基于嵌入式數(shù)據(jù)庫的礦場安全系統(tǒng)設計方案詳解

引言

嵌入式數(shù)據(jù)庫不僅在功能概念及系統(tǒng)特點上與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫有著很大的差別，而且在它的應用方式上也是不同的。嵌入式數(shù)據(jù)庫并不是直接銷售給用戶，而是提供給設備的生產商或應用的開發(fā)商，以便直接生成在嵌入式系統(tǒng)和應用之中，嵌入式數(shù)據(jù)庫在許多領域擁有廣泛的應用前景，如手持式計算和移動計算，智能設備，在本文中便提供了較好的應用。

1 系統(tǒng)需求分析

前端數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、發(fā)送等嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)工作。為了滿足前端嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)對井下實時數(shù)據(jù)的存儲、查詢、顯示等大量處理要求，必須安裝數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)顯然因其資源占用大、數(shù)據(jù)管理效率低等特點不能適用與嵌入式礦場監(jiān)控系統(tǒng)，因此，探索一種適用于礦場惡劣環(huán)境下的嵌入式監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)成為本文進展的關鍵。

嵌入式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是隨著嵌入式應用的發(fā)展而興起的一類嵌入式應用軟件，已經成為數(shù)據(jù)庫技術研究的一個重要分支，在移動計算平臺（如HPC，PDA）、家庭信息環(huán)境（如機頂盒和數(shù)字電視）、通訊計算平臺、汽車電子平臺、電子商務平臺（如智能卡應用）等領域得到廣泛的應用。

為解決這些問題，提出了嵌入式系統(tǒng)在煤礦井上監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，嵌入式系統(tǒng)技術的小體積、高可靠性、低功耗和低成本等特點滿足井上監(jiān)控系統(tǒng)設備的嚴格要求及現(xiàn)場惡劣生產環(huán)境的適應性，并且監(jiān)控終端移植嵌入式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，滿足傳統(tǒng)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能需求：

1.數(shù)據(jù)通信功能需求。

2.實時查詢及顯示需求。

3.用戶登錄管理需求。

2 系統(tǒng)總體設計

嵌入式礦場安全系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)處理。監(jiān)控終端實時采集礦場各類傳感器的模擬信號（如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、風速、溫度、濕度、粉塵、壓力等）和現(xiàn)場設備控制設備的開關量信號（如風機啟、停狀態(tài)等），實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、實時/歷史曲線顯示、查詢和報表打印、聲光報警、手動/自動控制，以及網絡通信等功能。而所有這些功能的實現(xiàn)都是以數(shù)據(jù)管理為基礎的，嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以有效地組織和管理煤礦場下各類數(shù)據(jù)，從而達到礦場監(jiān)控系統(tǒng)實時查詢、控制等功能的設計要求。圖1 是一個典型的采用了嵌入式數(shù)據(jù)庫的礦場安全系統(tǒng)的結構圖：

系統(tǒng)采用 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)和Berkeley DB 嵌入式數(shù)據(jù)庫作為礦場井上監(jiān)控系統(tǒng)終端應用程序的開發(fā)平臺;以現(xiàn)有的礦場安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)為數(shù)據(jù)源，以文件共享的方式實時采集現(xiàn)場安全生產數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。

3.系統(tǒng)主要功能模塊實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)煤礦數(shù)據(jù)源傳感器實時數(shù)據(jù)的讀取，并設計成一定格式的數(shù)據(jù)結構，以便數(shù)據(jù)庫和應用程序操作。本系統(tǒng)以現(xiàn)有的礦場安全系統(tǒng)（MSUS ）為數(shù)據(jù)源，安全系統(tǒng)按照協(xié)議規(guī)定的文件格式組織傳感器數(shù)據(jù)，存儲在指定本地磁盤路徑中。

1.設備安裝信息文件（dev.xml ）

傳感器設備文件分為數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)體，數(shù)據(jù)頭格式規(guī)定如下：

《礦場編號》《礦井名稱》《日期》《傳感器個數(shù)》《其他》《保留》

2.實時數(shù)據(jù)文件（rtdata. xml ）

實時數(shù)據(jù)文件分為數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)體，數(shù)據(jù)頭格式規(guī)定如下：

《礦場編號》《數(shù)據(jù)上傳時間》《傳感器數(shù)目》

數(shù)據(jù)體格式規(guī)定如下：

《傳感器編號》《數(shù)據(jù)值》《數(shù)據(jù)狀態(tài)》

其中，數(shù)據(jù)狀態(tài)按位來表示數(shù)據(jù)的狀態(tài)（用二進制定義，使用時轉換為整數(shù)），其文本對應關系如下：

（二）數(shù)據(jù)采集程序設計

數(shù)據(jù)采集模塊程序使用了 ReadFile.h 和ReadFile.cpp 文件，因此本文設計了CReadFile 類，該類封裝了對dev.xml 和rtdata.xml 交換文件所有的數(shù)據(jù)采集操作。根據(jù) dev.xml 和rtdata.xml 交換文件的構成，以及數(shù)據(jù)庫存儲操作上的考慮，程序為每個傳感器設計了DEVDATA 和REALDATA 結構體，分別用來保存dev.xml 和rtdata.xml 文件的數(shù)據(jù)信息。DEVDATA 結構體如下所示：

typedef struct devdata

{ TCHAR m_str_devSubstation［MAXLENGTH］;//分站

TCHAR m_str_devID［MAXID］;//傳感器編號

TCHAR m_str_devPlace［MAXLENGTH］;//安裝地點

TCHAR m str_devName［MAX］;//檢測類別

TCHAR m str_devType［MAX］;//傳感器類型

TCHAR m str_devUnit［MAX］;//單位

float m_data_up;//量程上限

float mes_data_down;//量程下限

float m_alarrn_up;//報警上限

float m_alarm_down;//報警下限

float m_power_off;//斷電值

float m_power_on;//復電值

}DEVDATA;

REALDATA 結構體如下所示：

typedef struct realdata

{TCHAR m_str_devID［MAXID］;//傳感器編號

float m_data;//傳感器數(shù)值

TCHAR m_str_dataStatus［MAXSTATUS］;//數(shù)據(jù)狀態(tài)

}REALDATA;

CReadFile 類使用了CPtrList 鏈表數(shù)據(jù)結構，用以管理交換文件的所有傳感器信息，數(shù)據(jù)節(jié)點為DEVDATA 和REALDATA 結構體。

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

將傳感器設備上傳時間作為 key，封裝在DEVDATA 結構體中的設備安裝信息和封裝在REALDATA 結構體中的實時數(shù)據(jù)信息分別構成數(shù)據(jù)庫的data，從而構成兩組Key 到Data對。因此，該方案將形成兩張表，分別存儲在兩個數(shù)據(jù)庫文件中。將傳感器設備安裝信息和實時數(shù)據(jù)信息形成兩個數(shù)據(jù)庫文件分別存儲，只在設備安裝信息改變的時候才會進行設備文件的存儲操作，這樣大大減少了數(shù)據(jù)庫文件的磁盤占用空間。

Berkeley DB 用Key/Data（關鍵詞/數(shù)據(jù)）來區(qū)分數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，Key/Data 對是BerkeleyDB 用來進行數(shù)據(jù)庫管理的基礎，由這兩者構成的Key/Data 對組成了數(shù)據(jù)庫中的一個基本結構單元，而整個數(shù)據(jù)庫實際上就是由許多這樣的結構單元所構成的。也就是說，調用數(shù)據(jù)庫接口實際上就是提供了相應的關鍵詞，通過該關鍵詞來查找要操作的數(shù)據(jù)。

如果把一組相關的 Key/Data 對也看作一個表的話，那么每一個數(shù)據(jù)庫只允許存放一個table，因此，一般一種類型的Key/Data 對構成一個數(shù)據(jù)庫文件。數(shù)據(jù)庫存儲代碼設計主要分為設備安裝信息（key/data 對為設備上傳時間/DEVDATA 結構體）存儲代碼設計和實時數(shù)據(jù)信息（key/data 對為設備一上傳時間/REALDATA 結構體）存儲代碼設計。Berkeley DB 是以文件為單位進行數(shù)據(jù)庫管理的，由于設備安裝信息只在數(shù)據(jù)改變的時候才進行數(shù)據(jù)庫存儲操作，并且其間隔周期較長，因此作者設計了dev.db 文件實現(xiàn)安裝信息的存儲管理;由于實時數(shù)據(jù)信息的更新周期較短，數(shù)據(jù)庫存儲操作頻繁，并且每天都會有數(shù)據(jù)的采集和更新，因此作者以每天的日期為單位設計了實時數(shù)據(jù)庫文件，系統(tǒng)將會獲取當天的日期，并以之為文件名形成數(shù)據(jù)庫文件進行數(shù)據(jù)庫操作，例如當天的日期為2007 年2 月8 日，那么數(shù)據(jù)庫文件名為 2007-02-08.db 。

設備安裝信息和實時數(shù)據(jù)信息的存儲代碼具有一定的相似性，作者以實時數(shù)據(jù)信息的存儲代碼為例說明其設計過程，程序流程如下所示：

圖 2 設備安裝信息數(shù)據(jù)庫存儲程序流程

3.3 數(shù)據(jù)查詢模塊

實時/歷史數(shù)據(jù)查詢模塊設計主要就是GetDevKey、DataQueryByRealTime 和DataQuery函數(shù)設計。

1. DataQueryByRealTime 函數(shù)設計

若用戶輸入的查詢時間段內設備安裝信息沒有改變，GetDevKey 函數(shù)會直接返回FALSE，程序接著會調用DataQueryByRealTime 函數(shù)查詢實時數(shù)據(jù)庫文件，設備安裝信息直接從m-devList 結構體鏈表中獲得，函數(shù)設計包括如下：

①根據(jù)用戶輸入的查詢日期，形成實時數(shù)據(jù)庫文件如2007-02-09.db，打開實時數(shù)據(jù)庫。

②構建游標cursor，使用get 方法，以查詢時間為key，flag 標簽為DB_ SET_ RANGE 游標定位到數(shù)據(jù)庫文件多重記錄的首一記錄。

③遍歷數(shù)據(jù)庫文件擁有相同 kev 的多重記錄，將data 中傳感器ID 號與用戶輸入ID 號相等的REALDATA 結構體與相應的m devList 鏈表節(jié)點DEVDATA 結構體在列表框控件（CC1istCtrl）中顯示出來。

2. DataQuery 函數(shù)設計

若設備查詢時間對應的安裝信息相對于當前時間段己經改變，GetDevKey 函數(shù)會返回正確的設備安裝信息查詢時間devKey，這個查詢時間可能跟用戶輸入的傳感器查詢時間不同;程序接著會調用DataQuery 函數(shù)，并將這個正確的設備查詢時間devKey、用戶輸入的傳感器實時數(shù)據(jù)查詢時間realKey、傳感器ID 號strDevID 以及實時數(shù)據(jù)庫文件名strRealDbName以形參方式傳給DataQuery 函數(shù)，其函數(shù)設計包括如下：

①打開設備數(shù)據(jù)庫 dev.db 文件，根據(jù)形參strRealDbName 打開實時數(shù)據(jù)庫文件。

②構建游標 cursor，使用get 方法，分別以devKey 和realKey 為數(shù)據(jù)庫的key， flag標簽為DB_ SET_ RANGE，游標定位到設備數(shù)據(jù)庫文件和實時數(shù)據(jù)庫文件的首記錄。

③遍歷數(shù)據(jù)庫文件擁有相同key 的多重記錄，若設備數(shù)據(jù)庫文件記錄的data 中（DEVDATA 結構體）傳感器ID 號與實時數(shù)據(jù)庫文件記錄的data 中（REALDATA 結構體）傳感器ID 號相等，則將這兩個data 信息在列表框控件（CC1istCtrl）中顯示出來。

4．總結

本文的創(chuàng)新點：分析嵌入式煤礦井上監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，開發(fā)設計了基于Berkeley DB數(shù)據(jù)庫和Windows CE 的礦場安全系統(tǒng)，實現(xiàn)了窗口登錄、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)界面、數(shù)據(jù)庫存儲、實時/歷史數(shù)據(jù)查詢、實時曲線顯示等功能模塊，深入討論研究了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)庫KEY/DATA 對存儲方案及實時/歷史傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫查詢策略。在實際生產中工作穩(wěn)定，查詢速度快，達到了預期的設計目標。