CN112380034B - 一种嵌入式设备远程实验方法 - Google Patents

Abstract

一种嵌入式设备远程实验方法，包括：1)首先搭建Sip服务器和Web服务器；2)运行嵌入式设备代码进而和Sip服务器建立连接等待被用户绑定；3)用户登录与Sip服务器建立通信并绑定设备；4)嵌入式设备等待用户发送命令，并解析命令；5)执行下载命令进行文件下载；6)执行操作命令并获取嵌入式设备执行命令后的响应数据；7)将响应数据反馈到Web服务器进行保存；8)用户通过浏览器请求获取Web服务器的数据库内容将其显示在浏览器。

Description

一种嵌入式设备远程实验方法

技术领域

本发明涉及互联网和通讯领域，尤其涉及http协议及Sip协议以及UDP协议，采用网络传输的方式，将浏览器端的文件和指令发送到指定嵌入式设备上，该设备可以接收浏览器端发来的文件，并对远端发来的命令进行解析和执行，嵌入式设备将执行的结果反馈给Web服务器，浏览器通过请求Web服务器的方式获取嵌入式设备返回的结果，使得用户可以实现和嵌入式设备进行远程数据交互从而实现远程进行嵌入式实验的目的。具体地说就是一种嵌入式设备远程实验方法。

背景技术

随着时代发展，互联网成为了一种便捷的通信方式，我们可以通过网络进行远程的数据交互。嵌入式设备也在大众的生活中越发的普及，通过Sip协议http协议和UDP协议实现嵌入式设备接入网络从而实现远程控制嵌入式设备进而远程进行嵌入式实验。

Sip(Session Initiation Protocol，会话发起协议)是由IETF(InternetEngineering TaskForce，互联网工程任务组)提出的IP电话信令协议,是采用UTF-8字符集来进行编码的文本协议。Sip是一种通信协议，定义了如何在通信设备(计算机，电话，手机等)之间相互连接和信息交换，Sip也是一种信令控制协议，可以配置和管理任何类型的peer-to-peer通信会话,但并不关心媒体类型(语音、短信、游戏、视频等)。Sip协议具有良好的可扩展特性，可以方便地增加定义，嵌入各种用户终端并迅速实现新功能；有较强的互操作能力，良好的开放性。

HTTP全称为Hyper Text Transfer Protocol,被译为超文本传输协议,是互联网上应用最为广泛的一种网络协议。HTTP协议是在Web上进行数据交换的基础，是一种“客户端-服务器端”协议。也就是说，请求通常是由像浏览器这样的接受方发起的。一个完整的Web文档通常是由不同的子文档拼接而成的，像文本、布局描述、图片、视频、脚本等等。设计HTTP最初的目的是为了提供一-种发布和接收HTML页面的方法。

UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包，在OSI模型中，两者都位于传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，是无法得知其是否安全完整到达的。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP协议从问世至今已经被使用了很多年，虽然其最初的光彩已经被一些类似协议所掩盖，但即使在今天UDP仍然不失为一项非常实用和可行的网络传输层协议。

发明内容

为解决疫情期间实验室现场做实验人员密集，以及嵌入式设备昂贵的问题，本发明提供了一种嵌入式设备远程实验方法，实现远程操作嵌入式设备进行实验。

本发明主要涉及将嵌入式设备接入网络，使其可以接收来自远端发往嵌入式设备的数据和嵌入式设备产生的数据上传到Web服务器。本发明并不涉及Sip服务器和Web服务器的如何搭建以及前端界面功能的设计。但是为了说明本发明的完整流程，在说明时会对Sip服务器和Web服务器以及前端界面功能稍有提及但不作为重点展开。

一种嵌入式设备远程实验方法，包括以下步骤：

1)首先搭建Sip服务器和Web服务器，具体包括：

Sip服务器用于建立信令通信，使用户可以发现远端嵌入式设备并绑定该设备以及转发用户消息到嵌入式设备。Web服务器用于转发接收用户来自浏览器发送的消息，将消息体转为满足Sip协议要求的Sip消息到Sip服务器，还需要有保存用户上传文件以及给嵌入式设备下载文件的功能，还需要保存来自嵌入式设备的反馈信息。

2)运行嵌入式设备代码进而和Sip服务器建立连接等待被用户绑定，具体包括：

设备在本地两个进程代码，分别为Sip进程和Dev进程，Sip进程用于Sip消息的发送和接收，Dev进程用于Sip消息的解析和处理，两个进程之间采用了满足UDP协议的UPD通信实现了进程间通信，进程间通信主要实现的功能是将Sip进程收到的来自Sip服务器发来的用户消息的消息体转发给Dev进程，Dev进程负责发起设备登录消息和解析消息体，解析得到具体的命令后执行对应命令。通过运行这两个进程完成设备登录到Sip服务器并发送心跳保活消息至Sip服务器，使得设备保持在线状态。从而使得嵌入式设备可以被远端的用户发现并进行绑定。

3)用户登录与Sip服务器建立通信并绑定设备，具体包括：

用户通过浏览器进行登录操作，通过Web服务器的协议转换(http协议转Sip协议)功能使得浏览器用户可以和Sip服务器建立连接，进行信令通信。由于嵌入式设备已经登录，因此用户登录后可以看见已经在线的嵌入式设备并选择一台在线的嵌入式设备进行绑定。

4)嵌入式设备等待用户发送命令，并解析命令，具体包括：

用户通过浏览器发送命令，通过Sip服务器转发到绑定的嵌入式设备，设备通过Sip进程接收这个消息转发消息的消息体到Dev进程进行解析处理，Dev进程通过判断消息体内容得知执行的命令种类，命令种类包括下载命令和操作命令，操作命令是Linux常用命令，下载命令是和前端以及Sip服务器协商好的自定义的字符串。

5)执行下载命令进行文件下载，具体包括：

如果解析后发现是下载命令，那么获取下载命令中待下载文件的名字的字符串。在嵌入式设备本地创建同名文件，接着通过http协议和Web服务器进行通信，具体操作就是Dev进程使用libcurl库提供的GET方法访问Web服务器提供的文件下载接口，将Web服务器反馈的数据保存到嵌入式设备本地的同名文件当中实现文件下载的功能。

6)执行操作命令并获取嵌入式设备执行命令后的响应数据，具体包括：

如果是操作命令，那么Dev进程会通过调用system或popen函数执行解析出的具体操作命令，通过输出重定向的方式将嵌入式设备执行操作的反馈数据保存到指定的文件当中，通过读取这个文件的内容获取到嵌入式设备执行操作的响应数据。

7)将响应数据反馈到Web服务器进行保存，具体包括：

获取嵌入式设备执行操作的反馈数据后，再次通过http协议和Web服务器进行通信，通过Dev进程使用libcurl库提供的POST方法访问Web提供的数据上传接口，将数据上传到Web服务器，被Web服务器保存到数据库当中。

8)用户通过浏览器请求获取Web服务器的数据库内容将其显示在浏览器。

通过上述8个步骤实现嵌入式设备远程实验的目的。

本发明的优点是:第一点是通过Sip协议实现嵌入式设备接入网络可被用户远程发现和绑定，实现用户和嵌入式设备建立通信。通过http协议实现嵌入式设备下载文件和数据上传的功能。通过UDP协议实现嵌入式设备的进程间通信。而与这三种协议相关应用比较广泛和成熟，因此实现代码比较容易可以参考的资料很丰富并不会涉及很多复杂知识。第二点是通过Sip协议和http协议的结合使用完成了用户命令的接收和响应数据的反馈，从而使嵌入式设备被远程操作成为可能，进而达到远程嵌入式设备实验的目的。第三点是在设备端通过模块化编程思想将功能分割在两个不同的进程，进而使代码调试管理实现更见简洁方便。

附图说明

图1是本发明方法的整体框架图。

图2是本发明方法的Sip进程整体流程图。

图3是本发明方法的Sip进程中设备登录流程图。

图4是本发明方法的Sip进程中心跳保活流程图。

图5是本发明提供的一种嵌入式设备远程实验方法的Dev进程整体流程图。

图6是本发明方法的Dev进程解析Sip进程发来的消息体的流程图。

图7是本发明方法的执行下载命令从Web服务器下载文件的流程图。

图8是本发明方法的执行操作命令并将嵌入式设备反馈数据传递至Web服务器的流程。

图9是本发明方法的进程间通信关系图。

图10是本发明方法的完整操作的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

参照图1，可以看到本发明提供的一种嵌入式设备远程实验方法的整体框架图，整体框架中包含5个部分，分别是浏览器、Web服务器、Sip服务器，数据库，嵌入式设备。浏览器端设计前端登陆和操作界面用于和用户进行交互，涉及到发送命令、上传文件、嵌入式设备反馈数据显示等主要功能。Web服务器包含的功能分别是保存浏览器上传的文件，为嵌入式设备提供给文件下载接口，保存用户的信息到数据库，保存嵌入式设备的反馈数据到数据库，将浏览器发送的对嵌入式设备的操作命令从http协议转为Sip协议并转发至Sip服务器。Sip服务器通过查询数据库获取嵌入式设备和用户的信息建立会话绑定用户和嵌入式设备，将Web转发的Sip消息内容转发到对应的嵌入式设备。嵌入式设备用于接收Sip服务器转发的消息，解析获得浏览器发来的命令，执行相对应的操作(包括操作命令和下载命令)，将嵌入式设备的反馈数据上传到Web服务器。

本发明主要完成了将嵌入式设备接入网络使得嵌入式设备可以被用户发现和绑定，使该嵌入式设备符合上述总体框架。嵌入式设备端的具体实现通过两个进程实现，Sip进程用于收发Sip消息和转发Sip消息体，Dev进程用于解析Sip消息体并执行操作，并且可以将嵌入式设备产生的数据发送给Web服务器，本发明通过模块分离的思想将嵌入式设备的Sip消息的接收发送功能和解析处理功能分离，使得程序结构清晰便于维护和实现。

参照图2可以看到Sip进程的整体流程图，首先通过读取配置文件获取设备ID(这个ID是Sip服务器提供的)，Sip服务器IP地址等基本配置信息，通过初始化函数对Sip功能进行配置，这里主要是配置两个回调函数on_message和on_response，前者用于接收来自Sip服务器主动发来的消息，也即Sip服务器转发的消息，后者用于接收由设备主动发送给Sip服务器消息后Sip服务器的应答消息。因此回调函数on_message和on_response完成了Sip服务器消息的接收功能。接着配置UDP协议的套接字，用于和Dev进程建立UDP通信进行消息体传递。接着通过建立一个专门的线程用于接收来自Dev的UDP消息，如果Sip进程接收到Dev消息后会将该消息封装成符合Sip协议标准的Sip消息发送到Sip服务器。当UDP通信建立后，回调函数可以通过UDP通信方式将收到的Sip进程收到来自Sip服务器的Sip消息的消息体转发到Dev进程。在on_response回调函数中会创建一个心跳保活线程专门用于周期性发送心跳包。只有在设备登陆后才会创建，并且只创建一次。

嵌入式设备端向Sip服务器发送的消息分为两种，一种是设备登陆消息(图3)，另一种是心跳保活的消息(图4)，可以通过参考图3和图4看到嵌入式设备和Sip服务器的通信流程。图3中F1过程是嵌入式设备向Sip服务器发起登陆REGISTER请求，在Sip消息头的from字段添加嵌入式设备ID信息，这个ID是后台提供的，此时F2过程是Sip服务器返回200OK以及附加一个随机数seed给设备，F3过程是设备根据返回的seed进行加密，将加密的密文通过REGISTER请求发送给心灵服务器；F4过程是Sip服务器进行相同的算法验证密码是否正确，若正确返回200OK+当时的时间。图4中F1过程设备向Sip服务器发送REGISTER请求，REGISTER请求的消息体应该添加Xml节点hearbeat_request表示心跳包(这个节点名是和Sip服务器共通制定的)。心跳保活由Sip进程完成在on_response函数中

参考图5可以看到Dev进程的整体流程图，首先是读取Config.dat配置文件(这个文件和Sip进程读取的文件是相同的)获取设备ID，完成嵌入式设备的初始化工作，接着配置UDP通信相关的套接字，为了实现进程间通信时接收和发送消息的异步处理，创建一个专门的接收线程用于阻塞等待Sip进程发来的消息。在Dev进程等待接收Sip进程发送消息的通信，通过UDP通信的方式发送一次设备登陆信息给Sip进程，由Sip进程将消息封装发送给Sip服务器开始信令通信。当接收线程收到来自Sip进程发来的消息体后，Dev进程会对这个消息体进行Xml格式的解析(Sip消息的消息体格式为Xml格式)，获取用户发送的命令。命令共包含两种，一种是操作命令比如“ls”、“cd”、“cp”以及运行代码命令，另一种是下载命令，用于通知嵌入式设备将用户上传的经过交叉编译的可执行文件下载到嵌入式设备端。最后将嵌入式设备执行相应操作后的打印信息通过http协议上传到Web服务器。

参考图6可以看到Dev进程解析Sip进程发来的消息的流程图，首先通过接收线程获取Sip进程发来的消息，这个消息为Xml格式，通过Xml相关库函数解析Xml各个节点以及节点中的数据。通过判断根节点名可知该消息包含的命令是操作命令还是下载命令，如果判断为操作命令那么通过system函数或popen函数执行相对应的操作。如果是下载命令，那么通过libcurl库的GET方法访问Web服务器提供的对应接口进行文件下载。参考图7可以看到Dev进程从Web服务器下载文件的流程图；通过解析Sip进程发来的Xml消息得知为下载命令，同时获取待下载文件的名字，通过GET方法以设备的ID号和文件名作为参数访问Web的接口，Web服务器通过响应请求的方式将Web服务器上的实验代码传给嵌入式设备，嵌入式设备通过在本地创建同名文件，将接受到的数据写入这个文件实现文件从Web端下载到嵌入式设备端的过程。参考图8可以看到将执行命令反馈的结果传递至Web服务器的流程，当解析Xml消息为操作命令时，获取具体的执行命令，使用system或popen函数实现命令的执行，通过输出重定向的方式将嵌入式设备端打印的反馈数据保存到一个指定的待读取的文件当中。通过读取待读取的文件将数据保存到内存当中，最后通过libcurl的POST方法将内容上传到Web服务器。

参考图9可以看到进程间通信关系图。Dev进程和Sip进程通过多线程的方式实现数据收发的异步处理方式，Dev进程创建等待线程用于处理Sip进程发来的消息，同理Sip进程也是如此。但是由于设备登陆消息是由Dev进程发出，因此只有当Dev发送设备登陆信息给Sip进程后Sip进程才可以和Sip服务器建立连接，回调函数on_message和on_response才会收到Sip服务器的消息才会转发消息给Dev进程，Dev进程的等待线程才会解除阻塞状态处理Sip转发的消息，从而开始整个嵌入式设备和Sip服务器，Web服务器之间的通信流程。

参考图10并且以一个具体的嵌入式实验(gpio实验)为例子介绍嵌入式设备远程实验的完整流程。

首先用户在本地虚拟机通过交叉编译生成应用层的可执行文件gpio，还需要生成相关的驱动代码gpio.ko。用户通过浏览器将生成的代码上传到Web服务器上。嵌入式设备端开始执行Sip进程和Dev进程完成设备登陆到Sip服务器的操作。此时用户通过浏览器也登陆到Sip服务器后就可以看到设备在线，然后选择想要绑定的嵌入式设备进行绑定。

绑定成功后，用户通过浏览器发送下载(gpio和gpio.ko文件)命令给Web服务器，下载命令包括文件名，Web服务器通过协议转换将消息转为满足Sip协议要求的发送到Sip服务器，Sip服务器收到消息后转发到用户绑定的嵌入式设备，设备的Sip进程收到消息后将Sip消息的消息体转发到Dev进程，Dev进程解析后发现是下载命令，获取待下载文件名为gpio和gpio.ko,通过http协议访问Web服务器的下载接口,将文件名作为参数传给Web服务器，同时在本地创建gpio和gpio.ko同名空文件，Web服务将下载的文件数据返回给嵌入式设备，嵌入式设备将Web服务器传来的数据写入本地的同名文件完成下载文件的操作。下载文件完成后通过输出重定向的方式获取串口产生的打印信息最后通过libcurl库的POST方法将信息发送至Web服务器。

接着用户在浏览器通过刷新获取了嵌入式设备下载文件完成的信息后，输入操作命令“insmod gpio.ko”进行驱动模块的动态加载，这个命令和上述过程一样最终被嵌入式设备运行的Dev进程解析出来，解析的得知这是一个操作命令，接着通过调用system/popen函数执行这个操作命令，通过输出重定向的方式获取执行该命令后的设备打印消息，然后通过libcurl库函数的POST方法发送至Web服务器。如果再次执行这个命令，嵌入式设备将会产生错误信息，这个错误信息也会以同样的方式上传到Web服务器。

驱动模块加载成功后，用户发送“./gpio”命令，嵌入式设备收到消息后解析的发现是操作命令后通过system或者popen函数执行“./gpio”命令，这个引用程序对gpio端口状态进行设置，并且获取gpio端口设置后的状态将该状态输出到串口，通过输出重定向的方式获取的打印信息后，通过读取重定向文件得到执行应用程序后的嵌入式设备的打印信息，这这些信息通过libcurl库函数的POST方法发送至Web服务器。

用户通过浏览器获取嵌入式设备打印信息后可以知道实验是否成功。

通过上面的流程可以知道，通过本发明的方法可以实现嵌入式远程实验。

Claims (1)

1.一种嵌入式设备远程实验方法，包括以下步骤：

1)首先搭建Sip服务器和Web服务器，具体包括：

Sip服务器用于建立信令通信，使用户可以发现远端嵌入式设备并绑定该设备以及转发用户消息到嵌入式设备；Web服务器用于转发接收用户来自浏览器发送的消息，将消息体转为满足Sip协议要求的Sip消息到Sip服务器，还需要有保存用户上传文件以及给嵌入式设备下载文件的功能，还需要保存来自嵌入式设备的反馈信息；

2)运行嵌入式设备代码进而和Sip服务器建立连接等待被用户绑定，具体包括：

设备在本地两个进程代码，分别为Sip进程和Dev进程，Sip进程用于Sip消息的发送和接收，Dev进程用于Sip消息的解析和处理，两个进程之间采用了满足UDP协议的UPD通信实现了进程间通信，进程间通信实现的功能是将Sip进程收到的来自Sip服务器发来的用户消息的消息体转发给Dev进程，Dev进程负责发起设备登录消息和解析消息体，解析得到具体的命令后执行对应命令；通过运行这两个进程完成设备登录到Sip服务器并发送心跳保活消息至Sip服务器，使得设备保持在线状态；从而使得嵌入式设备可以被远端的用户发现并进行绑定；

3)用户登录与Sip服务器建立通信并绑定设备，具体包括：用户通过浏览器进行登录操作，通过Web服务器的协议转换功能使得浏览器用户可以和Sip服务器建立连接，进行信令通信；由于嵌入式设备已经登录，因此用户登录后可以看见已经在线的嵌入式设备并选择一台在线的嵌入式设备进行绑定；

4)嵌入式设备等待用户发送命令，并解析命令，具体包括：用户通过浏览器发送命令，通过Sip服务器转发到绑定的嵌入式设备，设备通过Sip进程接收这个消息，转发消息的消息体到Dev进程进行解析处理，Dev进程通过判断消息体内容得知执行的命令种类，命令种类包括下载命令和操作命令，操作命令是Linux常用命令，下载命令是和前端以及Sip服务器协商好的自定义的字符串；

5)执行下载命令进行文件下载，具体包括：如果解析后发现是下载命令，那么获取下载命令中待下载文件的名字的字符串；在嵌入式设备本地创建同名文件，接着通过http协议和Web服务器进行通信，具体操作就是Dev进程使用libcurl库提供的GET方法访问Web服务器提供的文件下载接口，将Web服务器反馈的数据保存到嵌入式设备本地的同名文件当中实现文件下载的功能；

6)执行操作命令并获取嵌入式设备执行命令后的响应数据，具体包括：如果是操作命令，那么Dev进程会通过调用system或popen函数执行解析出的具体操作命令，通过输出重定向的方式将嵌入式设备执行操作的反馈数据保存到指定的文件当中，通过读取这个文件的内容获取到嵌入式设备执行操作的响应数据；

7)将响应数据反馈到Web服务器进行保存，具体包括：获取嵌入式设备执行操作的反馈数据后，再次通过http协议和Web服务器进行通信，通过Dev进程使用libcurl库提供的POST方法访问Web提供的数据上传接口，将数据上传到Web服务器，被Web服务器保存到数据库当中；

8)用户通过浏览器请求获取Web服务器的数据库内容将其显示在浏览器。