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江浩晨

[摘要]發(fā)電車是空調(diào)旅客列車的能源中樞。介紹發(fā)電車監(jiān)測系統(tǒng)的功能和主機結(jié)構(gòu)及要求，接著對Windows cE.NetT~I]SQL Server CE做簡單介紹，然后討論說明其在系統(tǒng)中的應(yīng)用方法，同時以Visual Studio.NET編程環(huán)境下的c#語言為例，介紹基于該應(yīng)用環(huán)境的設(shè)計和編程方法，最后通過應(yīng)用測試結(jié)果，表明該系統(tǒng)達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]發(fā)電車嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TP3文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0210036－02

一、引言

發(fā)電車是空調(diào)旅客列車的能源中樞。發(fā)電車監(jiān)測系統(tǒng)由于要安裝在運行著的發(fā)電車上，因此對系統(tǒng)的軟件硬件都需要符合車載系統(tǒng)的特殊要求。由于主機硬件運行在存在較大震動的惡劣環(huán)境下，要求硬件不能有風(fēng)扇和旋轉(zhuǎn)式的硬盤這些基本要求，因此硬件性能不可能很高，而主機對通訊、數(shù)據(jù)存儲、顯示又有很高的穩(wěn)定性與實時性要求，因此需要一種實時、高效的嵌入式平臺支持。本文先介紹發(fā)電車系統(tǒng)的應(yīng)用軟件平臺需求，然后討論Windows CE.NET嵌入式系統(tǒng)在本系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性與應(yīng)用編程方法，接著對SQL Server CE在本系統(tǒng)中的可行性和編程方法進行了探討研究。

二、發(fā)電車監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件需求

(一)系統(tǒng)功能

監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測與發(fā)電機組運行相關(guān)的參數(shù)，按秒記錄入數(shù)據(jù)緩存，自動計算累計開機時間和累計電能，按設(shè)定時間間隔(默認(rèn)15分鐘)記錄到數(shù)據(jù)庫。對所有監(jiān)測的參數(shù)均可設(shè)置上下限，參數(shù)超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值時立即報警，并將事件點前后各20秒的數(shù)據(jù)存儲到日志文件和數(shù)據(jù)庫中。

系統(tǒng)使用LCD彩屏顯示，圖形化展示各項參數(shù)和開關(guān)量狀態(tài)，報警時以醒目方式顯示報警參數(shù)狀態(tài)。系統(tǒng)在GPRS網(wǎng)絡(luò)允許的情況下，隨時向地面系統(tǒng)發(fā)送完整實時數(shù)據(jù)。

要求保存近1年內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，隨時可以通過u盤導(dǎo)出指定數(shù)據(jù)。在需要時可以與地面服務(wù)器進行數(shù)據(jù)庫同步操作，以便做進一步的分析挖掘。[1]

(二)主機結(jié)構(gòu)及運行環(huán)境

發(fā)電車監(jiān)控系統(tǒng)通過485總線，與各遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊通信，獲取實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存儲、分析、報警和顯示等操作。其主機功能結(jié)構(gòu)如圖1所示：

該主機為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲與顯示等操作。主機安裝在運行中的發(fā)電車中，由于工況的需求，主機密封無風(fēng)扇，存儲使用工業(yè)級cF卡。其中單板機與GPS模塊及GPRS模塊的通訊都是通過獨立的Rs一232接口。

(三)軟件系統(tǒng)平臺要求

因以上需求，要求系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，較小的系統(tǒng)核心，較快的啟動和運行速度，需要有友好的人機交互界面，且要求可以進行多線程多端口的串口通信(本系統(tǒng)使用4個串口)。

另外要求編程和維護盡可能方便。

(四)數(shù)據(jù)存儲要求

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲分為日志文件存儲和數(shù)據(jù)庫存儲。其中，數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)主要用于簡單快速的檢索。數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)量根據(jù)設(shè)計，每年150M左右，循環(huán)清除。界面操作中包括查詢在內(nèi)的各項數(shù)據(jù)庫操作不能有明顯延遲。

三、Windows CE.NET的在系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

(一)Windows CE.NET系統(tǒng)介紹與討論

Windows CE.Net是Windows CE 3.0的后續(xù)產(chǎn)品，它是一個功能強大的實時嵌入式操作系統(tǒng)，由于有眾多強大工具支持，用戶利用它可以快速開發(fā)出下一代的智能化小體積連接設(shè)備。借助于完善的操作系統(tǒng)功能和開發(fā)工具，Windows CE.Net提供了構(gòu)建、調(diào)試和部署基于Windows CE.Net的定制設(shè)備所需的一切特性。Windows CE.Net的最大好處是具有可定制性。當(dāng)它自帶的驅(qū)動程序不能滿足用戶的要求時，需要用戶自己編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序。Windows CE.Net的開發(fā)工具Platform Builder就可以完成系統(tǒng)的定制和相應(yīng)的驅(qū)動程序開發(fā)。[2]根據(jù)Windows CE.Net的特性，其嵌入式系統(tǒng)的各種特性非常適合發(fā)電車監(jiān)測系統(tǒng)。

(二)編程方式

本系統(tǒng)使用Windows CE.NET 4.2，操作系統(tǒng)支持Microsoft.NETCompact Framework，系統(tǒng)編程軟件使用微軟的VisuaStudio.Net 2003(也可使用更高版本，如2005版，但聯(lián)機方式會有所不同)，編程使用c#語言。

安裝Windows cE.NET Utilities v1.1 for Visual Studio.NET20031具包后，可通過以太網(wǎng)方式，將編程開發(fā)的Pc機與運行WindowscE.NET 4.2的主機設(shè)備進行連接，直接進行聯(lián)機編程和調(diào)試。由于有.NETFramework的支持，使得用嵌入式環(huán)境下的c#編程方法和桌面機程序基本一致，作為嵌入式應(yīng)用，其支持的Microsoft.NET Compact Framework是精簡版的，支持的組件比標(biāo)準(zhǔn)版少一些。

在系統(tǒng)軟硬件定制時，設(shè)計有4個串口，1個用于與GPS設(shè)備通訊(Rs一232)，1個與GPRS設(shè)備通訊(RS-232)，另兩個與485總線上的設(shè)備通訊。每個串口設(shè)備都在不同線程中獨立打開和通訊，串口調(diào)用API接口函數(shù)CreateFile打開，同樣調(diào)用API函數(shù)ReadFile和WriteFile來對串口進行數(shù)據(jù)讀取和寫入。

主機系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

軟件用面向?qū)ο蠓椒?，封裝各個功能模塊，并在不同線程中同步運行[3]。其中主要分兩個采集數(shù)據(jù)的通信模塊，和4個讀取數(shù)據(jù)的后期數(shù)據(jù)處理模塊。

其中，實時數(shù)據(jù)實例為一個數(shù)據(jù)緩存類的實例，為程序的數(shù)據(jù)核心[4]。在對其讀取和寫入過程中會發(fā)生各個線程間的并發(fā)沖突問題。因此在可能并發(fā)出現(xiàn)的程序代碼段使用以下代碼控制：

System.Threading.Monitor.Enter(對象1)：／／防止沖突加鎖

try

{

／／需要防止并發(fā)沖突的代碼段

………………

)

finally

{

System.Threading.Monitor.Exit(對象1)：／／防止沖突解鎖

)

在需要防止并發(fā)沖突的代碼開始的地方使用System.Threading.Monitor.Enter方法在指定對象上加排他鎖，完成后再System.Threading.Monitor.Exit方法解鎖，以防止此并發(fā)問題的出現(xiàn)[5][6]。

四、SQLCE在系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

(一)SOLCE介紹與應(yīng)用討論

SOL Server cE是用作快速開發(fā)的關(guān)系型精簡數(shù)據(jù)庫，它將企業(yè)級數(shù)據(jù)管理能力擴展到了基于Windows cE操作系統(tǒng)的嵌入式移動設(shè)備上。本系統(tǒng)使

用Visual Studio.NET編程，通過.NET Compact Framework支持下的ADO.NET技術(shù)訪問操作SOL Server cE 2.0數(shù)據(jù)庫。

SOL Server cE提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問和合并復(fù)制功能，在需要的時候，可以實現(xiàn)與SQL Server服務(wù)器同步。本系統(tǒng)在正常使用情況下不需要使用這項功能，但這個功能使得本系統(tǒng)具有良好的擴展性。

(二)SOL Server CE編程方法

數(shù)據(jù)庫設(shè)計好后，在項目中添加對System.Data.SqlServerCe組件的引用，可以編程實現(xiàn)對SQL Server cE的各項操作。以下以c#語言為例實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的連接準(zhǔn)備[7][8]：

SqlCeConnection DBConnection；

／／數(shù)據(jù)庫連接

SqlCeCommand DBComand；

／／命令對象

DBConnection＝new SqlCeConnection(AConnectStrings)：／／通過連接串字符定義連接

DBCommand＝new SqlCeCommand()：

DBComand.Connection＝DEConnection；

由于程序中有多個線程同時運行(如圖1，至少有3個主要模塊在獨自的線程中對數(shù)據(jù)庫有讀寫操作)，而SQL Server CE2.0只支持單進程單線程的讀寫操作，因此對數(shù)據(jù)庫操作同樣需要進行防止沖突的代碼保護，以下以c＃語言為例，對數(shù)據(jù)庫提交一個SQL命令，做一個刪除一個臨時表的操作：

System.Threading.Monitor.Enter(this)：／／防止沖突加鎖

try

{

DBConnection.open()；

DBCommand.CommandText＝“drop table tabletemp”：

int Result＝DBComand.ExecuteNonQuery()：／／通過Result獲取操作影響到的行數(shù)

}

catch(Exception E)

(

／／此處進行錯誤處理

)

finally

(

DBConnection.Close()：

System.Threading~Monitor.Exit(this)：／／防止沖突加鎖后解鎖

)

在實際運行中，因SQL Server CE的單線程訪問特性，數(shù)據(jù)庫操作類被編程封裝，并在系統(tǒng)中僅創(chuàng)建一個實例，多個線程可以并發(fā)調(diào)用。以上代碼在實踐中證明，在多線程并發(fā)調(diào)用訪問時，運行穩(wěn)定。

在停機維護時，可能需要與地面服務(wù)器中的SOL Server數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)同步，可以使用RSQL Server cE自帶的emote Data Access(RDA)對象，它為Windows cE應(yīng)用程序訪問遠(yuǎn)程的SQL Server數(shù)據(jù)庫提供了一種簡單的訪問方式。使用其Push方法，可以將保存在Windows cE.NET上的數(shù)據(jù)直接寫人到遠(yuǎn)程的SQI Server數(shù)據(jù)庫中，使用Pull方法，可以將遠(yuǎn)程的SQL Server數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)下載到Windows cE.NET中的SOL Server cE數(shù)據(jù)庫中，這樣就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和同步。[9]

(三)SOL Server CE在發(fā)電車監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

本發(fā)電車監(jiān)測系統(tǒng)通過串口通信，實時獲取各遠(yuǎn)程測量模塊的測量數(shù)據(jù)，并記錄在一個緩存實例中，通過界面模塊實時在屏幕上顯示當(dāng)前各項參數(shù)，并通過人工觸發(fā)方式記錄數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫，同時通過界面操作，對系統(tǒng)進行設(shè)置以及對數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)的查詢：通過數(shù)據(jù)庫存儲模塊，按設(shè)置定時記錄實時參數(shù)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫；通過事件報警分析模塊判斷報警，并記錄到數(shù)據(jù)庫；通過GPRS通訊模塊實現(xiàn)與地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

而SQL Server cE 2.0作為一個嵌入式數(shù)據(jù)庫，在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，不可能記錄海量數(shù)據(jù)，并進行大數(shù)據(jù)量的檢索查詢或其它操作，否則會造成系統(tǒng)運行效率下降或不穩(wěn)定，因此優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和優(yōu)化數(shù)據(jù)量在本系統(tǒng)設(shè)計中也很重要。

五、應(yīng)用測試結(jié)果

本發(fā)電車監(jiān)測系統(tǒng)，在Windows cE.NET~I]SQL Server cE的平臺基礎(chǔ)上完成開發(fā)，并進行了實際的裝車測試，比較其他同類產(chǎn)品有以下優(yōu)點：

1、系統(tǒng)穩(wěn)定：嵌入式平臺加上.NET Compact Framework的支持，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性很高，同時，由于對多線程操作的保護較好，使多線程操作更具有高效性和穩(wěn)定性。

2、運行效率高：4個串口與各模塊設(shè)備通訊，平均單次輪詢時間為0.5s，低于系統(tǒng)要求的1s的時間間隔。由于嵌入式系統(tǒng)占資源較小，程序響應(yīng)速度很快。SOL Server CE存儲數(shù)據(jù)效率高，查詢速度也很快，操作中無明顯延遲現(xiàn)象，數(shù)據(jù)安全性好。

3、界面友好：Windows cE.NET的圖形界面友好，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的程序也有同樣的優(yōu)點。

4、系統(tǒng)擴展性強：在需要時，可將數(shù)據(jù)通過SQL Server CE的同步功能，將車載主機中的數(shù)據(jù)直接同步到地面機SQL Server數(shù)據(jù)庫，用于進行進一步的數(shù)據(jù)分析與挖掘。

六、結(jié)論

本文研究討論了發(fā)電車監(jiān)測系統(tǒng)中使用Windows cE.NET和SQL Serverce的可行性以及其使用及編程方法，并用應(yīng)用測試結(jié)果證明該平臺下開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)完全可以達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。該系統(tǒng)中使用到的軟件技術(shù)都是目前市場上較為成熟的技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸擴大，在鐵路系統(tǒng)的其它信息化建設(shè)中也將發(fā)揮重要作用。