組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的研究與設(shè)計(jì)*

盧玉奎，胡衛(wèi)喜

(1.河北石家莊以嶺藥業(yè)，河北石家莊050035;2.重慶郵電大學(xué)軟件工程學(xué)院，重慶400065)

應(yīng)急通信車控制系統(tǒng)組態(tài)軟件［1，2］是實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信車車載設(shè)備集中監(jiān)控、管理的核心。其中，應(yīng)急通信車控制系統(tǒng)組態(tài)軟件中數(shù)據(jù)處理和管理的核心是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫［3，4］。作為組態(tài)軟件的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)急通信車［5，6］控制系統(tǒng)組態(tài)軟件，對(duì)于各組態(tài)軟件商業(yè)公司來說，都是需要嚴(yán)格保密的。對(duì)應(yīng)急通信車控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的研究與設(shè)計(jì)，十分關(guān)鍵。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是應(yīng)急通信車控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理中心，是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)的無縫集成。本文提出了一種基于OPC標(biāo)準(zhǔn)和SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)思想，并將其應(yīng)用到應(yīng)急通信車控制系統(tǒng)組態(tài)軟件中。目前許多硬件設(shè)備廠商都提供了標(biāo)準(zhǔn)OPC接口，利用OPC標(biāo)準(zhǔn)接口可以解決設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)中的異構(gòu)問題;而SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫具有占用空間小、處理速度開、開源等優(yōu)點(diǎn)。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 OPC 簡介

OPC(OLE for Process Control，OLE是Object Linking and Embedding縮寫)屬于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，OPC定義了基于微軟平臺(tái)的PC客戶端應(yīng)用程序交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的一種方法［7］。為了改善過程控制工業(yè)中自動(dòng)化和控制系統(tǒng)、設(shè)備/現(xiàn)場系統(tǒng)、以及辦公/商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)之間互操作性，建立的一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM/DCOM接口協(xié)議。協(xié)議OPC定義了用于服務(wù)器間交換實(shí)時(shí)信息的標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象、方法和屬性。

1.2 SQLite 數(shù)據(jù)庫

SQLite是一款開源的、輕量級(jí)的、嵌入式、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。它在2000年由D.Richard Hipp發(fā)布，可以支持 Java、PHP、Ruby、Python、C、C#等幾乎所有的現(xiàn)代編程語言，支持 Windows、Linux、Unix、Mac OS、Android 等幾乎所有的主流操作系統(tǒng)。SQLite設(shè)計(jì)目標(biāo)是嵌入式產(chǎn)品，因此SQLite占用非常低的內(nèi)存資源，一般只需要幾百KB就夠了。相對(duì)于其他開源數(shù)據(jù)庫，Mysql和PostgreSQL，SQLite的處理速度更快［8］。

2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是應(yīng)急通信車控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理中心，為用戶提供應(yīng)急通信車車載設(shè)備運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將過期的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)歸檔。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)信息解析模塊、設(shè)備信息描述模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、緩存模塊和歷史數(shù)據(jù)庫模塊。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫各個(gè)模塊之間相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)時(shí)高效地完成車載設(shè)備監(jiān)控流程。其中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊負(fù)責(zé)采集車載設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由于車載設(shè)備由不同設(shè)備廠商提供，因此，應(yīng)急通信車控制系統(tǒng)在采集車載設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，針對(duì)不同廠商的設(shè)備，需要開發(fā)相應(yīng)的I/O驅(qū)動(dòng)程序，導(dǎo)致實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與車載設(shè)備之間的互操作性較差，同時(shí)增加了系統(tǒng)開發(fā)成本。本文中采用OPC標(biāo)準(zhǔn)，把車載設(shè)備看成是一個(gè)個(gè)OPC服務(wù)器，只需要開發(fā)OPC客戶端程序，就可以完成車載設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊從車載設(shè)備采集數(shù)據(jù)后，交由數(shù)據(jù)信息解析模塊。

(2)數(shù)據(jù)信息解析模塊。理論上，從車載設(shè)備采集來的數(shù)據(jù)信息都有其具體的含義，這里的具體含義是在監(jiān)控界面組態(tài)過程中定義的，如UPS設(shè)備的電壓、電流、功率等等。但是采集來的數(shù)據(jù)信息實(shí)際上并非如此，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊來說，它們僅僅是一系列的數(shù)字，并沒有任何意義。因此，需要將采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，解析成設(shè)備信息描述模塊中設(shè)備對(duì)象的屬性，真正意思上把數(shù)據(jù)信息的具體含義描述出來。

(3)設(shè)備信息描述模塊。該模塊是其它模塊的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中其它子模塊基本上都會(huì)使用到該模塊。例如，緩存模塊用它來構(gòu)建緩存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而數(shù)據(jù)信息解析模塊通過使用它，把從車載設(shè)備采集的數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)一個(gè)設(shè)備信息對(duì)象，數(shù)據(jù)處理模塊則根據(jù)它提供的信息，選擇不同的數(shù)據(jù)壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。

圖1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

(4)緩存模塊。在監(jiān)控過程中，由于數(shù)據(jù)采集頻率往往比監(jiān)控界面要求的頻率要高，這就導(dǎo)致了兩個(gè)過程頻率不一致問題，采用緩存機(jī)制，將會(huì)較好的解決這一問題。當(dāng)通信接口以相對(duì)較高頻率采集來自車載設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，然后將數(shù)據(jù)信息存入緩存模塊中，然后監(jiān)控界面以相對(duì)較低的頻率從緩存模塊中讀取數(shù)據(jù)并顯示。當(dāng)緩存模塊中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息超出了緩存的容量時(shí)，把過時(shí)的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。

(5)數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊是緩存模塊和歷史數(shù)據(jù)庫SQLite的橋梁，它負(fù)責(zé)壓縮來至緩存模塊的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫SQLite中。

(6)歷史數(shù)據(jù)庫模塊。存儲(chǔ)過時(shí)的車載設(shè)備數(shù)據(jù)信息。

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

(1)連接OPC服務(wù)器。連接OPC服務(wù)器，需要兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是OPC服務(wù)器名稱，另一個(gè)是OPC服務(wù)器所在計(jì)算機(jī)的名稱，然后調(diào)用服務(wù)器連接函數(shù)即可，連接函數(shù)代碼如下:

MyServer.Connect(localServerName，localServerIP);

當(dāng)需要連接不同的OPC服務(wù)器時(shí)，只需要改變OPC服務(wù)器名稱和OPC服務(wù)器所在計(jì)算機(jī)名稱即可。

(2)創(chuàng)建組(Group):在創(chuàng)建組(Group)時(shí)，不但要設(shè)置組(Group)相關(guān)的屬性(激活屬性、更新頻率等)，還需要添加數(shù)據(jù)變化(DataChange)事件，其具體代碼如下:

//添加一個(gè)名為“GROUP”的組

MyGroups=MyServer.OPCGroups;

MyGroup=MyGroups.Add("GROUP");

//設(shè)置組的屬性

SetGroupProperty();

//添加數(shù)據(jù)變化事件，在服務(wù)器端有數(shù)據(jù)變化時(shí)發(fā)生

MyGroup.DataChange+=new DIOPCGroupEvent_DataChangeEventHandler(MyGroup_DataChange);

//添加DataChange的回調(diào)事件

MyGroup.AsyncReadComplete+=new DIOPCGroupEvent_AsyncReadCompleteEventHandler(MyGroup_AsyncReadComplete);

(3)添加項(xiàng)(Item)。在添加項(xiàng)時(shí)，需要啟動(dòng)組的數(shù)據(jù)訂閱功能，否則DataChange事件將不會(huì)被觸發(fā)，其具體代碼如下:

MyItems=MyGroup.OPCItems;

MyGroup.IsSubscribed=true;

(4)數(shù)據(jù)的讀寫。數(shù)據(jù)的讀是通過組的數(shù)據(jù)變化事件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)的，在本文中，數(shù)據(jù)的讀取采用的是異步讀取方式。利用C#事件處理機(jī)制，把DataChange注冊(cè)到事件，一旦服務(wù)器端有數(shù)據(jù)變化，就觸發(fā)該事件，其具體代碼如下:

void MyGroup_DataChange(int TransactionID，int NumItems，ref Array ClientHandles，ref Array ItemValues，ref Array Qualities，ref Array TimeStamps)

(5)斷開OPC服務(wù)器。當(dāng)系統(tǒng)不需要使用OPC讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，這時(shí)需要釋放OPC客戶端連接后占用的服務(wù)器資源，其具體代碼如下:

//刪除所有組資源

MyGroup.RemoveAll();

//斷開服務(wù)器連接

MyServer.Disconnect();

3.2 設(shè)備信息解析模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)信息解析模塊主要負(fù)責(zé)把從車載設(shè)備采集來的數(shù)據(jù)信息，按設(shè)備信息模塊描述的車載設(shè)備屬性進(jìn)行解析。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了EquipmentInfoParsing類，用于對(duì)采集的車載設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析。

3.3 設(shè)備信息描述模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)備信息描述模塊中，設(shè)計(jì)了3個(gè)類:EquipmentInfo類、EquipmentPropertyInfo類、EquipmentManage類。其中類EquipmentInfo用于描述車載設(shè)備資源;類EquipmentPropertyInfo用于描述車載設(shè)備的屬性特性;類EquipmentManage用于向其它模塊提供服務(wù)，如獲取車載設(shè)備的各種信息，初始化系統(tǒng)的各種設(shè)備信息等。設(shè)備信息描述模塊的UML圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備信息描述模塊UML圖

3.4 緩存模塊設(shè)計(jì)

緩存模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)緩存模塊的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)，借鑒了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)幀的思想，把數(shù)據(jù)信息解析模塊傳送過來的數(shù)據(jù)信息封裝成一幀，存入緩存中，在緩存模塊中，建了一個(gè)雙向鏈表來管理這些幀，每一幀就相當(dāng)于雙向鏈表中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在緩存模塊中，主要包含3個(gè)類:Cache類、CacheFactory類、CacheFrame類。其中Cache類是核心，主要實(shí)現(xiàn)兩大功能，一是負(fù)責(zé)向監(jiān)控系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，二是向數(shù)據(jù)處理模塊提供過時(shí)數(shù)據(jù);CacheFactory類則用來初始化緩存模塊的基本信息和提供Cache實(shí)例;CacheFrame類是雙向鏈表的節(jié)點(diǎn)類，它每一個(gè)實(shí)例代表一幀。這3個(gè)類的類關(guān)系如圖3所示。

3.5 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

通過對(duì)應(yīng)急通信車控制系統(tǒng)組態(tài)軟件歷史數(shù)據(jù)的分析，可以將歷史數(shù)據(jù)大致分為兩大類:開關(guān)量和模擬量。其中開關(guān)量的壓縮采用行程長度壓縮算法［9］，模擬量采用一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)門壓縮算法，改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)門壓縮算法具有自動(dòng)調(diào)整壓縮偏移量E和檢測(cè)噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)并消除。

3.6 歷史數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計(jì)

由于內(nèi)存的限制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫不能永久地保存數(shù)據(jù)信心。本系統(tǒng)采用SQL技術(shù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中過時(shí)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理后，存入SQLite數(shù)據(jù)庫中。

圖3 緩存模塊UML圖

4 結(jié)論

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是應(yīng)急通信車系統(tǒng)組態(tài)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控的關(guān)鍵部分。采用數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能滿足組態(tài)軟件對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，快速訪問內(nèi)存的特性使數(shù)據(jù)可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成與底層監(jiān)控設(shè)備的通訊，及時(shí)將數(shù)據(jù)送往用戶界面。采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，也可以降低系統(tǒng)組態(tài)軟件成本。另外，經(jīng)過壓縮后再存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間要求。

［1］周文軍.基于單片機(jī)和組態(tài)軟件的多路搶答器研究［J］.廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，21(1):77-82

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［3］王克亮.監(jiān)控組態(tài)軟件的相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［J］.電子技術(shù)，2015(2):185-185

［4］劉紅霞，徐磊.組態(tài)軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014(5):40-44

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［8］茍列紅，李學(xué)春.RLE壓縮算法的分析及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，1997，57(4):22-24

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