嵌入式網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：對信息發(fā)布系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，結(jié)合嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布系統(tǒng)的解決方案，并介紹了信息發(fā)布管理平臺(tái)和嵌入式終端的軟件設(shè)計(jì)。信息發(fā)布管理平臺(tái)基于Web開發(fā)，通過管理平臺(tái)可以對每個(gè)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器是相對獨(dú)立的，主要用于存儲(chǔ)發(fā)布的數(shù)據(jù)信息，并最終根據(jù)終端的要求將信息推送到終端上。執(zhí)行終端采用嵌入式芯片，為了節(jié)約硬件系統(tǒng)資源的開銷，在嵌入式芯片上移植μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，并且定制HTTP超文本傳輸協(xié)議。
關(guān)鍵詞：信息發(fā)布；嵌入式；互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；Web

0 引言
    隨著信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代的到來，尤其是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與系統(tǒng)體現(xiàn)出高效、靈活、可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。嵌入式技術(shù)也有著飛速的發(fā)展，從硬件方面來看，嵌入式微處理器的性能提升到了一個(gè)新的高度。從軟件方面來看，它已經(jīng)擁有了高效的操作系統(tǒng)，方便開發(fā)人員進(jìn)行軟件個(gè)性化設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)在的實(shí)踐過程中，具有體積小，攜帶方便，便于安裝調(diào)試和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，從而使嵌入式系統(tǒng)滿足了多數(shù)的消費(fèi)電子、通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域的要求。
    為了實(shí)現(xiàn)面向公眾的信息傳遞，人們采用了告機(jī)、單宣傳畫、工控廣機(jī)廣告機(jī)等方式。但這些信息發(fā)布方式，存在著信息量局限，成本高，更換內(nèi)容困難等缺點(diǎn)?；趯κ袌龅睦斫?，并結(jié)合先進(jìn)的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)視頻技術(shù)，本文介紹了一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布系統(tǒng)，闡述了服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和嵌入式終端解決方案，以及服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的交互、服務(wù)器與終端的通信協(xié)議等關(guān)鍵單元技術(shù)，并詳細(xì)介紹終端的軟件設(shè)計(jì)思想。

1 系統(tǒng)組成
    該系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布管理平臺(tái)和遠(yuǎn)程嵌入式終端兩部分。系統(tǒng)的軟硬件部署，主要分為三個(gè)部分：嵌入式終端，發(fā)布系統(tǒng)服務(wù)器和內(nèi)容服務(wù)器。其中，在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)布系統(tǒng)服務(wù)器和內(nèi)容服務(wù)器可以合并為同一臺(tái)服務(wù)器，如圖1所示。

1．1 硬件方面
1．1．1 管理平臺(tái)硬件環(huán)境
    一臺(tái)Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，配置Java開發(fā)運(yùn)行環(huán)境，并且裝有Apache Tomcat 6．0服務(wù)器和MySQL5．1數(shù)據(jù)庫等軟件。
1．1．2 嵌入式硬件環(huán)境
    嵌入式芯片需滿足多媒體開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的基本要求。
    (1)支持視頻格式、音頻格式、圖片格式的編碼和解碼；
    (2)支持視頻圖像和音頻輸出接口；
    (3)支持USB接口；
    (4)支持HTTP協(xié)議；
    (5)支持10 M／100 M網(wǎng)卡。
1．2 軟件方面
    在這種系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，信息發(fā)布管理平臺(tái)基于Web開發(fā)，采用了目前常用的Java+Struts+Hibernate方法。struts框架定義了管理平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(表示層)和頁面之間流轉(zhuǎn)的規(guī)則(業(yè)務(wù)層)。Hibernate將數(shù)據(jù)庫連接抽象化，使得開發(fā)過程中對數(shù)據(jù)庫的使用更加簡潔方便，同時(shí)，Hibernate降低了更換不同類型數(shù)據(jù)庫所用的開發(fā)時(shí)間?；贘ava語言編寫服務(wù)端代碼，開發(fā)效率高，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法提高了代碼的可維護(hù)性。該模塊還使用了較多的JS代碼和基于Ajax的技術(shù)來提高客戶端頁面刷新和頁面功能；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的設(shè)計(jì)使用瑞典MySQL AB公司開發(fā)的小型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL5．1，它為Java語言提供了豐富的API，方便Java應(yīng)用程序?qū)ζ湓L問。
    嵌入式終端操作系統(tǒng)采用μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。μC／OS-Ⅱ是一個(gè)源碼開放的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它的內(nèi)核短小精悍、可裁減、執(zhí)行時(shí)間確定。系統(tǒng)大部分代碼采用C語言編寫，與硬件有關(guān)的部分都集中在固定的文件中，移植相當(dāng)方便，可應(yīng)用于目前大多數(shù)型號(hào)的CPU。但是，沒有集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以，開發(fā)人員使用該操作系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)時(shí)，需要自行定制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。[!--empirenews.page--]

2 信息發(fā)布系統(tǒng)的單元交互
    嵌入式網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布系統(tǒng)單元之間的通信可以分為兩層：服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫交互、服務(wù)器與遠(yuǎn)程終端通信。
2．1 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫交互層
    該系統(tǒng)的服務(wù)器具有遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)功能，包括Web服務(wù)器、文件服務(wù)器、本地控制服務(wù)器。其中，Web服務(wù)器提供信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)的用戶交互界面和業(yè)務(wù)邏輯處理模塊的運(yùn)行環(huán)境；文件服務(wù)器主要提供系統(tǒng)管理的視頻、圖像等多媒體信息的存取服務(wù)；本地控制服務(wù)器主要管理轄區(qū)內(nèi)所有顯示終端的通信分發(fā)。
    在服務(wù)器上編寫了具有人機(jī)交互功能的JSP靜態(tài)管理平臺(tái)界面，用戶可以通過該界面方便地進(jìn)行圖形化操作，并將終端反饋的信息顯示在該界面，方便用戶獲取終端的運(yùn)行情況，還為用戶提供有用戶權(quán)限管理、內(nèi)容管理、播放控制等模塊的監(jiān)控頁面。用戶只需登錄該管理平臺(tái)界面，即可通過網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)程終端進(jìn)行監(jiān)控。
    服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫的訪問采用JDBC兩層模型方法。JDBC是一種用于執(zhí)行SQL語句的Java API，利用這種方法可以方便地與數(shù)據(jù)庫建立連接，發(fā)送操作數(shù)據(jù)庫的語句，并處理結(jié)果。兩層模型可使得Java Applet或應(yīng)用程序?qū)⒅苯优c數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。
    服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互主要用于存取終端基本狀態(tài)信息。例如：網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，連接在同一個(gè)服務(wù)器的各個(gè)終端ID號(hào)，終端硬盤的空間大小，硬盤中的內(nèi)容等。指令的生成依賴于該模塊在數(shù)據(jù)庫中所查詢到的終端狀態(tài)標(biāo)志位。當(dāng)服務(wù)器對某終端進(jìn)行相應(yīng)的控制操作時(shí)，首先從數(shù)據(jù)庫中讀取出該終端當(dāng)前的狀態(tài)標(biāo)志位，根據(jù)這些標(biāo)志位進(jìn)行邏輯判斷，生成本次控制操作所需要發(fā)送的XML文本指令。
2．2 服務(wù)器與遠(yuǎn)程終端通信層
    服務(wù)器與遠(yuǎn)程終端的通信采用HTTP超文本傳輸協(xié)議，終端定時(shí)(初定8 s)發(fā)送請求到服務(wù)器。服務(wù)器接受到請求后，將相應(yīng)的XML文本語言形式的控制操作指令發(fā)送到連接的網(wǎng)絡(luò)端口，遠(yuǎn)程終端讀取端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，完成本次控制操作。如果一定時(shí)間內(nèi)(初定1 min)沒有收到終端的消息，可斷定出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常(終端離線)。
    終端系統(tǒng)正常啟動(dòng)之后，系統(tǒng)將自動(dòng)分配一段內(nèi)存空間，一部分用來存儲(chǔ)請求信息和控制指令，一部分作為消息隊(duì)列。然后，終端的狀態(tài)信息作為請求信息循環(huán)向指定IP地址(服務(wù)器)的端口(初定80端口)發(fā)送。終端請求成功后，服務(wù)器讀取端口接收的請求信息，將請求信息解析后作為終端的當(dāng)前狀態(tài)信息，更新數(shù)據(jù)庫中的狀態(tài)標(biāo)志位。同時(shí)，服務(wù)器也可以通過HTTP傳輸協(xié)議發(fā)送XML語言結(jié)構(gòu)的文本指令給終端，終端接收到指令后進(jìn)行解析，并對終端進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。

3 信息發(fā)布系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
    嵌入式硬件的系統(tǒng)頻率、存儲(chǔ)空間、緩存大小、編碼和解碼等性能已經(jīng)達(dá)到了較高的技術(shù)水平。那么，對于嵌入式芯片在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用更依靠于操作系統(tǒng)和靈活的軟件設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)。
    在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，服務(wù)器的設(shè)計(jì)需要考慮服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫和終端的交互協(xié)議，當(dāng)通過服務(wù)器控制多臺(tái)終端的時(shí)候，對于指令分發(fā)、數(shù)據(jù)包傳輸、以及數(shù)據(jù)庫的更新都存在著時(shí)序和邏輯問題。為了節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存的開銷，也要保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，所以終端的操作系統(tǒng)選擇μC／OS-Ⅱ。該操作系統(tǒng)沒有集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以結(jié)合其性能條件定制適合它的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。
3．1 終端網(wǎng)絡(luò)程序的設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)程終端的執(zhí)行效果只有到現(xiàn)場才可以觀察，那么，保證終端接收指令和對指令響應(yīng)的可靠性是十分必要的。HTTP協(xié)議是一種文本協(xié)議，文本協(xié)議通常是用ASCII符集編碼，具有理解簡單，擴(kuò)展擴(kuò)充方便，容錯(cuò)性較強(qiáng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。開發(fā)人員可以方便地進(jìn)行協(xié)議的定制，節(jié)省了軟件調(diào)試時(shí)間，大大縮短了開發(fā)周期。因此，在該系統(tǒng)的操作系統(tǒng)中定制了HTTP超文本傳輸協(xié)議。
    μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的入口函數(shù)，在此函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)任務(wù)，該任務(wù)的主要功能是請求網(wǎng)絡(luò)連接，并接收來自服務(wù)器的指令。當(dāng)終端系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)任務(wù)，循環(huán)向服務(wù)器發(fā)送HTTP請求，請求成功后，終端反饋信息到服務(wù)器。
    系統(tǒng)軟件使用C語言編程，將HTTP協(xié)議封裝在結(jié)構(gòu)體中，用結(jié)構(gòu)體屬性字段來表示。
    網(wǎng)絡(luò)端口的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)，包括HTTP協(xié)議頭、控制指令、lP地址、端口號(hào)、端口信號(hào)量鎖等。HTTP協(xié)議的結(jié)構(gòu)體如下：
   
    其中：http_Request[REQUEST_SIZE為HTTP協(xié)議頭字符串；http_Response為服務(wù)器發(fā)給終端的控制指令；httpWait為信號(hào)量。用信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端口的互斥訪問。
    在系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)控制多個(gè)嵌入式終端時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)端口與每個(gè)終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接通信。網(wǎng)絡(luò)端口是獨(dú)占性的端口，所以，選擇信號(hào)量機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)端口的訪問進(jìn)行互斥鎖處理。

    HTTPTcpConnection_t為網(wǎng)絡(luò)端口連接信息，它也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，屬性字段包括服務(wù)器的IP地址、網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)、以及終端請求信息等。代碼如下：
   
   
3．2 多任務(wù)間通信
    μC／OS-Ⅱ是多任務(wù)機(jī)制操作系統(tǒng)，最多可支持64個(gè)任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)從0～63，對這樣的多任務(wù)操作系統(tǒng)來說，任務(wù)間的通信是必不可少的。μC／OS-Ⅱ中提供了4種通信對象，分別是信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列和事件。所有這些同步對象都有創(chuàng)建、等待、發(fā)送、查詢的接口用于實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信。[!--empirenews.page--]
    消息機(jī)制是創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列，一個(gè)任務(wù)將消息發(fā)送到該消息隊(duì)列中，另一個(gè)任務(wù)在隊(duì)列的另一端接收此消息。消息隊(duì)列是在消息的傳輸過程中保存消息的容器，它的主要目的是為消息的傳遞提供路徑；如果發(fā)送消息時(shí)接收者沒有響應(yīng)，消息隊(duì)列會(huì)保留消息，直到可以成功地傳遞給接收者。
    消息機(jī)制具有靈活性、可擴(kuò)展性和異步性等優(yōu)點(diǎn)。因此，該系統(tǒng)采用消息隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)UI／User層程序和應(yīng)用程序之間的通信，如圖2所示。

    消息的結(jié)構(gòu)體如下：
   
    在消息結(jié)構(gòu)體中：
    app_id：接受此消息的應(yīng)用程序或樁函數(shù)。
    msg_type：消息類型。系統(tǒng)中的消息設(shè)計(jì)有兩種類型。一是命令消息，應(yīng)用程序接收到來自UI／User程序的命令消息后，對其進(jìn)行解析，然后，逐個(gè)執(zhí)行消息中的命令集合，并反饋執(zhí)行結(jié)果；二是通知消息，用來通知UI／User命令在應(yīng)用程序中得到響應(yīng)。
    msg_id：消息的ID號(hào)。
    msg_value：消息的參數(shù)，存放指針的地址。
    下面以命令消息處理過程為例，介紹消息的發(fā)送、接收和消息相應(yīng)操作過程，如圖3所示。其中，應(yīng)用程序管理器是一個(gè)消息處理中心，它為UI／User層提供了一些API函數(shù)，用來為應(yīng)用程序接受輸入命令和分發(fā)命令。同時(shí)，它還接收來自應(yīng)用程序的命令執(zhí)行結(jié)果和通知消息，并把這些消息發(fā)送給相應(yīng)的消息處理函數(shù)。

4 結(jié)語
    現(xiàn)場調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，工控機(jī)信息發(fā)布系統(tǒng)的故障率為5％，而本文設(shè)計(jì)的嵌入式信息發(fā)布系統(tǒng)的故障率為8％。從價(jià)格上進(jìn)行比較，工控機(jī)信息發(fā)布系統(tǒng)價(jià)格是嵌入式信息發(fā)布系統(tǒng)價(jià)格的10倍左右。顯然，該系統(tǒng)具有更好的性價(jià)比，且使用簡單，操作方便。隨著嵌入式系統(tǒng)軟件的PC化，它將成為一種理想的信息發(fā)布系統(tǒng)，有著十分誘人的應(yīng)用前景。