（自然地理学专业论文）海底观测网数据库服务器的设计与实现.pdf

摘要 海底观测网数据库服务器作为岸基控制与管理系统的重要组成 部分，是用户与海洋仪器之间的纽带，是整个海底观测网络的数据交 换与存储中心。本文在吸取国内j l - 监测监控系统在数据传输以及管理 方面的经验的基础上，针对海底观测网络实验节点原型的实际情况， 分析了数据库服务器应具备的网络通信、数据解析、数据存储、数据 维护等基本功能。并以此为依据，对数据库服务器进行了设计与实现。 首先j 选用s q l 关系数据库来存储数据，根据海底观测网数据 的特性，将库中数据表设计成“公用表 和“日志表”，公用表主要用来 存储实体相对静态的基本属性信息，日志表则由服务器程序每天定时 动态创建，主要用来存储仪器每天采集的观测数据。 然后，根据数据库服务器的功能需求，对服务器程序进行了设计 与实现。服务器程序由网络通信模块、数据解析与存储模块、数据维 护模块三部分组成。网络通信模块完成了对通信数据包的设计，通过 “一问一答的通信方式、包编号与自定义校验和最大限度保证了通 信过程中数据的完整性，通过w i n s o c k 网络通信机制下的完成端口与 重叠i o 模型高效地实现y , q l 务器与下位机之间的t c p 通信，并编 写了i p 检测函数来防止恶意连接。数据解析与存储模块采用强制类 型转换的方法获取包中的数据，并计算出正确结果，通过a d o 数据 访问机制，实现了各种数据到库中对应日志表的存储。数据维护模块 运用事物和锁的机制来保证数据在维护过程中的一致性与完整性，实 现了数据记录的增、删、改以及数据表的迁移、删除等基本数据维护 操作。 最后，经过水池实验测试，数据库服务器能够同时与多个下位机 进行长时间通信，数据传输过程稳定，数据可完整地存储到数据库中， 达到了预期目标。 关键词：海底观测网；数据库；服务器；套接字；数据维护 i l a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m o fs h o r e s i d es t a t i o n ，t h ed a t a b a s es e r v e ro fs e a f l o o ro b s e r v a t o r yn e t w o r k i sn o to n l yt h el i n kb e t w e e nt h eu s e ra n dm a r i n ee q u i p m e n t s ，b u ta l s ot h e d a t ae x c h a n g ea n ds t o r a g ec e n t e ro ft h ee n t i r es e a f l o o ro b s e r v a t o r y n e t w o r k o nt h eb a s i so fl e a r n i n ge x p e r i e n c e so nd a t at r a n s m i s s i o na n d m a n a g e m e n tf r o mt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma th o m ea n d a b r o a d ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h eb a s i cf u n c t i o n sw h i c ht h ed a t a b a s es e r v e r s h o u l dh a v e ，s u c ha sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，d a t aa n a l y s i s ，d a t as t o r a g e a n dd a t am a i n t e n a n c e ，f o rt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h es e a f l o o ro b s e v a t o r y n e t w o r ke x p e r i m e n t a lp r o t o t y p en o d e a c c o r d i n gt ot h a t ，t h es e r v e ri s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d f i r s t l y , t h es q lr e l a t i o n a ld a t a b a s e i ss e l e c t e dt os t o r ed a t aa n d d a t a s h e e t si nt h ed a t a b a s ea r ed e s i g n e di n t ot w op a r t si n c l u d i n g p u b l i c t a b l e a n d l o gt a b l e t h ep u b l i ct a b l ei su s e dt os t o r er e l a t i v e l ys t a t i c p r o p e r t yo f t h ee n t i t i e sa n dt h el o gt a b l e sw h i c ha r ed y n a m i c l yc r e a t e db y t h es e r v e rp r o g r a ma tt h es p e c i f i e dt i m ee a c hd a yi su s e dt os t o r e o b s e r v i n gd a t ac o l l e c t e db ye q u i p m e n t s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f t h ed a t a b a s e s e r v e r , t h es e v e rp r o g r a mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h es e r v e r o ft h r e em o d u l e s n c l u d i n networkprogram i s c o m p o s e di n c l u d i n g c o m m u n i c a t i o n ，d a t aa n a l y s i s a n d s t o r a g e ，d a t a m a i n t e n a c e t h e c o m m u n i c a t i o np a c k e t sa r ed e s i g n e da n dt h ei n t e g r i t yo ft h ed a t ad u r i n g t h ec o m m u n i c a t i o n p r o c e s s i s m a x i m u m l ye n s u r e db yt a k i n g t h e i i i q u e s t i o n a n da n s w e r m e t h o do fc o m m u n i c a t i o n ，p a c k e tn u m b e ra n d c h e c k s u md e f i n e db yo u r s e l v e s u s i n gc o m p l e t i o np o r ta n do v e r l a p p e d i om o d e lp r o v i d e db yw i n s o c kn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，t h e s e r v e ra c h i e v e st c pc o m m u n i c a t i o nw i t hl o w e rc o m p u t e r se f f i c i e n t l y i n a d d i t i o n ，t h ei pd e t e c t i o nf u n c t i o ni sc o d e dt op r e v e n tm a l i c i o u sl i n k i n d a t aa n a l y s i sa n ds t o r a g em o d u l e ，m a n d a t o r yt y p ec o n v e r s i o ni se n f o r c e d f o rt h ed a t ai np a c k e ta n dt h ec o r r e c tr e s u l ti sg o ta f t e rb e e nc a l c u l a t e d ， a n dt h e nt h er e s u l ti ss t o r e dt ot h ec o r r e s p o n d i n gl o gt a b l ei nd a t a b a s e c o n s i s t e n c ya n di n t e g r i t yd u r i n gt h ed a t am a i n t e n a n c ep r o c e s s a r e e n s u r e db yt h em e c h a n i s mo ft r a n s a t i o na n dl o c k ，a n db a s i cd a t a m a i n t e n a n c eo p e r a t i o n sa r ea c h i e v e ds u c ha st h ea d d i t i o n ，d e l e t i o na n d m o d i f i c a t i o nt od a t ar e c o r d s ，t h em i g r a t i o na n dd e l e t i o nt od a t a s h e e t s ，a n d s oo n f i n a l l y , t h ed a t a b a s es e r v e rc a ns i m u l t a n e o u s l yc o m m u n i c a t ew i t h l o w e rc o m p u t e si nal o n gt i m ea f t e rt h et e s t si np o o le x p e r i m e n t s t h e t r a n s m i s s i o nc o u r s eo ft h ed a t ai ss t e a d ya n dt h ed a t ac a nb es t o r e di n t o t h ed a t a b a s ec o m p l e t e l y t h ea n t i c i p a t o r yt a r g e ti sa c h i e v e d k e yw o r d s ：s e a f l o o ro b s e r v a t o r yn e t w o r k ；d a t a b a s e ；s e r v e r ；s o c k e t ； d a t am a i n t e n a n c e i v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：同鹑为i 口年b 月 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：国旁 日期：wl 口年b 月日 导师签名：狮 日期：小t o 年 乙 月 眵 日 海底观测网数据库服务器的设计与实现 1 1 研究背景与研究意义 1 绪论 海洋以其丰富的生物资源、能源、水资源、矿产资源及其对气候 的调节能力，日益受到人类关注。随着信息技术的飞速发展，综合运 用g i s 、g p s 、r s 及海洋要素自动监控系统等高技术对海洋进行监测 与管理已成为2 0 世纪8 0 年代以来世界各国争相发展的领域1 1 1 。“海洋 开发时代”的来临更是引发了全球性的海洋开发利用热潮和海洋资源 争夺战，海洋已成为人类社会可持续发展的宝贵财富和最后空间，对 海洋进行综合监控与持续观测对人类和社会的发展具有极其重要的 理论和现实意义。海底观测网的建立，不仅为研究地球表面过程的机 理提供了新途径，而且为探索地球深部状况创造了新可能。通过海底 观测平台，我们可以了解到海底的科学现象，观测海底的物理信息、 化学特征以及生物系统的变化情况；通过海底观测平台，我们不仅可 以获得长期、连续的海底观测资料，还能实时了解海底的现状信息， 如即时的温度、流速、溶解氧含量、浊度、离子浓度等；通过海底观 测网平台获得的信息，科学家可以为地震、风暴、海底喷发、藻类勃 发等各类突发事件提前做好应对准型2 1 。海底观测网络的建立，无论 是对于科学研究、海洋环境保护，还是对于海底资源勘探与开发，都 具有十分重要的意义。 我国于2 0 0 7 年正式开启了“8 6 3 计划之“海底长期观测网络试 验节点关键技术”重点项目，其总体目标是：开发深海观测网络关键 技术，并通过与国际已有海底观测网络( 如眦s ) 相接驳的方式， 研制深海观测网络关键设备，实现与国际已有海底观测网络的接并以 及原位实时数据的获取，初步形成深海海底观测网络建设能力，为我 硕士学位论文 国深海海底观测网络的建设奠定基础【3 】。本论文所涉及的研究内容即 为该“8 6 3 ”重点项目背景下的子课题的部分研究内容。数据库服务 器作为岸基控制与管理系统的重要组成部分，是整个海底观测网络的 数据存储中心【4 】，库中的数据是岸基站信息管理子系统进行显示与分 析的基础，也是用户进行查询与下载的前提。 1 2 国内外海底观测网研究现状 1 2 1 国外海底观测网研究现状 欧美诸国以及日本早在2 0 世纪9 0 年代就已经开始了海底观测网 的研究和建设工作【5 】。上世纪末，美国和加拿大开启了海王星 ( n e p i 删) 海底观测网络计划，建立了两个小型光缆观测站作为 该计划的试验平台，一个是维多利亚海底实验网络v e n u s ( v i c t o r i a e x p e r i m e n t a ln e t w o r ku n d e r t h es e a ) ，另一个为蒙特利加速研究系统 m a r s ( m o n t e r e ya c c e l e r a t e dr e s e a r c hs y s t e m ) ，在加拿大蒙特利湾设 立观测站睁引。海王星计划建立了区域的、长期的和实时的海洋监测 平台，实现了不同时空尺度上多学科的测量与研究1 9 。日本于2 0 0 3 年提出了海底实时监测网络计划( a r e n a ) 【1 0 1 ，以提供地震、海洋 学和生物学等信息。英、法、德等国也于2 0 0 4 年启动了欧洲海底观 测网( e s o n e t ) ，针对从北冰洋到黑海不同海域的科学问题，在大 西洋与地中海精选l o 个海区设站建网，进行长期海底观测f l 。类似 的还有美国夏威夷的1 - t 2 0 、新泽西大陆架观测网络计划( n j s o s ) 等 1 2 。为了更好的管理和利用海底观测网收集来的监测数据，各个观测 网系统都拥有相应的岸基站信息管理系统。海底仪器的观测数据通过 光缆上传到岸基站，在岸基站有专门的服务器接收海底上传的数据， 并对数据进行解析、说明与存储。其中较为成熟的是美国蒙特利湾生 物研究协会( m b a r i ) 建立的基于a r c l n f o 平台的“蒙特利湾海洋地 海底观测网数据库服务器的设计与实现 理信息系统”s s d s ( s h o r es i d ed a t as y s t e m ) i t 2 - 1 5 1 。它将各种海洋监 测平台和仪器传送至岸基站的源监测数据进行些预处理，经过处理 后的数据以各种格式存放在分布式数据库中，用户通过网络可以获 取、查询数据并对其进行可视化显示【1 4 1 。 1 2 2 国内海底观测网研究现状 在海洋实时观测研究方面，我国起步较晚。汪品先等提出海底观 测平台已成为继地面与海面、空中遥测遥感之后的第三个观测平台 0 s l 。“十五 期间，福建省“台湾海峡及毗邻海域海洋环境实时立体 监测系统”示范系统项目正式列入国家“8 6 3 ”计划资源与环境领域 重点项目 1 7 1 。随后，广州近海海域综合监控管理信息系统也随之正式 开始设计，其目标为：建立“四位一体”的海洋信息化平台，实现广 州海洋数据采集及动态监控、海洋规划、海洋执法、海洋资源和环境 保护、海洋信息预报、灾害预警与防治等方面的应用【2 1 。2 0 0 2 年1 月， 我国第一个海洋环境立体监测系统在上海初步建成。该系统是一个以 上海为中心，覆盖长江三角洲濒临海域的区域性海洋监测系统，实现 了对上海及其邻近海区海洋环境的实时监测，为上海地区发展海洋经 济、保护海洋环境、减轻海洋灾害损失提供海洋环境信息服务【1 8 】。2 0 0 9 年6 月，同济大学建立了中国第一个海底综合观测试验站东海海 底观测小衢山试验站。试验站由海洋登陆平台及控制和传输模块、1 1 千米海底光电复合缆、基站( 包括特种接驳盒、外接a d c p 、c t d 、 o b s 多种仪器等) 组成，该试验站实现了能源的长期自动分配供应、 仪器的控制、数据的实时采集、网络传输与可视化管理，与此同时， 还初步研制出一套包括数据接收、监视和管理的可视化信息系纠1 9 1 。 1 3 海底观测网络基本结构 在深海海底观测网络中，观测数据由传感器及观测仪器采集获 硕 位论文 得。海底传感器、观测仪器等设备通过海底光纤与节点连接起来组成 子网，各个子网再通过海底光纤主干网把数据传输到岸边基站，岸基 站同时与多个节点相连接，构成整个海底观测网络( 图1 - 1 ) 。在海底 观测网的岸基站监控中心里，数据库服务器负责与下位机通信以获取 传感器和观测仪器采集到的数据，并负责将数据完整地存放到数据库 中，以供海底观测网络的其他用户和管理系统( 如岸基站信息管理子 系统) 使用，整个海底观测网的通信系统主要是采用基于t c p 九p 协 议的光纤以太网来构成i i 。 舔袅： 光 j 纤 、以 、点 1 4 主要研究内容 ，_ s - 4 8 5 | | o 妒瓤r s 穸4 8 5 、阻 光 纤 以 太 网 光 纤 以 j 太， 耐， 岸基站瓶控中心 幽1 i 海底现测网络示意陶 针对网络中海底观测数据的传输、存储与维护等问题，本文对海 底观测网岸基站数据库服务器进行了设计和编程实现，本文的主要研 荔土 嗡 海底观测网数据库服务器的设计与实现 究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 海底观测数据库的初步设计。将海底观测数据库中的表( 不 包括系统表) 设计成存储实体基本信息的公用表和实际观测数据的日 志表两部分。 ( 2 ) 数据通信的设计与实现。采用完成端口和重叠i 0 实现网 络通信模型的搭建，在此基础上实现与下位机之间的数据收发操作。 ( 3 ) 数据解析与存储模块的设计与实现。将完整收到的数据按 照各自特定的公式解析，并依据其时间信息存储到数据库对应的日志 表中。 ( 4 ) 数据维护模块的设计与实现。为了防止数据库无限膨胀， 实现对数据表的迁移操作。同时可对一些公用表的基本资料进行直观 的修改。 ( 5 ) 海底观测网络数据库服务器的测试试验。测试服务器在长 时间不问断条件下的连接、收发及存储数据的情况。 硕七学位论文 2 主要技术及开发工具介绍 2 1 数据库服务器开发方式选择 服务器程序与下位机的通信方式与通信协议选择是数据传输的 前提。目前，国内不少学者研究了监测监控系统中进行数据通信所采 用的方式及协议，如李秀红等开发了基于g p r s 和s m s 技术的嵌入 式无线远程环境监测系统，采用基于t c p i p p p p 协议的无线传输模 块，实现了无线远程环境监测系统中多传感器的数据收发功能【2 0 1 ；吴 文佳等在基于t c p i p 、h 3 2 4 通讯协议的基础上，编码实现了污水图 像数据的传输【2 l 】；王锐刚等研制了基于t c p i p 网络控制的公路交通监 测系统，利用光纤网络将车辆违章信息实时上传到集成服务器【2 2 】；耿 新杰等在黄河险情监测系统中，采用符合t c p i p 协议标准的数据通信 接口实现与“数字黄河”其它系统的数据通信【2 3 】；杨冰林在车载监控 系统中心服务器开发过程中，采用t c p i p 协议实现与车台的通信以获 取g p s 信息及车辆c a n 信息【2 4 】；王瑞彪也指出了网络游戏在计算机网 络中传输游戏数据时使用的具体协议为t c p i p 协议【2 5 1 ，国家海洋局也 提出各网络节点局域网应使用t c p i p 协议进行数据之间的交换1 2 6 1 。 因此，服务器程序在设计时以t c p i p 协议为基础进行网络通信，由于 t c p i p 协议中u d p 协议不保证接收端一定能接收到发送的数据，在海 底观测网数据库服务器的数据交换通信中，为了保证数据传输的完整 性和可靠性，不宜采用u d p 协议来进行通信，而应采用t c p i p 协议中 的具有可靠保证的t c p 协议阳。在通信方式上，采用w i n d o w s 环境下 的标准网络编程接v w i n s o c k 进行网络通信。 为了保证上传数据能在最短的时间处理完，并且保证代码的可重 用及可靠性，在编程语言上选择v i s u a ls t u d i o 中效率最高的面向对象 海底观测网数据库服务器的设计与实现 语言v c + + n e t 来进行服务器端程序的开发【2 8 1 。海底观测数据量十 分庞大，同时数据库系统必须要能支持其模式及内容的改变，以促进 新的应用要求1 2 9 1 ，因而在数据库的选择上，采用大型关系数据库s q l s e r v e r 数据库来进行数据的存储与设计；在数据库的访问方式上，选 用当前微软所支持的对数据库进行操作最有效和最简单直接的a d o 数据访问机n t 3 0 j 。 2 2 开发平台与工具介绍 2 2 1v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 3 开发平台 v i s u a ls t u d i o 是一套完整的开发工具集，包括公共语言运行库、 统一编程类、a s e n e t 三大主要部分，用于生成a s e n e tw e b 应用 程序、x m lw e bs e r v i c e s 、桌面应用程序和移动应用程序。v i s u a l s t u d i o 平台下的主要开发语言有v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、v i s u a lc j 6 和v i s u a l 肼，这些语言全都使用相同的集成开发环境( i d e ) ，这样 可以十分方便地共享工具和创建混合语言解决方案，同时，通过该平 台下的n e tf r a m e w o r k 框架可简化a s pw e b 应用程序和x m lw e b s e r v i c e s 的开发。 本文所实现的程序都是用该平台下的v i s u a lc + + 语言进行开发。 m i c r o s o f tv i s u a lc + + n e t 为使用者提供了强大和灵活的开发环境， 它是微软推出的用于创建高性能w i n d o w s 应用程序的最佳语言，被 称为所有开发语言及工具中的“旗舰 。v i s u a lc + + 提供了许多有助于 对应用程序进行编码的重要库，其中包括支持w i n d o w sa p i 用于创建 各种w i n d o w s 应用程序的c + + 类郴c 基础类库、用于c o m 对象 的基于模板的c + + 类一a = r i 活动模板库等【2 引，除常规的图形用户界 面应用程序外，v i s u a lc + + 还允许开发人员生成w e b 应用程序、基 于w i n d o w s 的智能客户端应用程序以及适用于瘦客户端和智能客户 硕士学位论文 端移动设备的解决方案。其面向对象的思想使得模块化的代码维护更 加简单、可扩充性更强、可重用性更好、执行效率更高。这也使得 c + + 成为世界上最流行的系统级语言，而v i s u a lc + + 则为开发人员提 供了生成软件的世界级工具【3 。 2 2 2s q ls e r v e r 关系数据库 s q ls e r v e r2 0 0 0 是微软推出的一个关系数据库管理系统，它支 持对称多处理器结构、存储过程、o d b c ，并具有自主的s q l 语 言( 结果化查询语言) ，能在各个操作平台下面良好运行。它不仅具 有使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成程度高等优点，而且其强 壮的事物处理功能可保证数据的完整性1 3 2 1 。同时s q ls e r v e r2 0 0 0 全 面扩展了s q ls e r v e r7 0 的性能可靠性和易用性，使它成为一个杰出 的数据库平台，可用于大型联机事务处理数据仓库及电子商务等1 3 3 1 。 本文设计的海底观测数据库，在实际使用过程中会不间断地进行数据 交换和数据存储，对数据的可靠性、数据的可维护性要求都很高。因 此，选择s q ls e r v e r2 0 0 0 作为海底观测数据存储的平台。 2 2 3a d o 数据库访问技术 a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) 是微软提供的一种面向对象、与 语言无关的应用程序层接口，用以实现访问关系或非关系数据库中 的数据，其基本思想是用一种编程方法检索任何地方的任何数据。 作为建立在o l e d b 上层的应用模型，a d o 对o l e d b 的接口作了 封装，定义成a d o 对象，是对当前微软所支持的数据库进行操作的 最有效和最简单直接的方法，它是一种功能强大的数据访问编程模 式，从而使得大部分数据源可编程的属性得以直接扩展到a c t i v e s e r v e r 页面上。其易于使用、速度快、内存耗费少、可扩展性强的特 点使之成为微软整个c o m 战略体系中访问数据源组件的首选1 3 4 1 。 海底观测网数据库服务器的设计与实现 在v c + + n e t 环境下使用a d o 的步骤如下： ( 1 ) 引入a d o 库文件：使用a d o 前必须在工程的s t d a f x h 头文件里用直接引入符号# i m p o r t 引入a d o 库文件，以使编译器能 正确编译。具体语句如下： # i m p o r t ”c ：p r o g r a mf i l e s c o m m o nf i l e s s y s t e m a d o m s a d 0 1 5 d l l ”n o _ n a m e s p a c e r e n a m e ( ”e of f t ，”r s e o f ”) 这行语句声明在工程中使用a d o ，但不使用a d o 的名字空 间，并且为了避免常数冲突，将常数e o f 改名为r s e o f 。现在不 需添加另外的头文件，就可以使用a d o 接口了。 ( 2 ) 初始化o l e c o m 库环境：a d o 库是一组c o m 动态库， 这意味应用程序在调用a d o 前，必须初始化o l e c o m 库环境。 在m f c 应用程序里，比较好的方法是在应用程序主类的 i n i t l n s t a n c e o 成员函数里初始化o l e c o m 库环境。 ( 3 ) 使用a d o 接口：a d o 库包含三个基本接口， c o n n e c t i o n p t r 接口、c o m m a n d p t r 接口和r e c o r d s e t p t r 接口。 c o n n e c t i o n p t r 主要是一个连接接口，取得与数据库的连接，它的 连接字符串可以是自己直接写，也可以指向一个o d b cd s n ； c o m m a n d p t r 接口返回一个r e c o r d s e t 对象，它提供了一种简单 的方法来执行返回记录集的存储过程和s q l 语句； r e c o r d s e t p t r 是一个记录集对象，与以上两种对象相比，它对记录集提供了更 多的控制功能，如记录锁定，游标控制等。 2 2 4w i n d o w s 网络通信技术 网络通信即把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备 用通信线路互联成一个规模大、功能强的网络系统，从而使众多的计 算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。 在w i n d o w s 环境下进行网络通信可使用其提供的w i n s o c k 接口实现。 硕士学位论文 w i n s o c k 是w i n d o w s 下独立于协议的网络编程标准a p i ( 应用编程接 口) ，在m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统类中使用，主要用于网络中的 数据通信。它在b e r k e l e y 接口函数的基础之上增加了基于消息驱 动机制的w i n d o w s 扩展函数，允许两个或者多个应用程序在同一台 机器上，或者通过网络相互交涮3 5 1 。w i n s o c k 通过s o c k e t 套接字来实 现通信的功能，当应用程序创建了一个套接字后，就能够获得这种机 制提供的网络服务功能。对于服务器来说，它提供了侦听网络的连接 请求；对于客户端来说，它可以连接到一个给定的主机和特定的端口 e 。 海底观测网数据库服务器的设计与实现 3 服务器需求分析与总体设计 3 1 数据库服务器需求分析 数据库服务器是用户与海洋仪器之间的纽带。一方面，服务器程 序担负着与海洋观测仪器的数据交换，将仪器上传的数据接收、解析 并且存储到指定的数据表里面；另一方面，还为用户提供远程访问的 接口，用户通过对各类子系统数据表和状态信息表的查询可以及时了 解海洋物理、化学等方面的信息。 总体说来，数据库服务器必须具有以下功能。 ( 1 ) 数据存储。服务器的最大任务是接收仪器观测到的海底数 据，并将这些数据存储下来，这些存储不是零散的，而是有组织、有 次序的。本项目选择s q l 数据库来存储数据，这就不可避免的要对 数据库进行设计，以便将海底观测数据完整地存储到正确的地方，这 就要求在数据库中有对应的数据表来存储不同类型的数据。 ( 2 ) 数据通信。数据库服务器要接收海底观测仪器通过光缆上 传的数据，必须具有网络通信的功能。数据通信部分要能够达到以下 要求：同时处理多个网络连接；对每个连接进行口判断；保证通信 数据的完整；能够正确收发数据；能够转发控制指令。 ( 3 ) 数据解析与入库。仪器上传的数据可能是采集到的“源数 据 ，服务器程序必须要区分不同类别的数据，然后经过相应的公式 换算得到用户“可理解”的数据，再将这些数据依据各自的时间信息 存储到数据库指定的数据表里面。数据解析与入库部分要实现下述功 能：解析物理子系统的a d c p 数据包、c t d 数据包、a d v 数据包和 仪器状态信息数据包；解析化学子系统的电导类数据包、阴离子数据 包、化学观测数据包和标准曲线数据包；解析能源子系统数据包；解 硕上学位论文 析控制指令数据包；存储各类上传数据；存储每个数据包的编号；存 储日志表创建信息；记录每一次指令操作。 ( 4 ) 数据维护。海底观测数据源源不断的上传到服务器，数据 库也会不断的变大，为了防止数据库的无限膨胀，影响服务器的效率， 必须定期对数据库进行维护。数据维护部分需要实现以下功能：数据 记录的增加、删除、修改等操作；数据表的迁移与删除；从程序界面 上直观地实现数据库的创建、附加与分离等操作。 3 2 数据库服务器总体设计 根据上述需求分析，数据库服务器的设计包括两部分内容。 第一部分为数据库，该部分需对数据库中的表进行设计，使之能 够存储下海底观测网中需保存的实体属性数据、观测数据、运行状态 数据、控制数据、供能数据等，数据表要如实反映海底观测网中的实 体信息。 第二部分是数据库服务器程序部分，该部分由通信、解析与存储、 数据维护三个模块组成( 图3 - 1 ) 。通信模块负责w i n d o w s 网络通信 部分的工作，包括接受下位机的连接、接收数据、向下位机发送返回 信息和转发指令等；解析与存储模块负责将数据解包，并按照包的信 息存储到数据库指定的数据表里；维护模块则负责对数据库中公用表 的记录的增、删、修改以及日志数据表的迁移、删除等基本维护操作。 服务器程序的总体工作流程设计如下：当控制模块或者处在子系 统端的下位机与服务器进行信息交互时，需先连接服务器，服务器确 认连接合法之后，才允许进行数据的传输。服务器接收下位机上传的 数据包，然后对数据进行解析，若收到的数据为控制数据，则提取该 控制指令并转发到子系统下位机，同时将该指令及指令转发的时间记 录到数据库中，指令转发成功，返回成功信息给控制模块；若收到的 数据为非控制数据，则将该数据存储到数据库对应的观测日志表中。 海底观测网数据库服务器的设计与实现 当数据库中的数据达到一定的容量或者需要对数据库的公用表进行 某些修改时，则调用服务器的数据维护模块实行相关的维护操作。 图3 = i 数据库服务器总体架构图 子系统 控制 模块 数 据 库 服 务 器 注：图中子系统与控制模块不属于数据库服务器。物理子系统负责海洋物理数据的监测， 化学子系统负责海洋化学数据的监测，能源子系统负责整个海底观测网络能源( 电能) 供给， 这三个子系统的相关数据都会上传到服务器。控制模块向服务器程序发送控制指令，再由数 据库服务器转发到下位机 硕士学位论文 4 海底观测数据库初步设计与实现 长期、连续的海底观测数据是研究发现海底科学规律的重要支撑 条件，对这些数据的长期有效地保存是十分重要的【3 6 1 ，尤其在系统运 行的状态下，海底观测网络中的数据将源源不断的“海量 汇集到服 务器，对海底观测网的数据库进行设计，将这些数据完整的存储下来 就显得十分必要。数据库的设计是整个数据库服务器的基础，数据库 不设计好，服务器程序也就无法正常使用。 4 1 海洋数据特点 海洋信息与陆地信息差异较大，海洋数据具有如下特点f 3 7 。3 8 】： ( 1 ) 直接获取难度大。我国拥有辽阔的海域面积和丰富的海洋 资源，但海洋环境复杂，海洋相关数据的采集难度大，为此国家将铺 设“海底长期观测网 ，在深海底布施若干结点，放置传感器，实现 对海洋数据的采集和传送，为海洋研究提供大量可靠的数据。 ( 2 ) 信息多样性。海底观测网岸基站信息管理系统中涉及到的 数据包括基础地图数据、站点数据、海底观测网采集的监测数据、元 数据，以及系统的用户信息等。 ( 3 ) 变化尺度大。海洋现象的动态变化相对陆地是剧烈的，如 瞬时变化的海啸、火山，季节变化的潮流以及百万年的地质构造，且 这种动态变化是全局的，海洋现象每时每刻全区域都是变化的，因而， 仪器采集和上传的海底数据也会时刻变化。 ( 4 ) 海洋边界信息的模糊性。如领海界线、大陆架、海岸线、 经济专属区等界限不是十分清晰。 ( 5 ) 海底信息的复杂性及海水动态性。海洋现象不但空间上是 动态的，时间上也是动态的，更多的是时空互动。海底观测网采集的 数据必然是与特定的时间和空间联系在一起的。系统中必须表达属 海底观测网数据库服务器的设计与实现 性、时间和空间相互交杂的动态状况，充分体现海洋的多维特性。 ( 6 ) 海洋地理信息在数据标准、格式、精度、采样密度、分辨 率及定位精度方面均有特殊需求。许多海洋相关部门所获的数据粗细 差别大；采样密度方面，有些以秒为单位，也有些是按天统计的数据。 在此海底观测网中，传感器采集的数据在采样密度和定位精度上是一 致的，都是由若干结点上的传感器间隔一定时间向基站上传数据。 4 2 海底观测数据描述 根据本项目研究中海底观测网实验节点原型的实际情况j 按照获 得数据的来源，海底观测网数据库中的数据可以描述为物理子系统数 据、化学子系统数据和能源子系统数据。 4 2 1 物理子系统数据 物理子系统数据可描述为物理观测数据和物理子系统运行数据。 在项目研究的现阶段，获得物理观测数据的仪器有a d c p 、a d v 和c t d 三种。其中a d c p 仪器获得的是n 个深度单元上的流速剖面 以及温度信息，要将该信息完整描述，需记录下仪器的仪态数据、深 度单元数据、温度数据、四个不同方向上的速度数据、相关系数数据、 回声度数据、以及数据可靠性数据；a d v 仪器获得的是某一深度的 线速度以及温度信息，对该信息的描述包括采样频率、仪态数据、深 度、温度、东西方向流速、南北方向流速、上下方向流速以及各个方 向上的相关系数；c t d 仪器观测到的有温度数据、电导数据、压强 数据、溶解氧数据、浊度数据和第二温度数据。 物理子系统运行数据包括仪器状态信息和控制指令及其响应值 两部分。仪器的状态信息有电压值、仪器温度值、s d 卡状态、串口 状态、仪器数据是否可读、仪器模式状态、仪器错误信息等。控制指 令包括仪器开启指令、仪器关闭指令、数据上传指令、模式更换指令 以及状态查询指令。要将物理运行信息完整地描述，就必须记录并存 硕士学位论文 储下这些指令数据及各自的响应值。 4 2 2 化学子系统数据 化学子系统数据可描述为化学观测数据、化学电导类数据、化学 阴离子数据以及标准曲线数据。对化学观测数据的描述包括 d a t a l o g g e r 温度、d a t a l o g g e r 电压、p h 值、p h 值电压、硝酸盐浓度、 硝酸盐浓度电压、叶绿素浓度、叶绿素浓度电压、甲烷浓度、甲烷浓 度电压、溶解氧浓度、溶解氧浓度电压、溶解氧温度和溶解氧温度电 压；对化学电导类数据的描述包括电导池电导、抑制器电流、分析状 态值、电器仓温度、油压仓温度、流路压力以及各个阴离子对应的原 始电导值；对化学阴离子数据的描述包括f 。、b r 、c i 、n 0 3 、s 0 4 2 、 p 0 4 3 等；对标准曲线的描述包括系统温度、系统压力、各种离子各自 的出峰相对时间、标准浓度、峰的面积等。 4 2 3 能源子系统数据 能源子系统的数据描述的是为整个海底观测网络提供电能支持 的能源信息。对该子系统数据的描述包括化学子系统电压、化学子系 统电流、物理子系统电压、物理子系统电流、工控机电压、工控机电 流、工控机温度、漏水系统检测、摄像系统电压、摄像系统电流、高 压转中压系统输出电压、高压转中压系统输出电流、高压转中压系统 温度及单片机温度。 4 3 海底观测数据库初步设计与实现 参考m i c h a e lg o d i n 对蒙特利湾数据系统的介绍【3 9 】，j o h ng r a y b e a l 关于m b a r i 数据的管理措施 4 0 1 ，k e n tl h e a d l e y 等关于海洋观测 传感器元数据的管理方法【4 1 1 ，在吸取国外已建成的海底观测系统对数 据的管理的经验上，针对目前海底观测网实验节点原型的实际情况， 在进行数据表的设计时充分依据上述海底观测数据的描述，将数据库 中的数据表设计成公用表和日志表两部分。公用表用来存储“相对静 海底观测网数据库服务器的设计与实现 态的数据，如实体的d 、名称、项目属性等基本信息，日志表则 每天定时产生的，用来存储海底观测仪器上传的数据。 4 3 1 数据库e r 图绘制 对数据库进行设计首先需构建概念模型，而e r 图为概念模型提 供了图形化的表示方法，e r 图用实体关系来描述现实世界，实 体用矩形表示，属性用椭圆表示，属性通过直线与表示实体的矩形相 连，联系则表示为菱形。 在海底观测数据库中需表达出三类实体信息：传感器、子系统、 接驳盒( 即节点) 。在进行数据表设计之前，需先绘制出这些实体的 e r 图( 图4 1 ) 。 图4 - l海底观测嗍e r 图 实体接驳盒( 即节点) 的属性有：节点i d 、节点名称、经纬度 地理坐标和深度，每个节点i d 都是唯一的，因此以节点i d 作为唯一 标识。实体子系统的属性有：子系统i d 、子系统i p 地址、子系统名 称、子系统类型，以子系统i d 作为唯一标识。传感器的属性有：传 感器i d 、传感器名称、监测项目，其中监测项目视传感器不同而各 不相同，以传感器d 为唯一标识。一个接驳盒包含多个子系统，一 个子系统包含多个传感器，因而接驳盒与子系统是一对多的关系，子 系统与传感器也是一对多的关系。