变电站自动化系统中嵌入式Web服务器的设计与实现(1)概要备课讲稿

1、变电站自动化系统中嵌入式 Wet服务器 的设计与实现 (1) 针对传统Web技术路线方案用于构造变电站自动化系统中 Web服务器存在的困 难，提出应用嵌入式技术开发变电站自动化系统中嵌入式Web服务器的基本思 想。本文结合变电站监控系统产品开发实例，介绍了嵌入式Web服务器的功 能，给出了系统基于三层B/S结构的瘦Web服务器体系结构，详细阐述了嵌入 式Web服务器实现的一些关键技术，包括：采用自定义数据点标记使得网页设 计与服务器程序分离，系统具有灵活性和可扩展性；提出数据点基于“点”和 基于“面”的双重复用技术，满足嵌入式 Web服务器有限资源约束；集成嵌入 式 JavaApplet 和

2、JavaScript 实现中间代理机制，解决了变电站自动化系统中 大量数据点实时动态刷新的问题；采用 PPP链路提供远程访问接入服务和发送 电子邮件等。变电站自动化系统这种基于嵌入式Web服务器的远程监控维护方 式将有效降低系统监控运行维护成本、提高监控运行维护效率，因而具有很大 的应用前景和推广价值。 关键词：嵌入式Web服务器；变电站自动化系统；自定义标记；数据点复用； 嵌入式 Java； PPP 中图分类号： TM77； TP393 0 引言 Internet 网络技术应用于变电站自动化领域将导致该领域传统运行维 护模式的一场变革：将 Web服务器“植入”变电站自动化系统后接入 Inte

3、rnet ，在世界上任何一个地方即可通过网络浏览器从 Internet 获取该 Web 服务器发布的系统实时信息，进而实现远程实时控制、调节与维护；并且，这 种基于HTMI标准化的Web用户界面降低了为不同操作平台而定制人机界面的开 发费用、通信费用、人员培训费用和系统升级维护费用。显然，变电站自动化 系统这种基于Web的远程监控维护方式将克服传统本地监控维护方式 1存在的 低效率、高成本的缺陷。 但是，传统的Web技术路线方案2,3不能直接用于构造变电站自动化 系统中的Web服务器。传统Web服务器以具有高运算处理能力和海量存储容量 的工作站或 PC 机为硬件工作平台，以非实时操作系统为软件

4、工作平台，其上 运行的是大型复杂的服务器程序，典型的如基于Windows NT的IIS (Internet Information Server )、基于 Unix 的 Apache Web Server 等，服务器的这种 高档配置方案对于大量使用 8位、16位或 32位单片机的变电站自动化系统而 言是不现实的求。 基于嵌入式技术4,5的嵌入式Web服务器的出现为解决以上问题开辟 了一条崭新途径。嵌入式 Web服务器以8位、16位或32位单片机为硬件工作 平台，以嵌入式实时多任务操作系统（RTOS为软件工作平台，其上运行小型 精简的服务器程序。已有嵌入式 Web服务器的成功开发案例主集中于通信

5、领域 中的路由器、交换机、网络视频监控等产品，这类产品的共同特征是监控数据 点较少,而变电站自动化领域中的嵌入式 Web服务器需处理的是大批量的采集监 控点，目前这方面的研究报导甚为少见。 本文以开发烟台东方电子高压变电站综合自动化监控系统DF3600中嵌 入式Web服务器的项目实践为例，阐述应用嵌入式技术开发变电站自动化系统 中嵌入式Web服务器的一般性设计方法和一些关键实现技术。 1 系统功能需求分析 主包括以下七个方面。 1.1 实时数据与历史数据动态发布功能 实时数据包括遥测、遥信、电度、时钟信息等，历史数据包括事项信 息、保护动作信息等。嵌入式 Web服务器将实时数据和历史数据以网页

6、形式发 布到 Internet 网上，且动态实时刷新，远方客户通过接入 Internet 浏览该服 务器发布的高压监控系统实时信息。 1.2 参数设置功能 参数包括运行参数和设备状态参数，如遥测、遥信、电度的初始值、 整定系数、满度值等。Web服务器接收到远方客户提交的参数设置请求后执行 参数写入操作。 1.3 远程实时控制功能 控制功能包括遥控、遥调、同期操作和定值切换。Web服务器接收到 远方客户提交的控制操作请求后，下发控制命令驱动监控系统中相应的执行机 构。 1.4 文件下载与上传功能 下载和上传的文件是指系统、模块和端口的配置信息参数文件。下载 功能是将参数文件从Web服务器方下载到

7、客户方，上传功能是将参数文件从客 户方上传至Web服务器方。 1.5电子邮件告警（SMTP功能 电子邮件告警功能用于当变电站设备运行出现异常时，Web服务器通 过 Internet 自动发送电子邮件，及时通知管理人员进行设备维护。此外，在系 统正常运行期间，还可以根据用户设置，定期向指定的 E-mail 信箱发送变电站 自动化系统运行日志。 1.6 访问级别设置与权限认证功能 访问级别设置不仅提供传统的“基于页面”方式，而且提供灵活的 “基于对象”方式，单个设备、数据采集点均可成为“对象”，这样同一页面 不同重等级的数据点可被设置为不同的访问级别，只有权限不低于设备求访问 级别的客户经Web服

8、务器认证后方可进行其权限范围内的监控操作。 1.7 PPP 拨号上网功能 Web服务器通过 PPP（ Point to Point Protocol）拨号方式接入 Internet 提供远程访问服务。 2 系统设计 2.1 系统体系结构 图 1 系统体系结构 嵌入式WebK务器的PC网关体系结构作为现有变电站自动化系统 网络化的手段或许可以接受，但从严格意义而言，这不是真正意义上的嵌入式 WebK务器，且因此而添加购置的 PC机网关提高了系统的整体造价成本。由嵌 入式系统自身实现 WebK务器功能是真正意义上的嵌入式 Web服务器，但若使 系统中每一台嵌入式设备都具备 Web服务器功能，一则I

9、n ternet通信协议簇求 CPU的运算速度和存储器的存储容量较高，导致系统造价成本大幅度提高，再 则每台嵌入式设备成为Web服务器接入In tern net也无必。因此较为合理的体 系结构方案是：系统中一台配置较高的嵌入式设备完成嵌入式WebK务器功 能，其它配置较低的嵌入式设备完成数据采集和控制功能。 本监控系统即是基于以上思想构建而成，其分层分级分布式体系结构 如图1所示，系统由一台通信处理装置（CPU为32位的In tel X86 系列单片 机）、若干台分布的测控保护装置（CPU为32位的M68332单片机）组成，各 装置间以现场总线CAN FDKBus或工业以太网互联。通信处理装置

10、采用分层分 级模块化结构，Web!务器嵌入其中，主完成的功能包括：通过现场总线或以 太网收集各测控保护装置的采集信息并向 Internet 发布，接收 Internet 上的 远程客户提交的配置控制命令后下发给测控保护装置执行。 摘针对传统Web技术路线方案用于构造变电站自动化系统中 WebK务器存在的 困难，提出应用嵌入式技术开发变电 本篇论文是由3COM文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站 的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否 者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。 2.2嵌入式Web服务器的体系结构 如图2所示，嵌入式Web服务器为基

11、于三层B/S结构的瘦Web服务 器。其中，HTTP Server和Client间的通信协议采用HTTP 1.1，嵌入式实时 多任务操作系统pSOS提供TCP/IP协议支持，编程接口为Berkerly Sockets 4.3， HTTP Server 与 Database Server 间的交互接口为 CGI (Common Gateway In terface)。整个嵌入式Web服务器程序采用ANSI C编写，HTML页面的制作 采用 Microsoft Frontpage 2000 ，系统主页面如图 3 所示。 3 系统实现关键技术 3.1 自定义数据点标记 网页只提供文件链接功能，欲在网页

12、中显示变电站自动化系统中大量 的实时数据，常规方法是将 HTML弋码直接集成到程序代码中，如，或者反之将 C程序代码集成到HTM标记语言中，这两种方法均求开发人员对 HTM标记语 言的语法细节非常熟悉，且网页界面或程序结构的单方面调整都将导致整个系 统全盘修改，系统不具灵活性与可扩展性。 网页描述语言HTM啲精髓在于该语言的“标记”性，各种不同的标记 如的具体含义是由 Web服务器和Web浏览器进行解析，因此，当现有即定标记 不能满足新的应用需求时，不妨自行定义新的标记，只需自己的Web服务器将 自定义标记解析为标准标记，然后传送给标准Web浏览器解析成的 Web页面即 可。 基于以上思想，本

13、系统中定义数据点标记用于在网页中嵌入动态实时 数据，再定义如图 4所示的数据字典。运行时当客户端发出查看实时数据“ GET Method请求后，嵌入式 Web服务器将相应HTML文件从电子盘加载到内存进行 逐项解析，辩识出标记后，从数据字典中查找该标记对应的 Get_Handler 指 针，用 Get_Handler 返回的该标记对应的数据点当前值置换 图 3 系统主页 HTML文件流中的标记，全部解析过程完成后，嵌入式Web服务器将解析结果通 过HTTP协议发送给客户端，经客户端的 Web浏览器解析后变为Wet页面呈现 在客户端面前。以上过程为实时数据查看的实现机制，参数设置和远程实时控 制

14、的实现机制基本类同，所不同的是，客户端发出的是“POST Method请求, 服务器在数据字典中查找的是“ Set_Handler 指针”。 以上分析表明，通过自定义数据点标记实现变电站自动化系统Web页 面中实时数据点的动态显示和控制，动态数据的网页嵌入设计与动态数据的 Web服务器处理程序得以分离，处于一种弱耦合关联状态，这样，网页界面的 调整不会影响Web服务器的程序设计，Web服务器程序的修改也与网页界面设 计无关，整个嵌入式 Web服务器设计具有了灵活性和可扩展性。 3.2 数据点复用技术 本系统中测控装置和保护装置最大配置为 255 个，每个装置中的遥 测、遥信、电度等采集点又分别

15、最多可达 96 路，若每个装置对应一个页面，装 置中的每一个数据点对应该 Web页面中的一个，势必导致系统中所有 Web页面 文件个数和每个WebM面文件大小趋于无穷。对于以有限资源约束为主特征的 嵌入式系统而言，这种Web页面设计方案不具可行性。 解决方法之一是采用复用技术，提出“基于点”和“基于面”的双重 复用技术。以综合测控装置的遥信点为例，系统中所有综合测控装置共用同一 Web页面，该页面中的所有遥信点共用一个数据点标记 其中，为带参数的自定义标记，用于循环控制，数据点标记表示该装置中的遥 信点个数。运行时当嵌入式 Web服务器辩识至，该标记将被解析为二维数组变 量MsYxValdev

16、NoptNo，其中：devNo为该遥信点所在DF3670类型装置的设 备序号（可理解为页面号），devNo由URL中QueryString提交，限于HTTP协 议的无状态记忆性，提交后的 devNo由HTML文件中的Form Hidden Element记 忆；ptNo为该遥信点在装置中的遥信点序号（可理解为点号），ptNo值表征循 环标记REPEATS当前的循环次数。此后，服务器将 devNo和ptNo作为参数传 给MsYxVal所在数据页面中的Get/Set_Handler函数进行处理，得到返回值置 换标记。 采用以上数据点双重复用技术后，系统总 Web页面文件个数为16,最 大Web页面

17、文件大小为5KB 3.3 嵌入式 JavaApplet 与 JavaScript HTM页面技术只提供基于页面的浏览刷新机制，这一机制用于显示只 需动态刷新数据点的页面时存在闪烁缺陷，解决的方法是采用 Java 技术7 。 Java 以其平台无关性、可下载性、动态性而成为一种优秀的 Internet 编程语 言，但将Java直接用于嵌入式系统存在以下问题：（1）Java虚拟机JVM脚本 相对存储资源有限的嵌入式系统过于庞大；（2）由于HTTP协议的无状态性， Web Server 为响应多个 Java Applet 周期性的刷新请求被迫反复的创建再删除 TCP堆栈，当请求周期足够短时，根据 H

18、eisenberg原理，有限资源的嵌入式系 统的CPU将很快达到其处理能力的极限。因此，从这一角度而言，嵌入式系统 中允许使用的 Applet 个数是有限的，但这一限制这对于有大量数据点需实时动 态刷新的变电站自动化系统而言是不现实的求。 为解决以上问题，本系统放弃了常规 Java 虚拟机机制而采用中间代理 机制，如图 5 所示，所有下载到客户端的 Applet （包括图形化 Applet 和数据 Applet )与 Web Server 的交互都需通过中间代理 Applet Broker ，该 Applet 在Web页面上不可视，其功能有两个方面，一是将所有图形化Applet和数据 Appl

19、et对嵌入式Web服务器的数据请求“整合”后送往WebK务器，另一方面 则是将从嵌入式 WebK务器接收到的响应分发给相应的图形化Applet和数据 Applet。这样，若干Applet与嵌入式Web服务器的数据传输次数得以最小化， 嵌入式WebK务器对于Applet的响应处理负载得以减轻，系统允许使用的 Applet 不再有个数限制。 此外， Brower 方的控制应用程序采用了 JavaSript 配合 JavaApplet 完成与服务器的交互过程。 JavaSript 用于控制管理 Brower 方各客户不同的操 作信息，通过 Querying String 或 Form Hidden

20、Element 向 Web Server 提 交， Server 解析提交信息后置值，然后下载该 Applet ， Applet 下载至客户端 开始运行，首先从中读取相应信息完成初始化过程，进而开始与服务器的 Log in a Get a Logoi的循环交互。 3.4 访问级别设置与权限认证 嵌入式设备上网后，安全性问题成为衡量系统性能的一项重指标。本 系统对此采用了访问权限认证机制，其中：设计阶段中的访问级别设置不仅提 供传统的“基于页面”方式，而且，提供灵活的“基于对象”的方式，单个设 备，数据采集点的 DataMark 均可成为“对象”，这样同一页面不同重级别的数 据点可被分别设置为不

21、同的读、写操作访问级别，只有权限不低于设定求访问 级别的客户经 Web 服务器认证后方可进行其权限范围内的监控操作；运行阶段 中权限认证采用 JavaScript-Digest 方式，相对传统 Browser-based 的双向可 逆Base64加密算法，JavaScript-Digest的MD5加密算法具有不可逆性，因此 用户名和密码即使被网上非法用户截获也无法破解，此外，系统权限认证中使 用的 Cookie 驻留客户端 Browser 内存中而非客户端的硬盘文件中，因此非法用 户也无法在客户端从 Cookie 中获取合法用户名和访问密码。 摘针对传统Web技术路线方案用于构造变电站自动化系

22、统中 WebK务器存在的 困难，提出应用嵌入式技术开发变电 本篇论文是由3C0M文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站 的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否 者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。 3.5 Point-to-Point Protocol (PPP与电子邮件告警(SMTP PPP链路一般工作于Server Mode以提供远程访问接入服务，当发送 电子邮件告警信息时，PPP链路切换至Client Mode。电子邮件告警信息的发送 采用 SMTP( Send Mail Transfer Protocol)协议，发送前应设置 ISP

23、( Internet Service Provider)为到达电子邮局的出口网关，例如 ISP 可选用 163 电信局，电子邮局可选用 263 邮局。 4 结语 本文重点探讨了变电站自动化系统中嵌入式 Web服务器的设计方法与 实现中的一些关键问题，嵌入式 Web服务器的其它一些功能(包括文件上传与 下载、权限登陆与注销等)的实现类同传统 Web服务器，限于篇幅，本文不再 赘述。 目前DF3600系统已顺利通过北京电科院质检中心的入网测试，表明利 用嵌入式技术在嵌入式系统中开发变电站自动化系统中的嵌入式Web服务器是 切实可行的。变电站自动化系统基于嵌入式 Web服务器的远程监控维护方式将 有效降低监控运行维护成本、提高监控运行维护效率，因而具有很大的应用前 景和推广价值。 参 考 文 献 1 刘立芳 (Liu Lifang). 远程设备实时监控管理系统的设计与实现 (The design and implementation of an equipments real -time remote monitoring and controlling system). 计算机工程 (Computer engineering),