摘要：本文是針對當前礦業(yè)安全事故頻繁，設計了這樣一個能在惡劣環(huán)境下正常工作的安全系統。首先介紹了嵌入式系統的相關概念和軟硬件環(huán)境，闡明煤礦井上監(jiān)控終端的嵌入式系統需求和Windows CE 嵌入式操作系統選擇;接著，從嵌入式數據庫的相關概念和煤礦井上

監(jiān)控終端的嵌入式數據庫需求及特點出發(fā)，詳細研究Berkeley DB 數據庫的關鍵技術特性以及在煤礦井上監(jiān)控系統中的適用性，并介紹Berkeley DB 數據庫的基本概念和基本API 函數操作。

引言

嵌入式數據庫不僅在功能概念及系統特點上與傳統的數據庫有著很大的差別，而且在它的應用方式上也是不同的。嵌入式數據庫并不是直接銷售給用戶，而是提供給設備的生產商或應用的開發(fā)商，以便直接生成在嵌入式系統和應用之中，嵌入式數據庫在許多領域擁有廣泛的應用前景，如手持式計算和移動計算，智能設備，在本文中便提供了較好的應用。

1 系統需求分析

前端數據采集、監(jiān)控、發(fā)送等嵌入式系統軟件開發(fā)工作。為了滿足前端嵌入式監(jiān)控系統對井下實時數據的存儲、查詢、顯示等大量處理要求，必須安裝數據庫管理系統，而傳統的數據庫管理系統顯然因其資源占用大、數據管理效率低等特點不能適用與嵌入式礦場監(jiān)控系統，因此，探索一種適用于礦場惡劣環(huán)境下的嵌入式監(jiān)控終端的數據庫系統成為本文進展的關鍵。

嵌入式數據庫管理系統是隨著嵌入式應用的發(fā)展而興起的一類嵌入式應用軟件，已經成為數據庫技術研究的一個重要分支，在移動計算平臺(如HPC,PDA)、家庭信息環(huán)境(如機頂盒和數字電視)、通訊計算平臺、汽車電子平臺、電子商務平臺(如智能卡應用)等領域得到廣泛的應用。

為解決這些問題，提出了嵌入式系統在煤礦井上監(jiān)控系統中的應用，嵌入式系統技術的小體積、高可靠性、低功耗和低成本等特點滿足井上監(jiān)控系統設備的嚴格要求及現場惡劣生產環(huán)境的適應性，并且監(jiān)控終端移植嵌入式數據庫管理系統，滿足傳統煤礦安全監(jiān)控系統的主要功能需求:

1.數據通信功能需求。

2.實時查詢及顯示需求。

3.用戶登錄管理需求。

2 系統總體設計

嵌入式礦場安全系統的核心是數據處理。監(jiān)控終端實時采集礦場各類傳感器的模擬信號(如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、風速、溫度、濕度、粉塵、壓力等)和現場設備控制設備的開關量信號(如風機啟、停狀態(tài)等)，實現數據實時顯示、實時/歷史曲線顯示、查詢和報表打印、聲光報警、手動/自動控制，以及網絡通信等功能。而所有這些功能的實現都是以數據管理為基礎的，嵌入式數據庫系統可以有效地組織和管理煤礦場下各類數據，從而達到礦場監(jiān)控系統實時查詢、控制等功能的設計要求。圖1 是一個典型的采用了嵌入式數據庫的礦場安全系統的結構圖:

系統采用 Windows CE 嵌入式操作系統和Berkeley DB 嵌入式數據庫作為礦場井上監(jiān)控系統終端應用程序的開發(fā)平臺;以現有的礦場安全監(jiān)測監(jiān)控系統為數據源，以文件共享的方式實時采集現場安全生產數據，進行數據的處理和發(fā)送。

3.系統主要功能模塊實現

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊實現煤礦數據源傳感器實時數據的讀取，并設計成一定格式的數據結構，以便數據庫和應用程序操作。本系統以現有的礦場安全系統(MSUS )為數據源，安全系統按照協議規(guī)定的文件格式組織傳感器數據，存儲在指定本地磁盤路徑中。

1.設備安裝信息文件(dev.xml )

傳感器設備文件分為數據頭和數據體，數據頭格式規(guī)定如下：

<礦場編號><礦井名稱><日期><傳感器個數><其他><保留>

2.實時數據文件(rtdata. xml )

實時數據文件分為數據頭和數據體，數據頭格式規(guī)定如下：

<礦場編號><數據上傳時間><傳感器數目>

數據體格式規(guī)定如下：

<傳感器編號><數據值><數據狀態(tài)>

其中，數據狀態(tài)按位來表示數據的狀態(tài)(用二進制定義，使用時轉換為整數)，其文本對應關系如下：

(二)數據采集程序設計

數據采集模塊程序使用了 ReadFile.h 和ReadFile.cpp 文件,因此本文設計了CReadFile 類，該類封裝了對dev.xml 和rtdata.xml 交換文件所有的數據采集操作。根據 dev.xml 和rtdata.xml 交換文件的構成，以及數據庫存儲操作上的考慮，程序為每個傳感器設計了DEVDATA 和REALDATA 結構體，分別用來保存dev.xml 和rtdata.xml 文件的數據信息。DEVDATA 結構體如下所示:

typedef struct devdata

{ TCHAR m_str_devSubstation[MAXLENGTH];//分站

TCHAR m_str_devID[MAXID];//傳感器編號

TCHAR m_str_devPlace[MAXLENGTH];//安裝地點

TCHAR m str_devName[MAX];//檢測類別

TCHAR m str_devType[MAX];//傳感器類型

TCHAR m str_devUnit[MAX];//單位

float m_data_up;//量程上限

float mes_data_down;//量程下限

float m_alarrn_up;//報警上限

float m_alarm_down;//報警下限

float m_power_off;//斷電值

float m_power_on;//復電值

}DEVDATA;

REALDATA 結構體如下所示:

typedef struct realdata

{TCHAR m_str_devID[MAXID];//傳感器編號

float m_data;//傳感器數值

TCHAR m_str_dataStatus[MAXSTATUS];//數據狀態(tài)

}REALDATA;

CReadFile 類使用了CPtrList 鏈表數據結構，用以管理交換文件的所有傳感器信息，數據節(jié)點為DEVDATA 和REALDATA 結構體。

3.2 數據存儲模塊

將傳感器設備上傳時間作為 key，封裝在DEVDATA 結構體中的設備安裝信息和封裝在REALDATA 結構體中的實時數據信息分別構成數據庫的data，從而構成兩組Key 到Data對。因此，該方案將形成兩張表，分別存儲在兩個數據庫文件中。將傳感器設備安裝信息和實時數據信息形成兩個數據庫文件分別存儲，只在設備安裝信息改變的時候才會進行設備文件的存儲操作，這樣大大減少了數據庫文件的磁盤占用空間。

Berkeley DB 用Key/Data(關鍵詞/數據)來區(qū)分數據庫中的數據，Key/Data 對是BerkeleyDB 用來進行數據庫管理的基礎，由這兩者構成的Key/Data 對組成了數據庫中的一個基本結構單元，而整個數據庫實際上就是由許多這樣的結構單元所構成的。也就是說，調用數據庫接口實際上就是提供了相應的關鍵詞，通過該關鍵詞來查找要操作的數據。

如果把一組相關的 Key/Data 對也看作一個表的話，那么每一個數據庫只允許存放一個table，因此，一般一種類型的Key/Data 對構成一個數據庫文件。數據庫存儲代碼設計主要分為設備安裝信息(key/data 對為設備上傳時間/DEVDATA 結構體)存儲代碼設計和實時數據信息(key/data 對為設備一上傳時間/REALDATA 結構體)存儲代碼設計。Berkeley DB 是以文件為單位進行數據庫管理的，由于設備安裝信息只在數據改變的時候才進行數據庫存儲操作，并且其間隔周期較長，因此作者設計了dev.db 文件實現安裝信息的存儲管理;由于實時數據信息的更新周期較短，數據庫存儲操作頻繁，并且每天都會有數據的采集和更新，因此作者以每天的日期為單位設計了實時數據庫文件，系統將會獲取當天的日期，并以之為文件名形成數據庫文件進行數據庫操作，例如當天的日期為2007 年2 月8 日，那么數據庫文件名為 2007-02-08.db 。

設備安裝信息和實時數據信息的存儲代碼具有一定的相似性，作者以實時數據信息的存儲代碼為例說明其設計過程，程序流程如下所示:

圖 2 設備安裝信息數據庫存儲程序流程

3.3 數據查詢模塊

實時/歷史數據查詢模塊設計主要就是GetDevKey、DataQueryByRealTime 和DataQuery函數設計。

1. DataQueryByRealTime 函數設計

若用戶輸入的查詢時間段內設備安裝信息沒有改變，GetDevKey 函數會直接返回FALSE，程序接著會調用DataQueryByRealTime 函數查詢實時數據庫文件，設備安裝信息直接從m-devList 結構體鏈表中獲得，函數設計包括如下:

①根據用戶輸入的查詢日期，形成實時數據庫文件如2007-02-09.db，打開實時數據庫。

②構建游標cursor，使用get 方法，以查詢時間為key,flag 標簽為DB_ SET_ RANGE 游標定位到數據庫文件多重記錄的首一記錄。

③遍歷數據庫文件擁有相同 kev 的多重記錄，將data 中傳感器ID 號與用戶輸入ID 號相等的REALDATA 結構體與相應的m devList 鏈表節(jié)點DEVDATA 結構體在列表框控件(CC1istCtrl)中顯示出來。

2. DataQuery 函數設計

若設備查詢時間對應的安裝信息相對于當前時間段己經改變，GetDevKey 函數會返回正確的設備安裝信息查詢時間devKey，這個查詢時間可能跟用戶輸入的傳感器查詢時間不同;程序接著會調用DataQuery 函數，并將這個正確的設備查詢時間devKey、用戶輸入的傳感器實時數據查詢時間realKey、傳感器ID 號strDevID 以及實時數據庫文件名strRealDbName以形參方式傳給DataQuery 函數，其函數設計包括如下：

①打開設備數據庫 dev.db 文件，根據形參strRealDbName 打開實時數據庫文件。

②構建游標 cursor，使用get 方法，分別以devKey 和realKey 為數據庫的key, flag標簽為DB_ SET_ RANGE，游標定位到設備數據庫文件和實時數據庫文件的首記錄。

③遍歷數據庫文件擁有相同key 的多重記錄，若設備數據庫文件記錄的data 中(DEVDATA 結構體)傳感器ID 號與實時數據庫文件記錄的data 中(REALDATA 結構體)傳感器ID 號相等，則將這兩個data 信息在列表框控件(CC1istCtrl)中顯示出來。

4．總結

本文的創(chuàng)新點：分析嵌入式煤礦井上監(jiān)控系統的功能需求，開發(fā)設計了基于Berkeley DB數據庫和Windows CE 的礦場安全系統，實現了窗口登錄、數據采集、系統界面、數據庫存儲、實時/歷史數據查詢、實時曲線顯示等功能模塊，深入討論研究了系統的數據采集方法、數據庫KEY/DATA 對存儲方案及實時/歷史傳感器數據的數據庫查詢策略。在實際生產中工作穩(wěn)定，查詢速度快，達到了預期的設計目標。