基于嵌入式W eb server的用戶側(cè)智能終端設(shè)計

危阜勝，鄭曉光，黨三磊，楊勁鋒，陳玲君

（1．廣東電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2．杭州海興電力科技有限公司 浙江 杭州 310015）

智能用電是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是建設(shè)智能電網(wǎng)的著力點(diǎn)和落腳點(diǎn)。智能用電是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶之間實(shí)時交互響應(yīng)，增強(qiáng)電網(wǎng)綜合服務(wù)能力，滿足互動營銷需求，提升服務(wù)水平的重要手段。智能用電關(guān)系到提高電網(wǎng)的能源使用效率、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和有序用電水平，對電網(wǎng)建設(shè)、節(jié)能環(huán)保、電能質(zhì)量管理具有深遠(yuǎn)的影響。

適應(yīng)于智能電網(wǎng)的智能用電交互終端，是智能用電技術(shù)及服務(wù)體系中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，符合智能電網(wǎng)技術(shù)“互動”的關(guān)鍵特點(diǎn)，是國家大力推進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展背景下出現(xiàn)的智能用電領(lǐng)域熱點(diǎn)問題，具有深遠(yuǎn)的理論和工程應(yīng)用價值。

當(dāng)前，不少公司針對智能家居提出了很多解決方案，目前國內(nèi)市場上很多企業(yè)或企業(yè)聯(lián)盟都提出了各種智能交互終端解決方案。這些方案有一個共同的特點(diǎn)，就是用戶都只能通過PC代理的模式登陸社區(qū)系統(tǒng)主站才能實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程雙向交互。這種系統(tǒng)模式一方面給用戶帶來了隱私泄漏的困擾；另一方面，一旦社區(qū)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將喪失服務(wù)能力。

隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種高性能嵌入式微處理器、高性能嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)，使嵌入式Web server的實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí)。針對當(dāng)前用戶側(cè)智能終端應(yīng)用中的不足，筆者提出了一種基于嵌入式Web server技術(shù)的用戶側(cè)智能終端的方案，本方案的實(shí)現(xiàn)，使得用戶可以通過Internet遠(yuǎn)程訪問家里的用戶側(cè)智能終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能應(yīng)用，在不提高總體建設(shè)成本的前提下完全拋棄了PC代理，采用用戶直管模式，是一種全新的智能用電應(yīng)用模式。

1 智能用電信息交互系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Overall system structure diagram

系統(tǒng)從物理上可以分為智能用電信息交互平臺、通信信道、應(yīng)用現(xiàn)場3部分。

智能用電信息交互平臺根據(jù)規(guī)模由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、磁盤陣列、web服務(wù)器、通訊服務(wù)器、接口服務(wù)器、應(yīng)用工作站及GPS時鐘等相關(guān)設(shè)備組成。

通信信道包括遠(yuǎn)程通信信道和本地通信信道。遠(yuǎn)程通信信道主要是指智能用電信息交互平臺與計量自動化等系統(tǒng)之間的通信信道以及用戶和智能用電信息交互平臺與應(yīng)用現(xiàn)場之間的通信信道。為獲得高速、穩(wěn)定、可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)采用Internet作為遠(yuǎn)程通訊的主要方式。這種通訊方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于零成本、高帶寬、擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活快速，可以很方便的進(jìn)行管理等。采用以太網(wǎng)方式通信，主要由路由器及防火墻等設(shè)備組成。智能用電信息交互平臺與計量自動化等系統(tǒng)采用防火墻物理隔離，保證系統(tǒng)的信息安全。本地通信信道主要是指用戶側(cè)本地網(wǎng)絡(luò)，主要采用ZigBee、WIFI、低壓電力線載波（通訊接口模塊化設(shè)計，可互換）等通信方式

應(yīng)用現(xiàn)場主要包括用戶側(cè)應(yīng)用所涉及的用戶側(cè)智能終端（IHD）、智能電表、智能家電、智能安防、分布式電源以及溫濕壓記錄儀等相關(guān)設(shè)備。

2 嵌入式W eb server用戶側(cè)智能終端硬件設(shè)計

本方案的硬件平臺采用ARM11為系統(tǒng)硬件核心[1]，硬件設(shè)計框圖如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要包括微處理器、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、外部設(shè)備接口、存儲系統(tǒng)、用戶接口6個部分。

圖2 硬件框架圖Fig．2 Hardware framework diagram

用戶側(cè)智能終端的核心模塊基于ARM11芯片，在其之上運(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。外圍設(shè)備及擴(kuò)展模塊要完成相關(guān)設(shè)備接口、地址譯碼并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)擴(kuò)展。Data Flash負(fù)責(zé)配置處理器的結(jié)構(gòu)、工作模式以及自動檢測系統(tǒng)的各個硬件是否工作正常。SDRAM負(fù)責(zé)處理軟件系統(tǒng)文件。系統(tǒng)經(jīng)過初始化和自檢后，引導(dǎo)程序指向SDRAM首地址，系統(tǒng)開始運(yùn)行。

3 基于I-Jetty的軟件平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本產(chǎn)品所采用的硬件平臺和軟件平臺都是通用的平臺，基于該平臺構(gòu)建嵌入式Web server，只需考慮通用性、響應(yīng)速度以及對于硬件的可操作性[1]。

3.1 系統(tǒng)軟件框架

用戶側(cè)智能終端系統(tǒng)軟件[2]由底層驅(qū)動、系統(tǒng)，協(xié)議棧、應(yīng)用層四部分組成。底層驅(qū)動包括：WIFI接口、ZigBee接口、紅外通訊口、RJ45、TTL、Flash、TFT 液晶、 觸摸屏、USB、SD 卡等外圍設(shè)備驅(qū)動；系統(tǒng)：采用Android嵌入式系統(tǒng)；協(xié)議棧：TCP/IP協(xié)議棧、上行通訊協(xié)議、下行通訊協(xié)議、ZigBee協(xié)議棧；應(yīng)用層：Web Server、業(yè)務(wù)處理模塊、GUI。整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件框架圖Fig．3 Software framework diagram

3.2 Android平臺建立

Android是一個完整的嵌入式系統(tǒng)平臺，其包含底層內(nèi)核（Linux）、中間件以及一些關(guān)鍵的應(yīng)用。

Android創(chuàng)建了一套自己的系統(tǒng)來生成Makefile。Android build系統(tǒng)定義了一套自己的變量、宏等，開發(fā)人員可以使用這些變量編寫Android build系統(tǒng)的Makefile——Android．mk。每個模塊，如一個應(yīng)用、一個共享庫等，都有自己的 Android．mk。在編譯的時候，Android．mk 中的宏就會被展開成相應(yīng)的make規(guī)則，變量也會代入相應(yīng)的規(guī)則。在整個Android源碼編譯完成后，生成的二進(jìn)制文件以及image等都安裝在out/目錄下。

3.3 嵌入式系統(tǒng)TCP/IP

TCP/IP是一個內(nèi)容十分復(fù)雜的協(xié)議簇，協(xié)議種類繁多，對嵌入式系統(tǒng)來說，要針對具體應(yīng)用，對標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行一定程度的精簡，使適用于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。TCP/IP協(xié)議簇分為四層，主要包括IP、TCP、UDP和ICMP等協(xié)議。

本方案所涉及的用戶側(cè)智能交互終端主要針對家庭用戶開發(fā)，用戶連接數(shù)極少，具有應(yīng)用數(shù)據(jù)量很小的特征。作為瘦服務(wù)器，在設(shè)計過程中需要在滿足應(yīng)用的同時盡可能減少系統(tǒng)開銷。因而，本方案中所采用的TCP采用“停止等待算法”代替常規(guī)應(yīng)用的“滑動窗口算法”[3]。由于本產(chǎn)品應(yīng)用數(shù)據(jù)量小，對網(wǎng)絡(luò)擁塞不會產(chǎn)生大的影響，因而可以裁減掉TCP的流量控制功能。同時，采用停止等待算法不但降低了實(shí)現(xiàn)難度，提高了處理速度，同時可以取消TCP的發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)，減小了占用存儲。這樣既節(jié)省了系統(tǒng)開銷，同時也不影響數(shù)據(jù)段安全正確地到達(dá)目的端。

3.4 HTTP協(xié)議及實(shí)現(xiàn)

嵌入式Web Server技術(shù)的核心是HTTP引擎[4]。HTTP協(xié)議是Web應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，HTTP1．1標(biāo)準(zhǔn)可以為多個HTTP事務(wù)在瀏覽器和服務(wù)器之間只保持一個TCP連接，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的性能。所以，采用HTTP1．1協(xié)議是瘦Web服務(wù)器的合適選擇。嵌入式WebServer通過Servlet接口等方法，可以在HTML文件中運(yùn)行，供RAM讀/寫數(shù)據(jù)。HTML頁面內(nèi)容一般是通過存儲ROM中的壓縮文件，由快速運(yùn)行的代碼動態(tài)產(chǎn)生，利用Java、JavaScript等技術(shù)在客戶端生成應(yīng)用代碼，而在服務(wù)端只是發(fā)布網(wǎng)頁，以減少在服務(wù)端的代碼和容量，提高服務(wù)器的性能。

由于嵌入式系統(tǒng)一般資源有限，因而對于嵌入式Web[5-6]，一般設(shè)計成單任務(wù)模式，不對每個進(jìn)入服務(wù)端的連接開辟進(jìn)程，更不為處理多路復(fù)用而開辟進(jìn)程，僅僅對正在進(jìn)行的HTTP連接復(fù)用，而且也只為獨(dú)立用戶Servlet開辟進(jìn)程。嵌入式Web Server的基本處理流程如圖4所示。Server對象添加一個默認(rèn)的 Handler；

圖4 嵌入式Web Server的基本處理流程圖Fig．4 Embedded Web Server flow chart

3）用配置文件 jetty．xm l對這個 server進(jìn)行設(shè)置；

4）用Java–jar start．jar命令啟動 Jetty服務(wù)器，啟動服務(wù)器后，即可遠(yuǎn)程訪問并操作了。

3.6 基于JavaBean+Servlet模型的動態(tài)頁面實(shí)現(xiàn)

JavaBean是一種基于JAVA語言的可重用組件，用戶使用JavaBean可以將功能、處理、值、數(shù)據(jù)庫訪問和其他任何可以用JAVA代碼創(chuàng)造的對象進(jìn)行打包，并且其他的開發(fā)者可以通過內(nèi)部的頁面、Servlet、其他JavaBean、applet程序或者應(yīng)用來使用這些對象。

Servlet是一種服務(wù)器端的Java應(yīng)用程序，具有獨(dú)立于平臺和協(xié)議的特性，可以生成動態(tài)的Web頁面。 Servlet擔(dān)當(dāng)客戶請求（Web瀏覽器或其他HTTP客戶程序）與服務(wù)器響應(yīng)（HTTP服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫或應(yīng)用程序）的中間層。 Servlet是位于Web服務(wù)器內(nèi)部的服務(wù)器端的Java應(yīng)用程序，與傳統(tǒng)的從命令行啟動的Java應(yīng)用程序不同，Servlet由Web服務(wù)器進(jìn)行加載。

HTML和JavaBean+Servlet模型體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。這種模型是一種基于模型視圖控制器的設(shè)計模型，即MVC模型。該模型可以將Web程序分成3個部分：Model層、View層和Controller層。Model層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，包括了Web使用程序功能的核心，負(fù)責(zé)存儲與使用程序有關(guān)的數(shù)據(jù)；View層用于用戶界面的現(xiàn)實(shí)，它可以訪問Model層的數(shù)據(jù)，但不能修改這些數(shù)據(jù)；Controller層主要負(fù)責(zé)Model和View層之間的控制聯(lián)系。

圖5 HTML和JavaBean+Servlet模型體系結(jié)構(gòu)Fig．5 HTML and JavaBean+Servletmodel architecture

3.5 I-Jetty服務(wù)器的移植與部署

I-Jetty是一個可運(yùn)行在Android移動設(shè)備平臺上的Jetty。Jetty是一個100%由Java實(shí)現(xiàn)的、開源的HTTP服務(wù)器和javax．servlet容器，它不僅僅作為一個獨(dú)立服務(wù)軟件（如Tomcat）被使用，而且其優(yōu)良的組件（Componet）設(shè)計、高內(nèi)聚低耦合、高擴(kuò)展性等特性使得Jetty非常易于作為嵌入式工具使用。

I-Jetty本著簡單不復(fù)雜的指導(dǎo)原則，一經(jīng)推出就因?yàn)榭焖俚牟渴鸷桶l(fā)布的優(yōu)點(diǎn)受到廣大開發(fā)者的追捧。I-Jetty被設(shè)計成了可插拔和可擴(kuò)展的特性，設(shè)計簡練而清晰，非常容易被嵌入到其它產(chǎn)品之中。在性能方面，I-Jetty主打小、快、輕，非常適合于嵌入式環(huán)境下的webserver開發(fā)。

I-Jetty的應(yīng)用移植和部署十分的簡單，其流程如下：

1）將開發(fā)好的應(yīng)用程序編譯，生成 WAR包，放到IJetty的 Webapps目錄下面；

2）創(chuàng)建一個 Server對象，并設(shè)置端口，然后為這個

本模型在具體實(shí)現(xiàn)時，JavaBean作為Model層，Servlet作為Controller層，HTML作為View層，負(fù)責(zé)各層的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

1）JavaBean作為Model層，實(shí)現(xiàn)各個具體的應(yīng)用邏輯和功能。

2）Servlet作為Controller層，負(fù)責(zé)處理HTTP請求處理，包括：

①對輸入數(shù)據(jù)的檢查和轉(zhuǎn)換；

②通過JavaBean訪問數(shù)據(jù)庫；

③初始化HTML頁面中要用到的JavaBean或?qū)ο螅?/p>

④ 根據(jù)處理中不同的分支和結(jié)果，決定轉(zhuǎn)向哪個HTML等。

3）HTML作為View層，負(fù)責(zé)獲取Servlet生成的對象或JavaBean，從中取出數(shù)據(jù)，生成交互后返回的頁面。

4 結(jié)束語

文中介紹了一種以ARM11微處理器為硬件基礎(chǔ)的用戶側(cè)智能終端嵌入式Web Server設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的過程，介紹了嵌入式系統(tǒng)Android和嵌入式Web平臺I-Jetty在用戶側(cè)智能終端系統(tǒng)中的應(yīng)用，并重點(diǎn)描述了HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)和基于JavaBean+Servlet模型的動態(tài)頁面實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)具有運(yùn)行效率高、界面友好、接口設(shè)計合理、功能擴(kuò)展方便等特點(diǎn)。

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