-8Content-Length: 101< xml version="1.0" encoding="utf-8" >ok上面的“ok”為方法SimulateData執(zhí)行正確后返回的數(shù)據(jù).3 優(yōu)點(diǎn) 　　基于本文提出的方法可以方便的利用單片機(jī)構(gòu)建基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),有以下優(yōu)點(diǎn)：　　（1）可以方便的集成現(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-POST請(qǐng)求包通過(guò)串口發(fā)出即可.　?。?）采用工業(yè)交換以太網(wǎng),基于HTTP協(xié)議,同時(shí)滿足局域和遠(yuǎn)程采集的需要.可以把該系統(tǒng)連至Internet,Web Service和下位機(jī)系統(tǒng)可以不在同一地理位置,而且Web Service可以同時(shí)處理多個(gè)不同地理位置提交的數(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).　?。?）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.　?。?）不同于傳統(tǒng)的專用采集服務(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,不需要編寫專門的數(shù)據(jù)接收程序和上位機(jī)采集程序,只需編Web Service接口代碼.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.4 結(jié)束語(yǔ)　　實(shí)驗(yàn)證明,基于本文方法可以快速有效的部署數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),比傳統(tǒng)的串口服務(wù)器采集數(shù)據(jù)的方法有很多優(yōu)越性.上位機(jī)和下位機(jī)通信基于Web Service技術(shù),使得系統(tǒng)的開發(fā)工作主要放在下位機(jī)和儀表的通信上,提高了系統(tǒng)開發(fā)效率,由于Web Service的跨平臺(tái)和語(yǔ)言無(wú)關(guān)性,使得可以方便的維護(hù)和修改系統(tǒng)方案,大大減少開發(fā)成本.