CN101883094B - 嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统 - Google Patents
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Abstract
一种嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统，所述数据库服务系统采用嵌入式通用即插即用中间件技术实现批量网络数据传输与工业监控网络控制信息交互，所述数据库服务系统包括：监控目标嵌入式主题数据库模块、批量数据采集网络中间件模块和监控数据查询服务模块。本发明提供一种自适应能力强、减少配置任务、提高利用率的嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统。
Description
技术领域
本发明涉及工业监控网络领域，尤其是一种涉及面向嵌入式自适应工业监控网络的数据库服务系统。
背景技术
随着科技的进步，工业监测技术的应用越来越广泛。20世纪后期，嵌入式技术得到蓬勃发展，产生了功能完善且体积也越来越小的嵌入式工业监测仪，它是新时期工业监测技术发展的标志之一。嵌入式监测仪器不仅克服了传统单片机监测系统计算能力不足的局限，且便于携带，使用灵活，性价比较高。随着工业生产规模不断扩大，众多设备要求协同工作、管理，使得监测仪器的联网成为必然。而传统的嵌入式监测仪器只能孤立的对某台设备的当前状态进行数据采集和分析，如果要对企业众多的设备进行归类对比，就不能满足要求了，且不易于对设备进行全天候的实时监测，而这却正是工业现场关键设备如电厂的汽轮机所需要的。同时，由于嵌入式仪器的存储空间有限，不可能存储大量的历史数据进行在线回放与比对。因此，在组建监测仪器网络的同时必须提供实时的数据库服务，已经成为工业监测网络技术发展的必然。
嵌入式技术的不断发展使工业监测系统具备数据库服务成为可能。而传统的数据库一般在一一对应的模式下运行，每一个数据采集点都带有数据库服务，单个数据库服务的利用效率较低。通过网络技术可以使数据库独立的成为工业监测网络中的一个结点它可以同时服务于多个数据采集点和控制点，存储多个设备的运行数据，并支持设备间的数据比较。而基于Server/Client模式的工业监测网络数据库系统由于网络构架、实IP地址等因素的限制，自适应能力较差，不能提供足够的动态服务，使系统存在较大的数据冗余；同时数据库的更新以及其他网络结点的加入与移出都会给系统带来繁重的配置任务。因此，开发一种具备一定自适应能力的智能化嵌入式数据库系统就非常有必要。
发明内容
为了克服已有面向嵌入式工业监控网络的数据库服务系统的自适应能力差、配置任务繁重、利用率低的不足，本发明提供一种自适应能力强、减少配置任务、提高利用率的嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统，所述数据库服务系统采用嵌入式通用即插即用中间件技术实现批量网络数据传输与工业监控网络控制信息交互，所述数据库服务系统包括：
监控目标嵌入式主题数据库模块，用于根据监控目标需求建立相应的主题数据表，存放目标配置参数、运行状态数据与历史日志文件；各主题数据表与其索引为一一映射关系，以期满足嵌入式环境的运行要求；
批量数据采集网络中间件模块，用于作为内嵌式的UPnP控制端，对网络上UPnP目标设备结点服务信息的侦听和记录，以及定时地逐一地访问网络中正在工作的UPnP目标设备结点，获取被监控设备的运行数据并保存到数据库中；
监控数据查询服务模块，用于作为内嵌的UPnP设备，向用户监控端提供数据库信息，并根据用户提出的查询条件进行预查询，然后向用户监控端反馈相关的数据信息。
进一步，所述批量数据采集网络中间件模块中，批量数据采集利用UPnP穿越防火墙/地址转换特性，结合多媒体网络构架而专门定制的音频/视频数据传输协议来实现；目标设备结点采用信息链表结构进行描述，所述链表的每个结点都是一个目标设备结点信息结构体，用于存放该设备结点的UPnP特征信息，通过UPnP特征信息在网络中定位某个目标设备并调用目标设备所提供的服务。
再进一步，所述批量数据采集网络中间件模块中，所述的目标设备结点服务信息侦听记录由侦听、定时调度相结合算法实现，其实现流程为：①批量数据采集网络中间件模块进程在完成初始化之后，进入阻塞状态，等待UPnP设备结点的登陆、离开以及定时器触发的定时中断信号；②当某个新的UPnP设备结点登陆到网络中，批量数据采集网络中间件模块能监听到该设备发出的“登陆”消息，发现该设备，退出阻塞状态，获取该设备的UPnP特征信息及服务信息，记录到目标设备信息结构体中，并把该结构体插入到设备结点链表中；③当某个原来在线的UPnP设备结点退出网络，批量数据采集网络中间件模块能监听到该设备发出的“退出”消息，从而退出阻塞状态，在设备链表中找到相应的结点，删除该结点；④当定时器触发的定时中断信号到达，批量数据采集网络中间件模块退出阻塞状态，访问数据采集设备链表，根据一个全局指针找到此次要访问的目标设备，读出它的信息，依此信息去定位并访问它的数据发布服务，得到数据包，连接数据库，把数据包存入相应的数据表中，然后更新全局指针，使其指向下一个准备访问的结点。
更进一步，在所述监控数据查询服务模块中，监控数据查询服务采用查询信息结构体实现，该结构体用于存储预查询的条件及结果，不同的用户监控端对应不同的查询信息结构体，结构体结点形成一个预查询信息链表，其操作流程如下：①当用户监控端提出预查询请求，在链表中查找该控制端对应的结构体结点，如果不存在这样的结点，则创建一个并插入到链表中；②解析预查询条件并将其存储在查询信息结构体中；③当预查询完成，把预查询结果写入到该结点的相应位置，同时把数据库的基本访问信息写入到查询信息结构体中。
本发明的技术构思为：通用即插即用(Universal Plug and Play，UPnP)是微软推出的新一代网络中间件技术，由设备端(Device-end)、控制端(Control-end)、数据库服务(Data Base Service,DBS)三个基本单元组成。UPnP技术对即插即用进行了扩展，具备该技术的结点进入到网络中之后，它们可以通过UPnP桥自动彼此连接在一起，而且连接过程无需用户的参与和使用中央服务器。UPnP规范基于TCP/IP协议和针对设备彼此间通讯而制订的其它Internet协议，这就是它之所以被称作“通用”的原因所在。它的这一特点可以有效的解决工业网络专用性的协议壁垒以及因设备种类繁多而引起的参数配置表(Parameter Configuration Table,PCT)识别问题，实现不同设备以及网络之间的光滑、无缝链接。
因此，本发明将UPnP技术引入到工业监测网络数据库服务中，能够实现监测目标的自动识别、自主联网，利用其中间件服务调用机制和时间订阅机制，实现监测目标的网络控制和状态监测，能够有效的解决传统网络数据库服务中存在的自适应能力差、配置任务繁重、利用率低等问题。
本发明的有益效果主要表现在：1)支持网络架构的动态变化。由于UPnP网络中间件的支持，设备的加入和退出造成的数据库配置变化都是在数据库端自动完成，简化了因网络拓扑结构的变化而带来的注册、配置等工作，节约了数据库运行成本。
2)数据库采用轮询设备的方法，向网络中注册的多个数据采集设备索要数据，实现了自动的一对多服务，少量数据库服务结点就可以服务于整个监控网络的要求。
3)实现了数据库服务的零配置提供。用户无需事先知道数据库的方位和访问限制，就可以方便地访问并获得数据；
4)可以同时接受多个用户控制端的查询请求，实现了多用户并行查询。
附图说明
图1是数据库服务结点的内部结构及其与外部数据交互；
图2是UPnP设备信息循环链表示意图；
图3是查询信息链表示意图；
图4是数据库预查询及数据回放流程；
图5是离心泵轴承时域信号图形。
具体实施方式
结合附图，下面对本发明进行详细说明。
参照图1～图5，一种嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统，采用嵌入式通用即插即用中间件(Embedded UPnP Middleware)技术实批量网络数据传输与工业监控网络控制信息交互，主要由监控目标嵌入式主题数据库模块、批量数据采集网络中间件模块、监控数据查询服务模块组成。
所述的监控目标嵌入式主题数据库模块，作为独立功能模块安装于专用嵌入式数据库服务器中；根据监控目标需求建立相应的主题数据表，存放目标配置参数、运行状态数据与历史日志文件；各主题数据表与其索引为一一映射关系，以期满足嵌入式环境的运行要求。
所述的批量数据采集网络中间件模块，作为独立功能模块相当于一个内嵌式的UPnP控制端(Embedded UPnP Control-end)，主要完成对网络上UPnP目标设备结点服务信息的侦听和记录，以及定时地逐一地访问网络中正在工作的UPnP目标设备结点，获取被监控设备的运行数据并保存到数据库中。
所述的批量数据采集利用UPnP可穿越防火墙/地址转换(Fire Wall/Net AddressTransfer,FW/NAT)特性，结合其为多媒体网络构架而专门定制的音频/视频数据传输协议(UPnP Audio Video,UPnP-AV)协议来实现。
所述的目标设备结点采用信息链表结构进行描述，该链表的每个结点都是一个目标设备结点信息结构体，用于存放该设备结点的UPnP特征信息，通过这些特征信息，批量数据采集网络中间件模块便能在网络中定位某个目标设备并调用它所提供的服务；
所述的目标结点设备服务信息侦听记录由侦听、定时调度相结合算法实现，其实现流程为：①批量数据采集网络中间件模块进程在完成初始化之后，进入阻塞状态，等待UPnP设备结点的登陆、离开以及定时器触发的定时中断信号；②当某个新的UPnP设备结点登陆到网络中，批量数据采集网络中间件模块能监听到该设备发出的“登陆”消息，发现该设备，退出阻塞状态，获取该设备的UPnP特征信息及服务信息，记录到目标设备信息结构体中，并把该结构体插入到设备结点链表中；③当某个原来在线的UPnP设备结点退出网络，批量数据采集网络中间件模块能监听到该设备发出的“退出”消息，从而退出阻塞状态，在设备链表中找到相应的结点，删除该结点；④当定时器触发的定时中断信号到达，批量数据采集网络中间件模块退出阻塞状态，访问数据采集设备链表，根据一个全局指针找到此次要访问的目标设备，读出它的信息，依此信息去定位并访问它的数据发布服务，得到数据包，连接数据库，把数据包存入相应得数据表中，然后更新全局指针，使其指向下一个准备访问的结点。
所述的监控数据查询服务模块，作为独立功能模块相当于一个内嵌的UPnP设备(Embedded UPnP Device)，主要向用户监控设备提供数据库信息，并根据用户提出的查询条件进行预查询，然后向用户监控端反馈相关的数据信息。
所述的监控数据查询服务采用查询信息结构体实现，该结构体用于存储预查询的条件及结果。不同的用户监控端对应不同的查询信息结构体，这些结构体结点形成一个预查询信息链表，其操作流程如下：①当用户监控端提出预查询请求，本模块在链表中查找该控制端对应的结构体结点，如果不存在这样的结点，则创建一个并插入到链表中；②本模块解析预查询条件并将其存储在查询信息结构体中；③当预查询完成，本模块把预查询结果写入到该结点的相应位置，同时把数据库的基本访问信息写入到查询信息结构体中。
功能模块划分与数据依赖关系：嵌入式UPnP工业监控网络数据库服务是智能化工业监测系统的一个独立结点，在整个系统中处于数据中心位置，承担着数据存储、查询、管理、回放、识别等任务，可以作为工业主题数据库来应用。数据库服务系统由独立的两个构件组成，查询服务模块(Query Service Module,QSM)和数据收集模块(Data Collection Module,DCM)。前者主要为控制端提供数据库预查询服务；后者主要实现所有在线数据采集端的运行状态数据的定时收集，并存入数据库。
UPnP数据库服务的工作原理如附图1所示，用户监控端通过数据预查询服务调用与数据中心的查询服务模块进行交互，得到需要的数据库预查询信息，然后直接访问数据库；数据中心的数据收集模块轮询每一个在线数据采集端，调用实时监控数据服务得到实时数据包和设备当前系统配置，然后存入数据库中。
在数据库中建立两张关键的表格，一张存储数据采集设备端上传的数据包(Package_table)，另一张存储PCT(PCT_table)。Package_table包含Device_type、Device_id、Device_time、PCT_no、Data等五个域(tuple)，分别表示设备类型、设备ID号、采样时间、PCT序号和数据包；PCT_table包含PCT_no和PCT两个域，分别表示PCT序号和PCT表。其中PCT_no为Package_table的外码(Foreign key)，建立数据查询时PCT与Package_table的联系，整个数据库设计满足第三范式(3NF)要求。
功能模块设计实现：①数据库模块数据库模块使用开源项目MySQL，安装在嵌入式监控网络中的PC机上或专用嵌入式数据服务器中。根据需求建立相应的数据表格，用于存放监测系统所涉及的各种数据，包括被监控设备的运新状态数据、数据采集卡的配置数据等。各个数据表之间通过相应的表格索引建立一定的映射关系，这样使得用户在查询的时候只要提供最基本的几个查询条件，例如时间和设备号，就能够从各个数据表中找到相应的数据项，从而完整地恢复那个时刻的设备运行状态。
②批量数据采集网络中间件模块该模块是一个具有UPnP服务的模块，相当于一个内嵌式的UPnP控制端(Embedded UPnP Control-end)，主要完成对网络上的UPnP目标设备结点设备服务信息的侦听和记录，以及定时地逐一地访问网络中正在工作的UPnP目标设备结点，获取被监控设备的运行数据并保存到数据库中。本发明利用UPnP可穿越防火墙/地址转换(Fire Wall/Net Address Transfer,FW/NAT)特性，结合其为多媒体网络构架而专门定制的音频/视频数据传输协议(UPnP Audio Video,UPnP-AV)协议来实现；采用目标设备结点采用信息链表(见附图2)来记录监测网络中存在的UPnP目标设备结点。该链表的每个结点都是一个目标设备结点信息结构体，用于存放该设备结点的UPnP特征信息，通过这些特征信息，批量数据采集网络中间件模块便能在网络中定位某个目标设备并调用它所提供的服务。目标结点设备服务信息侦听记录由侦听、定时调度相结合算法实现，其实现流程为：a.批量数据采集网络中间件模块进程在完成初始化之后，进入阻塞(suspended waiting)状态，等待UPnP设备结点的登陆、离开以及定时器触发的定时中断信号；b.当某个新的UPnP设备结点登陆到网络中，批量数据采集网络中间件模块能监听到该设备发出的“登陆”消息，发现该设备，退出阻塞状态，获取该设备的UPnP特征信息及服务信息，记录到目标设备信息结构体中，并把该结构体插入到设备结点链表中；c.当某个原来在线的UPnP设备结点退出网络，批量数据采集网络中间件模块能监听到该设备发出的“退出”消息，从而退出阻塞状态，在设备链表中找到相应的结点，删除该结点；d.当定时器触发的定时中断信号到达，批量数据采集网络中间件模块退出阻塞状态，访问数据采集设备链表，根据一个全局指针找到此次要访问的目标设备，读出它的信息，依此信息去定位并访问它的数据发布服务，得到数据包，连接数据库，把数据包存入相应得数据表中，然后更新全局指针，使其指向下一个准备访问的结点。
③监控数据查询服务模块该模块是另一个具有UPnP服务的模块，相当于一个内嵌的UPnP设备(Embedded UPnP Device)，主要向用户监控设备提供数据库信息，并根据用户提出的查询条件(如时间和设备号)进行查询，然后向用户监控端反馈相关的数据信息(如“满足该条件的数据包个数”等)。本发明在数据查询服务模块中定义了查询信息结构体，用于存储查询的条件及结果。不同的用户监控端对应不同的查询信息结构体，这些结构体结点形成一个查询信息链表，如附图3所示。当用户监控端提出查询请求，本模块在链表中查找该控制端对应的结构体结点，如果不存在这样的结点，则创建一个并插入到链表中。然后本模块解析查询条件并将其存储在查询信息结构体中。当查询完成，本模块把查询结果写入到该结点的相应位置，同时把数据库的基本访问信息(如数据库IP、登陆名、密码等)写入到查询信息结构体中。当用户监控端索取查询结果，本模块首先在链表中找到相应结点，查看查询完成情况，如果显示为未完成，则向用户控制端返回“查询未完成”消息。如果显示为“已完成”，则把包含此次查询完整信息的查询信息结构体反馈给用户监控端。通过维护查询信息链表，本模块可以并行地为多个用户控制端提供数据查询服务。
将上述方案应用于依托面向大型旋转设备的状态监测与故障诊断系统，该系统由MSP430数据采集卡、HP-Pocket PC用户监控端、工控机数据库服务结点、工业局域网组成，运用于冶金、水利、石油等行业的关键设备的现场监测与诊断。数据库系统作为监测网络中的一类结点，向整个网络提供网络数据库服务。
应用实例的核心为用户监控端和数据库查询服务模块之间的配合流程设计。根据工业监测技术的基本要求，通过管道通信技术，实现了监控端与查询服务模块的交互服务，具体流程(见附图4)描述如下：在用户监控端图形界面中选择某个数据库服务结点，输入预查询条件(设备号、数据包起止时间)；用户监控端调用数据库查询服务模块的服务，将预查询条件提交；数据库查询服务模块得到预查询条件，解析并保存到查询信息链表中；数据库查询服务模块根据预查询条件，调用数据库预查询函数去查询数据库，并将查询结果写入查询信息链表中；用户监控端向数据库查询服务模块提出获取预查询结果的请求，数据库查询服务模块向其返回预查询信息结构体，其中包含了数据库连接信息和预查询结果；用户监控端解析预查询结果，并在图形界面中提示下一步可进行的操作；如果可以进行“历史数据回放”，则利用从查询信息结构体中得到的数据库连接信息，建立与数据库的连接；访问PCT_table，得到PCT，并载入到用户监控端系统中；开始循环地向数据库中Package_table索取数据包，解析得到的数据包并在图形界面显示，进行“历史数据回放”；若用户停止历史数据查询，则退出循环，结束。
为根据上述研究成果以及相关技术支持，搭建了基于UPnP的工业监测网络数据库管理平台，并在胜利油田等大型企业做了大量的工业现场实验，运行稳定，查询迅速。利用Qt/Embedded工具库开发了友好的GUI，具备中文环境，占用空间小，反映迅速、切换流畅。由于UPnP不受实IP地址的限制，可以比较容易的通过外部的Internet访问车间内部网络，实现大数据量(如音频数据)的传输与处理。远程监控端配有相应的数据管理分析系统，实现实时数据显示(见附图5)等功能。通过数据库服务的支持，可以根据需求选择任何时段的数据进行历史回放、数据比较、报表打印等操作。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统，其特征在于：所述数据库服务系统采用嵌入式通用即插即用中间件技术实现批量网络数据传输与工业监控网络控制信息交互，所述数据库服务系统包括：
监控目标嵌入式主题数据库模块，用于根据监控目标需求建立相应的主题数据表，存放目标配置参数、运行状态数据与历史日志文件；各主题数据表与其索引为一一映射关系，以期满足嵌入式环境的运行要求；
批量数据采集网络中间件模块，用于作为内嵌式的UPnP控制端，对网络上UPnP目标设备结点服务信息的侦听和记录，以及定时地逐一地访问网络中正在工作的UPnP目标设备结点，获取被监控设备的运行数据并保存到数据库中；
监控数据查询服务模块，用于作为内嵌的UPnP设备，向用户监控端提供数据库信息，并根据用户提出的查询条件进行预查询，然后向用户监控端反馈相关的数据信息。
2.如权利要求1所述的嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统，其特征在于：所述批量数据采集网络中间件模块中，批量数据采集利用UPnP穿越防火墙/地址转换特性，结合多媒体网络构架而专门定制的音频/视频数据传输协议来实现；目标设备结点采用信息链表结构进行描述，所述链表的每个结点都是一个目标设备结点信息结构体，用于存放该设备结点的UPnP特征信息，通过UPnP特征信息在网络中定位某个目标设备并调用目标设备所提供的服务。
3.如权利要求1或2所述的嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统，其特征在于：所述批量数据采集网络中间件模块中，所述的目标设备结点服务信息侦听记录由侦听、定时调度相结合算法实现，其实现流程为：①批量数据采集网络中间件模块进程在完成初始化之后，进入阻塞状态，等待UPnP设备结点的登陆、离开以及定时器触发的定时中断信号；②当某个新的UPnP设备结点登陆到网络中，批量数据采集网络中间件模块能监听到该设备发出的“登陆”消息，发现该设备，退出阻塞状态，获取该设备的UPnP特征信息及服务信息，记录到目标设备信息结构体中，并把该结构体插入到设备结点链表中；③当某个原来在线的UPnP设备结点退出网络，批量数据采集网络中间件模块能监听到该设备发出的“退出”消息，从而退出阻塞状态，在设备链表中找到相应的结点，删除该结点；④当定时器触发的定时中断信号到达，批量数据采集网络中间件模块退出阻塞状态，访问数据采集设备链表，根据一个全局指针找到此次要访问的目标设备，读出它的信息，依此信息去定位并访问它的数据发布服务，得到数据包，连接数据库，把数据包存入相应的数据表中，然后更新全局指针，使其指向下一个准备访问的结点。
4.如权利要求1所述的嵌入式通用即插即用工业监控网络数据库服务系统，其特征在于：在所述监控数据查询服务模块中，监控数据查询服务采用查询信息结构体实现，该结构体用于存储预查询的条件及结果，不同的用户监控端对应不同的查询信息结构体，结构体结点形成一个预查询信息链表，其操作流程如下：①当用户监控端提出预查询请求，在链表中查找该控制端对应的结构体结点，如果不存在这样的结点，则创建一个并插入到链表中；②解析预查询条件并将其存储在查询信息结构体中；③当预查询完成，把预查询结果写入到该结点的相应位置，同时把数据库的基本访问信息写入到查询信息结构体中。
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