（地球探测与信息技术专业论文）基于j2ee的嵌入式设备远程监控技术研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 本文以制造企业生产中的设备监控系统为研究对象，分析了目前网络化制 造系统模式存在的不足，在此基础上提出适用于中小型制造企业的嵌入式设备 远程监控系统的设计思想。研究基于j 2 e e 平台建立设备的远程监控系统，服 务器通过u s b 接口连接嵌入式设备，实现通过网络远程监控设备运行状态的 目的。主要研究了系统的体系结构、系统功能的工作流程、j 2 e e 架构中各个 组件的设计以及组件之间的交互操作，并从系统框架、类的组织、数据的传递、 硬件电路设计等方面介绍了开发基于j 2 e e 的嵌入式设备远程监控系统的关键 技术，给出了实现方案。 通过对系统的需求分析和j 2 e e 模式的研究，寻找适用于监控系统各个功 能模块的模式并使用j a v a 语言实现j a v a b e a n 组件。组件之间数据的传递由一 个对象通过一定的接口调用另一个对象提供的服务实现。这样的设计提高了整 个系统的扩展性、灵活性和互操作性，增强了w e b 应用的生命力。 本文以u s b 接口为例，研究嵌入式设备程序与服务器上应用程序之间的 通信，在w i n d o w s 操作系统下使用j u s b 开发包开发j a v a 程序对u s b 接口操 作的组件，并为u s b 设备配置j u s b 驱动程序，实现j a v a b e a n 与u s b 接口之 间的控制传输和中断传输。 使用e z - u s b2 1 0 0 系列的a n 2 1 3 1 q c 芯片设计了一款步进电机驱动器， 模拟实际生产现场的嵌入式设备与主机服务器连接。设计硬件电路实现基本的 电机控制，并基于e z - u s b 程序框架开发u s b 设备的固件程序，实现步进电 机程序与主机程序之问的通信。 本文研究的内容提出了一种有效的设备远程监控方案，能够使管理者方便 及时的了解工控网络系统中设备的工作状态：基于j 2 e e 的b s 模式，也使系 统具有扩展性、安全性和灵活性该系统具有开发成本低、易于重组和扩建、 局部网络设备拆连不影响整个网络运行等特点。它克服了传统的工控网络的局 限性，为建立大型网络的监控或现有控制网络向无线u s b 网络升级提供了一 个有效的解决方案。 关键词：j 2 e e ：远程监控；模式；嵌入式设备；e 乙u s b ；u s b i i 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st e x t r e g a r d s d e v i c e sm o n i t o r s y s t e m o fp r o d u c t i o n p r o c e s s i nt h e m a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e sa st h es n b j e c ti n v e s t i g a t e d h a sa n a l y z e dt h ed e f i c i e n c yo f t h em o d ew h i c ht h en e t w o r km a n u f a c t u r es y s t e me x i s t e da tp r e s e n t ，o nt h i sb a s i s ， p u t sf o r w a r dt h ep h i l o s o p h yo fe m b e d d e dd e v i c e sw h i c hs u i t a b l ef o rt h em e d i u m a n ds m a l lm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s b ys t u d y i n go nt h er e m o t em o n i t o rs y s t e m b a s e do nt h ej 2 e ep l a t f o r m 山es e r v e rc o n n e c t se m b e d d e dd e v i c e sw i t ht h eu s b i n t e r f a c ei no r d e rt or e a l i z et h ei n t e n t i o no f r e m o t em o n i t o r i n gs t a t e so ft h ed e v i c e s t h r o u g ht h en e t w o r k m a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d es y s t e ms t r u c t u r e ，f l o wo fw o r k , d e s i g no f e a c hc o m p o n e n to ft h ej 2 e es y s t e ma n dm u t u a lo p e r a t i o no fc o m p o n e n t s t h et e x ti n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l o g yo fd e v e l o p i n gr e m o t em o n i t o rs y s t e mb a s e d o nj 2 e ef r o mt h ea s p e c t so fs y s t e m a t i cf r a m e ，o r g a n i z a t i o no ft h ec l a s s e s ，d a t a t r a n s m i s s i o n ，h a r d w a r ec i r c u i t ，a n dp r o v i d e st h er e a l i z i n gs c h e m e b yt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h es y s t e ma n ds t u d yo ft h ej 2 e ep a t t e r n s ，i ti s l o o k i n gf o rt h ep a t t e r n sw h i c ha l e s u i t a b l ef o re a c hf u n c t i o nm o d u l eo fm o n i t o r s y s t e m a n du s i n gj a v al a n g u a g et or e a l i z ej a v a b e a nc o m p o n e n t s n ed a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ec o m p o n e n t si sr e a l i z e db ya no b j e c tt r a n s f e rt h es e r v i c e w h i c ha n o t h e ro b j e c to f f e r e dt h r o u g hc e r t a i ni n t e r f a c e s u c hd e s i g nh a si m p r o v e d t h e e x p a n s i o n ，f l e x i b i l i t ya n di n t e r o p e r a b i l i t yo ft h e w h o l es y s t e ma n dh a s s t r e n g t h e n e dt h ev i t a l i t yo ft h ew 曲a p p l i c a t i o n t h i st e x tt a k e su s bi n t e r f a c ef o ra ni n s t a n c e ，s t u d i e so nt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e np r o g r a mi nt h ee m b e d d e dd e v i c e sa n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h es e r v e r , u s e s j u s bd e v e l o p m e n tp a c k a g et od e v e l o pt h ec o m p o n e n t st h a tj a v ap r o g r a mo p e r a t e d t ou s bi n t e r f a c ei nt h ew i n d o w so s ，d i s p o s e sj u s bd r i v e rf o ru s bd e v i c e s ，a n d r e a l i z e st h ec o n t r o lt r a n s f c ra n di n t e r r u p tt r a n s f o rb e t w e e nj a v a b e a na n du s b i n t e r f a c e u s e sa n 2 1 3 1 q c c h i po fe z - u s b2 1 0 0 s e r i e st od e s i g na s t e p p e rm o t o rd r i v e r a n ds i m u l a t e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ee m b e d d e dd e v i c e sa tt h el o c a l ea n dt h e n i 桂林工学院硕士学位论文 s e r v e ro ft h eh o s tc o m p u t e r d e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i tt oi m p l e m e n tb a s i cc o n t r o l o fm o t o ra n dd e v e l o p su s bd e v i c ef i r m w a r ep r o g r a mb a s e do nt h ee z - u s b p r o g r a mf r a m et oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es t e p p e rm o t o rp r o g r a m a n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h eh o s tc o m p u t e r t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i st e x tp u tf o r w a r do n ee f f e c t i v es c h e m eo fd e v i c e s r e m o t em o n i t o r , w h i c hm a k et h ec o n t r o l l e rk n o wt h ew o r k i n gs t a t eo ft h ed e v i c e si n t h en e t w o r ks y s t e mc o n v e n i e n t l ya n dt i m e l y ；t h eb sm o d eb a s e do nj 2 e em a k e s t h es y s t e mh a v ee x p a n s i b i l i t y , s e c u r i t ya n d f l e x i b i l i t y t o o t h i s s y s t e m h a s c h a r a c t e r i s t i c so fd e v e l o p m e n tw i t hl o wc o s t , e a s yt or e c o m b i n i n go fe x p a n d i n g d i s m a n t l i n ga n dc o n n e c t i n gt h e d e v i c e so fp a r tn e t w o r kd on o ti n f l u e n c ew h o l e n e t w o r k , e t c i th a so v e r c o m et h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o l n e t w o r ka n do f f e r sa l le f f e c t i v es o l u t i o nf o rm o n i t o rl a r g e - s c a l en e t w o r ko re x i s t i n g c o n t r o ln e t w o r ku p g r a d et ow i r e l e s su s bn e t w o r k k e y w o r d s ：j 2 e e ；r e m o t em o n i t o r ；p a t t e r n ；e m b e d d e dd e v i c e ；e z - u s b ；u s b i v 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过豹材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：羹b 互拯日期：兰! 型兰i l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保留送交论文的 复印件。允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 签 名：燃导师签名期：区：! ! ! 乡 桂林工学院硕士学位论文 第1 章概述 1 1 论文研究背景与目的意义 1 1 1 制造设备的远程监控系统 随着各种网站以及电子商务应用兴起的同时，在制造领域中对网络的需求 也日益增加。其主要的目的就是将网络世界中目前已经实现了的人与人之间的 互联，进一步发展成为人与设备、设备与设备之间的互联确切地说，不仅要 为数以亿计的p c ，而且更为那些内置计算机芯片的包括机床、仪器仪表、h p c 、 w 曲t v 、d t v 、p d a 、n c 、i p 电话以及电视、冰箱、空调和高技术门锁等家 电在内的几乎所有电子设备提供运算和联网功斛“。对制造企业而言则体现为 对于网络化制造的要求。 一 基于局域网或互联网的网络化制造是企业对当前的知识经济和制造业全球 化趋势的应对措施，以快速响应市场不断变化的需求和提高企业自身竞争力为 主要目标而实施的一种先进制造模式。 在网络化制造体系中一个重要的部分就是对企业的生产设备进行远程监控 和管理技术。现在许多高新技术在制造设备上的运用，导致设备复杂程度和专 业程度比以往大大提高，并且在生产现场中许多分散的设备往往需要协同工作， 所以对设备工作状态的实时监控、设备组的快速灵活拆连等要求不断提高。传 统的设备连接、控制技术已经不能满足实际生产中的要求。越来越多的设备制 造厂商也不断推出各种适应于不同工作环境中的设备连接、控制网络产品。这 种远程对设备进行监控和故障诊断系统的目的就是通过i n t e m e t i n t r a n e t 使处于 各个地点的设备、现场工程师、远程服务工程师、专家诊断系统和领域内的专 家方便的组织和联系起来，在设备与专家系统、设备与人、入与人之间实现快 速的信息传递和共享，通过网络对生产过程进行管理，提高工作过程中信息交 流的快速性、准确性，并且能够提供对制造设备的远程监测、调试、维护，以 及对制造过程进行指导等。 桂林工学院硕士学位论文 1 1 2 传统分布式网络设备监控系统开发模式 一个典型的架构于i n t e m e t 上的广域分布式设备监控应用系统由分布在不 同地域的一个或者若干个远程诊断中心、大量的制造设备，监控系统，数据库 系统，设备设计者、制造者、维护者以及个人研究者组成。 目前市场上功能繁多的各种系统产品存在的共同缺陷就是它们不能方便地 扩展到互联网上，这些系统要求服务客户端与系统提供的服务本身必须进行紧 密耦合，即要求在服务器端和客户端都要配置明确的、同类型基本构架的对象 模型协议。一 这样的系统往往十分脆弱，如果一端的执行机制发生变化，那么另一端便 会崩溃。例如，服务器端运行的是d c o m 程序则所有的分布式客户端不得不 运行于微软的操作平台上。c o r b a 虽然可以运行于不同的平台，但c o r b a 的互操作性并没有在更高层的服务上进行扩展，如安全性和事务处理。d c o m 和c o r b a 适合于服务器服务器间的通信，但是对于客户端服务器的通信十 分脆弱，如果服务器应用程序的接口发生更改，那么客户端便会崩溃。 随着互联网的不断发展，网络环境中异构问题越来越突出。在制造业领域， 设备、设备使用者、制造设备设计者、制造设备生产商、远程服务工程师、专 家诊断系统之间也存在不同硬件平台、不同操作系统、不同数据库系统等异构 问题。传统控制系统解决异构问题的办法是尽量让所有参与者都采用单一的体 系结构，例如，所有成员都基于c o r b a 或者都基于d c o m ，当两个体系结构 之间需要进行交互的时候，引入c o m c o r b a 桥方式。但是，这种在两个已经 很复杂的系统之阊引入了一个新软件的方法存在许多问题，在c o r b a 的 i n t e r a c ti n t e r - o r bp r o t o c o l ( i i o p ) 到d c o m 的o b j e c tr e m o t ep r o c e d u r ec a l l ( o r p c ) 之问，繁杂的双向转换将使得中间桥接软件变得很复杂，并且任何 对i i o p 协议和o r p c 协议的修改都导致修改桥接软件。 因此，采用单一分布式体系结构建立的传统远程监督和控制系统已难以满 足网络化制造环境下新旧设备、设备使用者、设备设计者、设备生产商以及远 程服务工程师和专家诊断系统之间异构性问题日益突出的要求，也难以达到网 络化制造完全的无语言相关性、无平台相关性、无对象相关性等特点的要求1 2 1 。 2 桂林工学院硕士学位论文 1 1 3 论文研究的目的意义 考虑到s u n 公司的s u no n e ( o p e nn e te n v i r o n m e n t ，开放网络环境，包括 j 2 s e j 2 e e ，j 2 m e ) 本身作为开放体系结构，可以免费使用j a v a 集成开发环境， 数据库，服务器等产品，以及它们的源码。这对于加速国内中小企业的信息化 建设和自有知识产权产品开发、提高企业应用和软件行业整体水平意义重大。 通过研究基于j 2 e e 的制造设备的远程监控系统，能够较好地解决传统网 络平台的不足，j 2 e e 提供了一套完整的解决以上问题的框架方案： 提供了分布式、可移植构件的框架； 为构件与应用服务器提供标准a p i ： 简化了服务器端中间层构件的设计。 本课题探讨内容的目的是在w i n d o w s 操作系统下建立j 2 e e 架构的对u s b 设备的监控系统，完全使用j a v a 语言实现对u s b 接口控制操作的组件，最终 组成的系统功能框架，满足多用户通过网络远程监控设备的拆连和查看设备运 行状态的功能。 1 2 论文研究内容与基本思路 1 ，2 1 本课题研究内容 针对中小制造企业资金少、规模小、生产工艺多样性等特点，提出一种局 域网支持下的针对生产现场分散控制设备的计算机网络应用方案，结合j 2 e e 平台设计开发应用于嵌入式设备的远程监控系统设计思想。使用j a v a 技术研究 应用于生产现场级、开放式、可移植的设备连接、监控的组件设计方法。 主要研究内容有： 1 ) 根据中小制造企业特点对软件平台系统进行需求分析和功能模块设 计、各部分功能实现的模式、类的属性和方法以及类相互之间的接口 设计、数据库表的结构设计； 2 1 使用j a v a 语言根据j 2 e e 设计模式的描述，实现各部分功能的j a v a b e a n 组件： 3 桂林工学院硕士学位论文 3 ) 在w i n d o w s 操作系统下，为嵌入式设备配置j u s b 驱动程序，以及j a v a 程序对u s b 接口设备操作的组件设计实现； 4 ) 基于e z u s b 架构的固件程序设计以及硬件部分电路设计； 1 2 2 论文研究基本思想 本课题讨论的网络监控系统的设计思想以中小企业为服务对象，针对我国 中小制造企业普遍规模小，实力弱，缺乏实施制造技术创新，发展先进制造技 术的物质保证；中小制造企业普遍缺乏良好的培训体制，人力资源素质偏低， 不适合复杂技术创新的进行。同时企业内部员工知识储备较少，实施技术创新 的能力较弱等特点i ”，提出基于j 2 e e 的嵌入式设备远程监控的一种方法。基本 研究思路为： 1 ) 设备接入方式： 在每台设备上都装备t c p i p 网络服务器，使之能够通过i n t e m e t 被管理是 不切实际的。对于大量的8 位、1 6 位的控制设备来说，独立实现和i n t e m e t 之 间的通信是很重的负担，甚至会影响到设备自身的运行。必须使网络服务器远 离设备，将大量复杂的网络通讯处理放在有更多处理能力的地方，比如本地电 脑服务器上，则可以大大减少对嵌入式设备性能的要求。这种设备接入方式灵 活，使用大型网络接入设备( 如p c 机等) 作为设备接入网络的网关，然后用 轻量级网络扩展到多个嵌入式设备上，如电力线、r s 4 8 5 、u s b 等。这种灵活 性使开发人员可以设计出成本合理的系统，同时开发难度也有所降低，并且更 符合实际需要； 2 ) 应用j a v a 技术： 以j a v a 语言为核心建立企业级应用的j 2 e e 架构，它是开放的、基于标准 的平台。基于j 2 e e 的应用程序不依赖任何特定操作系统、中间件、硬件，几 乎能够在任何操作系统和硬件配置上运行，现有的操作系统和硬件也能被保留 使用。因此设计合理的基于j 2 e e 的程序只需开发一次就可部署到各种平台。 这在典型的异构企业计算环境中是十分关键的。j 2 e e 标准也允许客户订购与 j 2 e e 兼容的第三方的现成的组件，把他们部署到异构环境中，节省了由自己制 订整个方案所需的费用。 4 桂林工学院硕士学位论文 3 ) 选择u s b 接口。 相对于其它接口和总线技术，u s b 在制造生产领域还不完善，考虑到 w i n d o w s 操作系统与u s b 接口目前被广泛接受和在生产领域的广阔应用前景， 所以选择u s b 接口的连接方式。但是，目前在w i n d o w s 操作系统下1 a v a 程序 对u s b 接口控制的文献还不多，所以需要特别研究。 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种新型接口技术。它是由 i n t e l 、m i c r o s o t t 等公司为解决日益增加的外设与有限的主板插槽与端口之间的 矛盾而制定的一种串行通信标准。u s b 具有以下特点： 适用范围广，有多种传输速率，从1 5 m b p s 的低速到4 8 0 m b p s 的高速， 能够满足不同设备的使用要求： 使用方便灵活。u s b 支持即插即用和热插拔。当外设被连接时，系统 会自动检测到外设并准备使用； 易于扩展。通过集线器携带1 2 7 个设备，实现多个外设共用一个接口： 可靠性高、成本低、功耗小。 1 3 相关技术领域的研究现状“ 将嵌入式设备接入i n t e m e t 的技术，可将i n t e m e t 从p c 机延伸到8 位、1 6 位、3 2 位单片机，并实现基于i n t e m e t 的远程数据采集、远程控制、自动报警、 上传下载数据文件、自动发送e m a i l 等功能，大大扩展i n t e m e t 的应用范围。 嵌入式i n t e m e t 技术的出现时间并不很长，但是发展速度却非常之快，新 思想不断涌现，新概念连续推出，新技术层出不穷，新产品不断产生，从底层 硬件技术所提供的解决方案到顶层软件所开拓的想像空间，都在不断地推陈出 新。 以下是目前的几种接入方式以及对协议的不同处理方法。 1 3 1 处理机加t o p i p 协议方式 采用处理机加t c p i p 协议方式，m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，微控制单 元) 像p c 机一样直接处理t c p i p 协议，一般需要高档的处理机，如3 2 位的 桂林工学院硕士学位论文 a r m ，s h 3 ，m i p s 等m c u 和一些单周期指令速度较高的8 位m c u ，如a v r 、 s x 等，其结构见图1 1 ( a ) 。 这种方式类似于在m c u 上实现p c 机加网卡的功能，m c u 直接处理t c p i p 协议，复杂度较高，且每个m c u 也需要一个口地址，而i p 地址需要付 费使用。它需要高档的m c u 处理机和较高的开发成本，因此一般只会在一些 高档产品( 如汽车) 中使用。它有一个好处是不需要p c 机做网关。 1 3 。2w e b i t 方式 w e b i t 是沈阳东大新业信息技术股份有限公司研制开发的嵌入式系统接入 i n t e r a c t 的一个实用产品，它将m c u 和以太网控制器集成到一块小板卡上，将 它装入到嵌入系统中就可以完成嵌入系统与i n t e r a c t 网的联接。w e b i t 有自己的 腰地址，与前面提到的第一种方式相似，但它有更高的集成度，将协议处理部 分独立出来，开发人员省去了网络部分的设计，可将主要精力放在应用系统本 身。 。 w e n t 方式实际上与第一种方式类似，只是将协议处理部分分离出来由 w e b i t 单独完成，开发人员可以不必考虑网络协议和相关接口，但也需要独立 的i p 地址。该方式也不需要网关，无需p c 机，软、硬件结构可以独立设计， 其开发成本相对较低，其应用方式见图1 1 ( b ) 。 1 3 3 使用专用芯片w e b c h i p w e b c h i p 是武汉力源公司于2 0 0 0 年4 月开发出使嵌入式电子设备和家用电 器与网络方便联接的实用解决方案。w e b c h i p 是独立于各种微控制器的专用网 络接口芯片，它通过标准的输入、输出口与各种m c u 相连。m c u 通过w e b c h i p 与网关联接即可接收并执行经由i n t e m e t 远程传来的命令或将数据交给w e b c h i p 发送出去。m c u 应用系统通过w e b c h i p 网络芯片与g a t e w a y 联接，再进入 i n t e r n e t 网，如图1 1 ( c ) 所示。 w e b c h i p 的简要工作过程是：w e b c h i p 通过s p i 三线串行接口与m c u 应用 系统联接。它与m c u 应用系统交换信息是由1 7 条简单的指令进行控制。 w e b c h i p 的另一端以r s - - 2 3 2 ，r s 一4 8 5 或m o d e m 等接口电路与基于p c 机平 6 桂林工学院硕士学位论文 台的网关接口。w e b e h i p 在m c u 应用系统接入i n t e r a c t 的过程中实际上是起了 底层协议的编译、解释和转换作用，将m c u 应用系统与网关再与i n t e m e t 联接 起来。这是由于p c 机网关能提供i r 兀甲服务，又可与网络浏览器接口需要 微机做网关，网关中的一个口地址可以联接多个嵌入式应用系统。 1 3 4 采用专用嵌入式网络协议 利用e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e r a c t 网络技术( e m r r ：e m b e d d e d m i c r oi n t e m e t w o r k i n g t e c l m o l o g y ) 。e m 盯由e m n e t 和e m g a t e w a y 两部分组成， e m n e t 协议运行在m c u 内部，是为嵌入式系统和其他网络( 如r s 4 8 5 、i r 、 r f 和电力线等) 进行联接的网络协议。同时，e m n e t 使得集成e m m i c r o 的嵌 入式系统能够和嵌入式微控制器网关e m g a t e w a y 进行有效的通信。嵌入式微控 制器网关( 即e m g a t e w a y ) 运行在计算机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务 器中，它是设备网络和i n t e r n e t 之间联接的桥梁。应用系统运行m c u 内的 e m n e t ，通过e m g a t e w a y 与i n t e r n e t 联接，见图1 1 ( d ) 。 这种方式要求设计工程师必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口，并且软硬件 设计的工作量仍然较大。应用系统的m c u 处理e m n e t 协议要占用一定的系统 资源，对m c u 的要求也较高，同时需要微机做网关。优点是网关中的一个i p 地址可以联接多个嵌入式应用系统。 ( a ) 。、o ( b ) o 7 桂林工学院硕士学位论文 图1 1 嵌入式设备接入i n t e r n e t 的几种接八方式 本课题研究的系统采用方案与专用嵌入式网络协议方案较类似( 图1 1 ( d ) ) ，使用高性能p c 机作为嵌入式设备接入i n t e r n c t 的网关，同时作为服务 器为远程客户端访问提供访问信息。嵌入式设备的m c u 采用内嵌u s b 接口引 擎的e z - u s b 2 1 0 0 系列芯片，由于u s b 接口协议部分的处理由u s b 接口引擎 完成，能够大大减少对软、硬件设计开发的工作量，使开发人员能够更专注于 对嵌入式设备功能的开发。 8 桂林工学院硕士学位论文 第2 章j 2 e e 体系与分布式结构体系嘲 2 1 传统c s 结构的缺点 在传统的应用系统中，两层体系结构的应用是很常见的。例如微软公司的 i i s 舢p 以其强大的功能，良好的扩展能力，及与其它微软产品的一致性，迅 速地流行起来。这种结构在开始的时候很容易配置，但是存在一个很大的缺点 就是，商业逻辑代码和m m l 代码是混在一起的，程序员既需要考虑与数据库 打交道，需要关心如何与h t m l 配合，有时还需要用a s p 直接生成h t m l 代 码。在这种情形下，客户端负责数据访问、应用业务逻辑、将结果转换格式以 便于显示、为用户显示内部的接口以及接受用户的输入。其结果就是，当程序 逻辑足够复杂时，a s p 源文件非常长；而且，无论客户提出用户界面的改变， 还是商业逻辑的改变( 如在数据采集系统中，采集样本的时间间隔标准可能从 0 1 秒改为0 5 秒) ，都需要对a s p 文件进行改动。难于维护、升级和扩展，而 且通常基于私有的协议，典型的是私有的数据库协议。商业和表现逻辑的重新 使用也很难。 在制造业网络应用领域，最重要的就是系统功能的扩展，随着生产方向的 调整，系统也应该随之进行相应的升级扩展。因此，两层体系结构的应用不适 合应用于中小型制造企业的实际生产过程。 2 2 三层结构的概念 多层结构的应用正是在对c s 结构的总结基础上产生的，并且也已经扩展 到了b s 应用开发领域。即根据不同的功能将系统的应用划分为三个( 或者更 多的层次) ：用户界面层，商业逻辑层，数据库层。 用户界面层负责处理用户的输入和向用户的输出，但并不负责解释其含义； 商业逻辑层是连接上下两层的纽带，它建立起实际的数据库连接，根据用户的 请求生成s o l 语句检索或更新数据库，并把结果返回给客户端，可以用任何支 持这种标准的工具开发；数据库层负责实际的数据存储和检索。 9 桂林工学院硕士学位论文 有了这样的结构，上面的问题就迎刃而解了：负责客户端开发的入员只需 要在客户端专注所有与客户交互界面部分的代码，在需要商业逻辑处理时调用 相关函数，至于这个函数具体如何编写，内部如何与数据库打交道，以至访问 的是何种数据库都与其无关；在中间层实现所有商业逻辑的函数，如果用户对 某些数据的定义改变了，只需要有针对性地修改某个函数就可以了，只要此函 数的调用参数和返回值不变，在客户端就不需要作任何的改动。 我们可以把开发人员分成两组，一组负责开发界面层，另一组负责开发商 业逻辑层，双方只要按照事先商定的函数接口，并行地开发就可以，而不必向 从前那样，后面的工作必须等前面的工作完成后才能开始。当然，这样的开发 模式需要很好的项目协调和文档作支持。 为了解决c s 体系的不足，s u n 公司的s u no n e 以j a v a 技术为核心，更接 近或者满足于互联网在智能化w e b 服务上对分布性、开放性和平台无关性的要 求，同时在健壮性、安全性、组件化等方面也更为成熟稳定。 s u n0 n e 中的j 2 e e 体系定义了一套标准，可轻松地开发1 1 层的企业网络 化制造的应用平台。它定义了一套标准化、模块化的组件，并为这些组件提供 了一整套完整的服务，以及自动处理应用行为的许多细节。j 2 e e 提供了一个框 架、一个标准的a p i 用作开发分布式的体系。实现这个框架的引擎工具可以由 中间件厂商来完成，例如，b e aw e b l o g i c i b mw e b s p h c r c 等中间件服务器都 可以实现j 2 e e 的所有特性。 分布式软件是软件技术发展的必然趋势，分布式组件对象标准在推动以异 构环境下协同工作为目标的虚拟环境研究中起到了相当大的作用。 2 3j 2 e e 体系结构 j 2 e e 多层分布式的应用模型将应用逻辑根据功能划分成组件，这些组件包 括应用客户组件( a p p l i c a t i o nc l i e n tc o m p o n e n t s ) 、e n t e r p r i s ej a v ab e a n s 组件、 s c r v l c t s 及j a v as c r v e rp a g e sj s p 页面组件、a p p l c t ，可以在同一个服务器或不 同的服务器上安装这些不同的组件。二个应用组件被安装的地方取决于该应用 组件属于j 2 e e 环境中的层。如图2 1 ，j 2 e e 体系结构分为客户层、w e b 层、 商业逻辑层和数据库层。 1 0 桂林工学院硕士学位论文 客户层w e b 层商业逻辑层 浏览器w e b 服务器 i h t m ll i 脚l ll l j a v a l 1-7 l j a v a i 勘b l a p p l e t j j s e r v l e ti 1 其它客户端r 1 7 2 3 1 客户层 图2 1j 2 e e 体系结构 j 2 e e 应用可以是基于w e b 的，也可以是不基于w e b 的。在一个基于w e b 的j 2 e e 应用中，用户的浏览器在客户层中运行。并从一个w e b 服务器上下载 w e b 层中的静态h t m l 页面或由j s p 或s c r v l e t s 生成的动态h l 页面。 在一个不基于w c b 的j 2 e e 应用程序中，一个独立客户程序可能并不是运 行在一个h t m l 页面中，而是运行在其它一些基于网络的系统( 比如手持移动 设备或汽车电话) 中的a p p l c t 程序，它在客户层中运行，并在不经过w 曲层 的情况下访问e n t e r p r i s eb e a n 。该不基于w e b 的客户层还有可能包括一个单独 的j a v ab e a n s 类来管理用户的输入，并将该输入数据发送到在数据库层中运行 的e n t e r p r i s eb e a n 类来处理。 2 3 2w e b 层 w e b 层通常运行在一个集中的服务器上，或位于集体计算中心的服务器上。 服务器可同时给不同的客户端发送内容。同时，w e b 层可以执行其他操作， 比如维护服务器上用户访问页面的状态信息，以及访问应用程序的其他层。w e b 层可以由j s p 页面、基于w e b 的a p p l e t s 以及显示h t m l 页面的s e r v l e t s 组成。 调用s e r v i c t s 或者j s p 页面的h t m i 页面在应用程序组装时与w e b 组件打 包在一起。与客户层一样，w 曲层可能包括一个j a v ab e a n s 类来管理用户输 1 1 桂林工学院硕士学位论文 入，并将输入发送到在业务层中运行的e n t e r p r i s eb e a n 类来处理。 2 3 3 商业逻辑层 商业逻辑层又称为业务层，通常当w e b 服务器需要进行特定的操作时才 开始发挥作用，这些操作应用执行商业逻辑的j a v a b e a n s 和管理在线的控制或 服务。 一个j a v a b e a n s 从客户程序处接收数据，根据需要对数据进行处理，再将 数据发送到数据库层存储起来。另一个j a v a b e a n s 还从存储中检索数据，并将 数据送回客户端程序。运行在商业逻辑层的j a v a b e a n s 依赖于容器来为诸如事 务、生命期、状态管理、多线程及资源存储池提供通常非常复杂的系统级代码。 商业逻辑层经常被称作e n t e r p r i s ej a v ab e a n s ( e j b ) 层。商业逻辑层和w e b 层一起构成了3 层j 2 e e 应用的中间层，而其它两层分别是客户层和数据库层。 f j b 是一组符合定义规则并提供特定回调方法的j a v a 类以及一个x m l 配 置描述文件合并到一个单元中的产物。e j b 不局限于特定的服务器版本、特定 的应用服务器提供商、中间件或者通信协议。f j b 只是一个规范，任何公司都 可以按照不同的方法来进行实现，它是企业级应用的基础性软件，也是相对稳 定的部分。 e i ba p i 设计的目标是使应用程序编程人员不必为系统级的服务而编码， 从而集中考虑业务逻辑。e j b 技术适合于任何复杂的业务逻辑。正确使用e j b ， 可以大大提高开发人员的生产效率、应用程序部署、性能、可靠性、复用性等。 2 3 4 数据库层 数据库层提供了对组织数据的基本的存储和访问。其中根据不同时期的不 同目的，数据层可以包含几个系统，但是为了便于商业逻辑层中事务处理和交 互通信，这几个系统可以互相操作。 2 4j 2 e e 技术 运行在服务器上的软件实体称为容器，用于管理特定类型的组件，可分为 桂林工学院硕士学位论文 容器服务a p i ( c o n t a i n e rs e r v i c ea p i ) 、声明性服务( d e c l a r a t i v es e r v i c e s ) 、组 件协议( c o m p o n e n tc o n t r a c t ) 和其他容器服务。应用程序的组件运行在容器里， 组件的生命周期由容器来管理，但是，应用程序还是要调用一些其它的服务， 在j 2 e e 把这些服务集成在一起或者提供统一的a p i 进行调用。最常用的一些 技术包括j d b c ( j a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 、j s p 、j a v a b e a n 等。 2 4 1j s p j s p 为开发者提供了一个框架，可以在服务器上使用h t m lx m l 模板和 代码建立安全、快速和独立于服务器平台的动态内容。j s p 规范扩展了j a v a s e r v l e t a p i 。目前绝大部分开发商都在其w e b 服务器和s e r v l e t 引擎产品中实现 了对j s p 的支持。 j s p 是j 2 e e 的一种w e b 组件j s p 和服务端脚本技术非常相似，但它的速 度比脚本执行的速度快，并且j s p 被编译成的s e r v l e t 在服务器打开时就存在于 内存，所以相应速度更快。 j s p 实现客户端和服务器端交互的基本流程如图2 2 1 6 ： 图2 2 客户端和服务器端交互流程图 j s p 由嵌入到结构化的文档( h 1 m l 、x m l ) 中的j a v a 代码组成，它采用 标记语言显示静态部分，将嵌入到页面的特殊标记或者s c r i p t l e t s 显示动态内 容。当j s p 页面收到客户端请求时，j s p 的特殊标记和s c r i p t l e t s 请求动态生成 结果。然后w e b 服务器把此结果和静态的内容一起发送到客户端。 桂林工学院硕士学位论文 2 4 2j d b c j d b c 是一种用于执行s q l 语句的j a v aa p i 。它由一组用j a v a 编程语言 编写的类和接口组成。它为j a v a 编程人员访问不同的数据库提供了统一的接 口，使得开发人员可以使用纯j a v a 的方式来连接数据库，并迸行操作。 j a v a 具有坚固、安全、易于使用