基于嵌入式Web Server的用戶側(cè)智能終端設(shè)計(jì)

福建網(wǎng)能科技開發(fā)有限責(zé)任公司 柳玉鑾

隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大和用電客戶數(shù)量的持續(xù)增加，傳統(tǒng)使用于用戶側(cè)智能終端管理系統(tǒng)存在的監(jiān)測范圍不全面、監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確等問題也在不斷凸顯，已無法滿足供電企業(yè)管理用電客戶和檢測配電網(wǎng)運(yùn)行狀況的需求，因此設(shè)計(jì)一種運(yùn)行效率高、能耗小、成本低廉的用戶側(cè)終端管理系統(tǒng)，已成為供電企業(yè)增強(qiáng)自身服務(wù)能力的關(guān)鍵所在[1]。另一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的問世和持續(xù)使用，嵌入式微處理器和嵌入式系統(tǒng)的適用范圍和運(yùn)行性能等都得到了有效地改善，已被廣泛運(yùn)用于我國的通信、汽車、軍事以及電力等多個領(lǐng)域，在促進(jìn)上述領(lǐng)域智能化水平方面起到了舉足輕重的作用。

在參考相關(guān)研究資料后，結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種以嵌入式Web Server為核心技術(shù)的用戶側(cè)智能終端的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的是用戶直管模式，有效地避免傳統(tǒng)用戶側(cè)終端過度依賴PC代理的弊端，可有效滿足廣大供電企業(yè)的管理需求和用電客戶的智能用電需求。

1 構(gòu)建用戶側(cè)智能終端的意義

就目前而言，越來越多的企業(yè)都將業(yè)務(wù)的重心傾向于智能家居的設(shè)計(jì)和量產(chǎn)領(lǐng)域，但就目前市場上使用的各種信息交互智能終端而言，他們都存在著一個共同的特點(diǎn)，就是社區(qū)系統(tǒng)主站只能通過PC代理的模式進(jìn)行登錄，其適用范圍和使用場景等受到了很大的限制。

此外，在傳統(tǒng)的供電模式中由于缺乏精準(zhǔn)的用戶用電數(shù)據(jù)，供電企業(yè)只能根據(jù)用戶以往的用電量和用電習(xí)慣等向其輸送電力能源，常常出現(xiàn)供電量不足或過多的情況，不僅增加了供電企業(yè)的運(yùn)營成本，同時也大大降低了電力能源的有效使用率。因此，構(gòu)建用戶側(cè)智能終端是供電企業(yè)快速提升盈利能力的有效途徑之一。再有就是，研發(fā)與智能電網(wǎng)相適應(yīng)的智能用電交互終端，可全面改善智能用電技術(shù)和供電企業(yè)的服務(wù)能力，與現(xiàn)階段國家大力推進(jìn)的智能電網(wǎng)發(fā)展背景下的智能用電政策相一致。所以，研究用戶側(cè)智能終端管理系統(tǒng)，是我國供電領(lǐng)域持續(xù)生存與發(fā)展的必由之路[2]。

2 智能用電信息交互系統(tǒng)整體架構(gòu)

文章所設(shè)計(jì)的智能用電信息交互系統(tǒng)主要包含智能用電信息交互平臺、通信信道以及應(yīng)用現(xiàn)場3個部分。其中智能用電信息交互平臺由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、通訊服務(wù)器、應(yīng)用工作站、磁盤陣列、機(jī)構(gòu)服務(wù)器以及GPS時鐘等7個設(shè)備組成，主要用于獲取、整理和管理用戶用電數(shù)據(jù)信息；通信信道主要包含了遠(yuǎn)程通信信道和本地通信信道兩個部分。遠(yuǎn)程通信信道指的是智能用電信息交互平臺與計(jì)量自動化系統(tǒng)、現(xiàn)場應(yīng)用等模塊之間的通信信道。通信服務(wù)器主要采用Internet作為通信方式，它能有效確保信息交互過程始終處于一種高效、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)中，且這種通信方式還具備了成本低、帶寬高、靈活快速、可拓展以及方便管理等優(yōu)勢，可滿足系統(tǒng)通信需求。

此外，系統(tǒng)還采用了以太網(wǎng)方式為主的通信模式，該模式主要由路由器、防火墻等設(shè)備組成，其中防火墻主要應(yīng)用于智能用電信息交互平臺與計(jì)量自動化等系統(tǒng)之間，有效確保了系統(tǒng)信息的安全。本地通信信道指的則是用戶側(cè)的本地網(wǎng)絡(luò)，主要采用了無線通信技術(shù)ZigBee、WiFi、低壓電力線載波等通信方式來實(shí)現(xiàn)其通信功能；應(yīng)用現(xiàn)場由用戶側(cè)智能終端、智能電表、智能家電、智能安防、分布式電源、溫濕壓記錄儀等多種設(shè)備組成。

3 嵌入式Web Server用戶側(cè)智能終端設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本方案的硬件平臺主要運(yùn)用了ARM11系列的微處理器作為系統(tǒng)的硬件核心模塊，并在該模塊上運(yùn)行Android操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫（SQLite)、Web server(I-Jetty）及業(yè)務(wù)處理模塊。系統(tǒng)硬件主要由微處理器ARM11、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、外部設(shè)備接口、存儲系統(tǒng)以及用戶接口6個部分組成，同時在外圍設(shè)備和拓展模塊中添加設(shè)備接口、地址譯碼等功能。Data Flash的主要作用是負(fù)責(zé)對處理器結(jié)構(gòu)、工作模式、系統(tǒng)自動化檢測等硬件設(shè)施進(jìn)行配置和監(jiān)測，SDRAM的作用是負(fù)責(zé)處理軟件系統(tǒng)的所有文件。系統(tǒng)在經(jīng)歷過初始化、自檢等操作后，便可按照引導(dǎo)程序確定運(yùn)行地址，并自動開始運(yùn)行。

圖1 嵌入式Web server用戶側(cè)智能終端硬件框架圖

3.2 軟件平臺設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)軟件框架

用戶側(cè)智能終端系統(tǒng)軟件包含了底層驅(qū)動、系統(tǒng)、協(xié)議棧以及應(yīng)用層4個部分，其中底層驅(qū)動包括：WiFi接口、無線通信技術(shù)ZigBee接口、紅外通信接口、TTL、Data Flash、TFT液晶、觸摸屏、USB接口、SD卡座等外圍設(shè)備驅(qū)動；終端系統(tǒng)主要運(yùn)用的是Android嵌入式系統(tǒng)；協(xié)議棧包含TCP/IP協(xié)議棧、上行通訊協(xié)議棧、下行通訊協(xié)議棧以及ZigBee協(xié)議棧；應(yīng)用層由Web Server服務(wù)器，業(yè)務(wù)處理模塊以及GUI三個部分組成。業(yè)務(wù)應(yīng)用層次所具備的功能有智能能源管理、智能安全管理、智能自動化管理以及智能環(huán)境質(zhì)量檢測等幾個模塊。

3.2.2 Android平臺建立

Android是用戶側(cè)智能管理中相對獨(dú)立和相對完整的嵌入式子系統(tǒng)，主要涵蓋了底層內(nèi)核（Linux)、中間件以及關(guān)鍵應(yīng)用軟件。Android系統(tǒng)中有著一套生成Make file的程序和獨(dú)立的變量和宏。開發(fā)人員能夠運(yùn)用系統(tǒng)中的使用變量編寫Android build系 統(tǒng) 的Make file—Android.mk。每個模塊（如一個應(yīng)用、一個共享庫等），均擁有屬于自己的Android.mk。在編譯的過程中，Android.mk里面的宏會被展開為相應(yīng)的make規(guī)則，變量也能夠被代入相應(yīng)的規(guī)則。待整個Android源碼編譯結(jié)束后，系統(tǒng)中生成的二進(jìn)制文件、image等就會被自動安裝在Out/目錄下。

3.2.3 嵌入式系統(tǒng)TCP/IP

協(xié)議簇主要包含了傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報(bào)送協(xié)議以及信息報(bào)送控制協(xié)議四種，文章所介紹的系統(tǒng)采用的是傳輸控制協(xié)議TCP和網(wǎng)際協(xié)議IP協(xié)議簇，考慮TCP/IP協(xié)議簇都有著繁雜的協(xié)議種類，所以為確保TCP/IP協(xié)議能夠更好地適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)，我們在選擇協(xié)議簇之前根據(jù)具體應(yīng)用的對協(xié)議內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)木哰3]。例如，考慮到家庭用戶是嵌入式Web Server用戶側(cè)智能終端管理系統(tǒng)的主要應(yīng)用對象，用戶連接數(shù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)量等都處于一個相對較小的范圍。所以，我們在設(shè)計(jì)該智能管理終端時，除了需要考慮全面滿足應(yīng)用外，還需要綜合考慮系統(tǒng)的能源消耗問題。

本方案選用的TCP協(xié)議主要采用的是“停止等待算法”，它與常規(guī)應(yīng)用的“滑動窗口算法”相比，具有能耗小、計(jì)算更加快速精準(zhǔn)等優(yōu)勢。同時，“停止等待算法”不僅降低了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化的難度，還增強(qiáng)了系統(tǒng)處理用戶數(shù)據(jù)的能力和速度。此外，應(yīng)用數(shù)據(jù)量小，還預(yù)示著嵌入式Web Server用戶側(cè)智能終端管理系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的要求不高，因此可以刪減掉TCP協(xié)議中的流量控制功能。再有就是可以通過取消TCP協(xié)議發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的方式，降低協(xié)議對存儲環(huán)境的要求。如此一來，不但實(shí)現(xiàn)了降低系統(tǒng)耗能的目的，還能為戶數(shù)段安全、穩(wěn)定、高效的傳輸提供可靠的渠道。

3.2.4 HTTP協(xié)議及實(shí)現(xiàn)

服務(wù)程序協(xié)議HTTP引擎是嵌入式Web Server技術(shù)的核心，而HTTP協(xié)議則是Web應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，HTTP1.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的應(yīng)用，能夠幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在瀏覽器和服務(wù)器之間為多個HTTP事務(wù)提供同一個TCP連接，該功能的實(shí)現(xiàn)使智能管理系統(tǒng)的智能化水平和穩(wěn)定性能等都得到了顯著的提升。所以，將HTTP1.1協(xié)議應(yīng)用于Web服務(wù)器具有明顯的可行性和效益性。嵌入式Web Server主要通過小服務(wù)程序Servlet接口在HTML（超文本鏈接標(biāo)示語言）文件中運(yùn)行，供隨機(jī)存取存貯器RAM讀/寫數(shù)據(jù)。HTML頁面內(nèi)容通過只讀存儲器中的壓縮文件和快速運(yùn)行的代碼動態(tài)產(chǎn)生。

另一方面，系統(tǒng)應(yīng)用代碼主要是通過Java和Java腳本等技術(shù)在客戶端生成，因此服務(wù)端的主要任務(wù)就只是發(fā)布網(wǎng)頁，該模式有效減少了服務(wù)端的代碼和容量，從根本上提升了服務(wù)器的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率。為有效降低嵌入式系統(tǒng)的資源消耗量，本設(shè)計(jì)還將嵌入式Webl5-6制作成單任務(wù)模式，使系統(tǒng)只需要對正在進(jìn)行的HTTP協(xié)議連接復(fù)用和為獨(dú)立用戶Servlet開辟進(jìn)程即可，有效避免了傳統(tǒng)用戶側(cè)智能服務(wù)終端中存在的需要開辟每個進(jìn)入服務(wù)端連接進(jìn)程和處理多路復(fù)用進(jìn)程的弊端。

3.2.5 I-Jetty服務(wù)器的移植與部署

Jetty服務(wù)器是一個可以在Android移動設(shè)備平臺上運(yùn)行的Jetty。該服務(wù)器完全由Java實(shí)現(xiàn)，經(jīng)常被作為一個福利的服務(wù)軟件被使用，它不僅是一個開源的HTTP服務(wù)器，還是javax和servlet等服務(wù)器的容器，有著高內(nèi)聚、低耦合以及擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢，適合作為嵌入式Web Server用戶側(cè)智能終端的移植和部署服務(wù)器。I-Jetty服務(wù)器在智能終端系統(tǒng)中的應(yīng)用始終遵循了簡單、易操作的指導(dǎo)原則，一進(jìn)入市場就因部署速度快、發(fā)布信息及時等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各種智能化設(shè)備中。I-Jetty服務(wù)器還具有可插拔和可擴(kuò)展的優(yōu)勢，能被輕松地嵌入到各種類型的產(chǎn)品和系統(tǒng)中。

總而言之，I-Jetty服務(wù)器具備了適用范圍廣、速度快、體積小等優(yōu)勢，是嵌入式環(huán)境下Web Server開發(fā)中移植和部署的首選服務(wù)器。操作流程大致如下：首先，對事先開發(fā)好的應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，生成WAR包，并將其移動到I-Jetty服務(wù)器的Web apps目錄下；其次，創(chuàng)建一個Server對象，同時設(shè)置端口，為Server對象添加一個默認(rèn)的Handler；再次，用配置文件Jetty.xml設(shè)置Server對象；最后，通過Java向Jetty服務(wù)器發(fā)出啟動指令，待服務(wù)器啟動后即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和遠(yuǎn)程操作等功能。

3.2.6 基于Java Bean+Servlet模型的動態(tài)頁面實(shí)現(xiàn)

Java Bean是以Java語言為基礎(chǔ)構(gòu)建的一種可重用組件，Java Bean的應(yīng)用，可以將智能終端管理系統(tǒng)中由Java代碼創(chuàng)造的對象進(jìn)行打包，并且為其他開發(fā)者通過內(nèi)部頁面和Servlet提供了通道，使得其他Java Bean以及小型應(yīng)用程序等可以自由地使用這些對象[4]。Servlet則是一種服務(wù)器端的Java應(yīng)用小型服務(wù)程序，擁有獨(dú)立的平臺和協(xié)議，是生成動態(tài)Web頁面的核心技術(shù)。Servlet的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)處理客戶的請求和相應(yīng)服務(wù)器的中間層。它位于Web服務(wù)器內(nèi)部的Java應(yīng)用程序中，運(yùn)行原理與傳統(tǒng)的從命令到運(yùn)行再到啟動Java應(yīng)用程序不同，Servlet主要是通過Web服務(wù)器進(jìn)行加載。

Java Bean+Servlet模型是按照視圖控制器的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要由Model層、View層和Controller層三個部分組成。其中Model層的主要功能是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，負(fù)責(zé)存儲與使用應(yīng)用程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資料；View層則主要被用于用戶界面的現(xiàn)實(shí)，它能夠自由訪問Model層的數(shù)據(jù)信息；Controller層是控制和聯(lián)系Model層與View層。Java Bean+Servlet模型在具體的使用過程中，各層級之間相互協(xié)作，有效實(shí)現(xiàn)了對客戶端數(shù)據(jù)的收集、轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。該模式所具備的功能如下：

第一，由Java Bean作為Model層實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用邏輯和功能；第二，由Servlet作為Controller層處理HTTP請求，包括對輸入數(shù)據(jù)的檢查和轉(zhuǎn)換、通過Java Bean訪問數(shù)據(jù)庫、初始化HTML頁面中需要使用的Java Bean和對象，以及根據(jù)處理的分支和結(jié)果判斷HTML位置等；第三，將HTML作為View層獲取Servlet生成的對象和Java Bean，待取出其中的數(shù)據(jù)后返回生成交互信息的頁面。