基于SQLite數(shù)據(jù)庫的家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計

1、.基于SQLite數(shù)據(jù)庫的家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計-設(shè)計論文基于SQLite數(shù)據(jù)庫的家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計 李宏升 LI Hong-sheng（黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，駐馬店 463000）摘要： 本文從體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)部函數(shù)，外部接口，索引算法等方面對SQLite進行了改進與優(yōu)化；針對信息家電特點重新設(shè)計了實時數(shù)據(jù)庫的存儲方式，利用主動規(guī)則庫來提高系統(tǒng)的實時性能，并基于SQLite對家庭網(wǎng)關(guān)進行了CGI程序設(shè)計。關(guān)鍵詞： SQLite；家庭網(wǎng)關(guān)；嵌入式Linux；內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中圖分類號：TP311.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）26-0069-03作者簡介：李宏升（197

2、3-），男，河南新蔡人，講師，工學(xué)碩士，主要從事互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式應(yīng)用研究方向。0 引言在信息家電系統(tǒng)中，要用遙控器對各類信息家電主動控制，并隨家庭環(huán)境的變化對信息家電進行自動控制，整個系統(tǒng)中存在著大量實時數(shù)據(jù)的采集和處理需求。目前對數(shù)據(jù)的處理通常采用基于數(shù)據(jù)庫的方式，所以構(gòu)建具有實時性能的嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計環(huán)節(jié)必須要解決的問題。結(jié)合國內(nèi)外家庭網(wǎng)關(guān)研究的現(xiàn)狀和進展，如何改進嵌入式實時數(shù)據(jù)庫對信息家電狀態(tài)信息的采集處理效率；如何優(yōu)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的資源占用，成為家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。1 家庭網(wǎng)關(guān)的發(fā)展與演進作為智能家居的大腦，家庭網(wǎng)關(guān)的作用至關(guān)重要。本文主要針對家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫平臺進行研

3、究，選擇合適的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，改進、移植相關(guān)軟件，搭建網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)，設(shè)計網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中心主模塊和web服務(wù)程序，實現(xiàn)嵌入式web 服務(wù)器的基本功能。2 嵌入式開發(fā)環(huán)境的選擇要想保證系統(tǒng)能夠真正地發(fā)揮自身功能，選擇合適的操作系統(tǒng)至關(guān)重要?，F(xiàn)階段比較成熟的嵌入式系統(tǒng)主要有：Windows CE、Unix、Linux、QNX等。從家庭網(wǎng)關(guān)平臺日后的系統(tǒng)升級、維護和功能擴展這些角度出發(fā)，本文中的家庭網(wǎng)關(guān)平臺采用Linux2.6版本作為軟件開發(fā)平臺。Linux2.6內(nèi)核擁有更多的新特性：性能方面，采用了新的內(nèi)核搶占式算法和新的I/O調(diào)度算法；穩(wěn)定性方面，改進了內(nèi)核加載和導(dǎo)出機制，提高了平臺的穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)

4、備支持方面，系統(tǒng)內(nèi)核取消了對大型系統(tǒng)的限制，支持更多的控制器和設(shè)備；文件系統(tǒng)方面，擴展了文件的屬性，保證了系統(tǒng)的信息安全，增強了PCI總線支持，對USB、藍牙等外設(shè)總線進行功能擴展，滿足多種短距離無線傳輸，方便家庭網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部組網(wǎng)。13 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括系統(tǒng)定制、系統(tǒng)服務(wù)、設(shè)備模塊、控制模塊、顯示模塊、軟件開發(fā)控制等。其中系統(tǒng)定制模塊包括系統(tǒng)移植、內(nèi)核定制、驅(qū)動開發(fā)等部分；系統(tǒng)服務(wù)模塊由系統(tǒng)中心、可移植層、設(shè)備管理器、維護管理器、存儲系統(tǒng)組成，如圖1所示；設(shè)備模塊主要包括視頻模塊、Zigbee模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等；控制模塊主要由web 服務(wù)器和各種應(yīng)用服

5、務(wù)器組成2。4 SQLite數(shù)據(jù)庫的改進與移植4.1 數(shù)據(jù)庫的選型家庭網(wǎng)關(guān)中的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫是為了完成家電狀態(tài)信息的管理而設(shè)計的小型數(shù)據(jù)庫。應(yīng)具備如下功能:支持多種數(shù)據(jù)類型；支持創(chuàng)建和刪除多個表；支持對記錄進行插入刪除修改和查詢操作；支持表的索引操作；支持觸發(fā)操作，以滿足信息家電之間的統(tǒng)一協(xié)作。 基于嵌入式linux系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫非常多，常用的有以下幾種：Oracle Database Lite；DB2 Everyplace；Berkeley DB；Firebird；MySQL；SQLite。本文選取的SQLite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個簡單易用、開放源碼的輕量級嵌入式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它具有以下優(yōu)勢：

6、支持ACID事務(wù)；不需要安裝配置、支持大部分SQL92；數(shù)據(jù)存儲在單一的磁盤文件中；最大支持?jǐn)?shù)據(jù)庫到2TB；內(nèi)核精??；數(shù)據(jù)操作速度快等。4.2 SQLite的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計SQLite系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括8個主要模塊，如圖2所示。應(yīng)用程序接口是SQLite的公共接口，通過main.c，table.c，legaey.c，vdbeapi.c程序來實現(xiàn)。詞法分析器負(fù)責(zé)將原始的SQL語句按順序傳送到語法分析器里。語法分析器是一個基于上下文環(huán)境的輸入語法解釋器，采用非終結(jié)符析構(gòu)器的概念，大大降低了出錯的幾率。通過調(diào)用代碼生成器，可生成SQL查詢所需的虛擬機代碼。虛擬機是使用堆棧存儲指令來實現(xiàn)處理代碼生成器產(chǎn)

7、生代碼的虛擬引擎。B-樹驅(qū)動器通過表和索引中的B-tree創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫實例。B-tree模塊在磁盤建立1024字節(jié)大小的頁面緩存，進行讀寫緩沖，管理數(shù)據(jù)庫文件的讀/寫鎖定的權(quán)限。SQLite通過Linux系統(tǒng)的操作系統(tǒng)接口來打開和關(guān)閉、刪除和創(chuàng)建文件，釋放磁盤的緩沖。3SQLite系統(tǒng)與Linux的外部接口的具體應(yīng)用集成在一起，由程序調(diào)用相應(yīng)的核心API函數(shù)去實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存取操作。Sqlite3_open()可以打開數(shù)據(jù)庫文件，建立SQLite引擎;sqlite3_exec()對查詢結(jié)果進行處理;sqlite3_close()用來關(guān)閉數(shù)據(jù)庫文件，釋放SQLite引擎。4.3 對SQLite

8、存儲結(jié)構(gòu)及索引機制的改進由于SQLite所有數(shù)據(jù)都保存在設(shè)備的Flash中，為了減少FO操作，延長Flash的壽命，對數(shù)據(jù)的操作都設(shè)計為在內(nèi)存中完成，只在設(shè)備啟動和修改保存數(shù)據(jù)時才進行FO操作。將SQLite改進為基于內(nèi)存的嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，提高數(shù)據(jù)操作效率，增強實時性能。4.4 優(yōu)化SQL數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中采用區(qū)段式結(jié)構(gòu)進行內(nèi)存數(shù)據(jù)的組織管理，將存儲空間邏輯地劃分為多個分區(qū)。每個分區(qū)存儲一個關(guān)系。區(qū)段式數(shù)據(jù)組織管理機制如圖3所示。為保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的緊湊性，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系表按編號登記在分區(qū)表中。當(dāng)有新數(shù)據(jù)段插入時，在分區(qū)表或段表中找到插入點，插入點后的所有表項都往后移動一項；而

9、刪除一個表項時，則刪除點之后的所有表項都往前移動一項。為節(jié)省內(nèi)存占用，分區(qū)表和段表均采用動態(tài)數(shù)組結(jié)構(gòu)，具體操作是：創(chuàng)建時都先申請適當(dāng)大小的表項空間，數(shù)據(jù)的增加使得區(qū)段表不斷增長，當(dāng)表項空間不夠時，再申請一定數(shù)量的空間。相反，數(shù)據(jù)的刪除操作使得區(qū)段表不斷縮短，當(dāng)其尾部出現(xiàn)大量的空表項時，回收空表項占用的內(nèi)存。44.5 優(yōu)化內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的索引機制為適應(yīng)智能家居中對實時數(shù)據(jù)頻繁的查找和更新需求，進一步改進高效的索引機制加速操作的執(zhí)行速度，需優(yōu)化內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的索引機制。SQLite系統(tǒng)采用是基于改進的Hybrid-HT的H-T索引機制，本文通過優(yōu)化H-T機制中的哈希函數(shù)，通過對哈希表長的控制，分散了鍵值對

10、記錄指針和哈希地址的操作范圍，從而高效率利用內(nèi)存空間，提高查詢、修改的操作速度。55 家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計本文構(gòu)造的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)，是以S3C440系列嵌入式微處理器為中心，uCLinux嵌入式操作系統(tǒng)作為家庭網(wǎng)關(guān)的底層，移植部分功能模塊作為家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺。信息家電通過IAIDL接口向家庭網(wǎng)關(guān)注冊，每個家電的注冊信息、參數(shù)和狀態(tài)信息都存放在SQLite數(shù)據(jù)庫中，如圖4所示。信息家電接口定義語言（IAIDL）是一種用來定義智能家居網(wǎng)絡(luò)中信息家電的說明性語言，是對設(shè)備資源信息的描述。以某公司生產(chǎn)的某信息空調(diào)為例，其IAIDL描述如下：美的空調(diào) is 空調(diào)enum type=(slow，nor

11、mal，quick);enum switch=(on，off);attribute廠家=美的電器公司;attribute功率=1.5P;state溫度狀態(tài)Temp int(29:20:the_min_value，40:the_max_value);state風(fēng)速狀態(tài)fan type(normal，normal);function設(shè)置溫度void ST Temp(in int st(20，40):function設(shè)置風(fēng)速void ST Fan(in type ff);function開關(guān)void On Off(in switch 00);SQLite中家電信息表的生成IAIDL定義了家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)

12、備之間的互操作，詳細(xì)描述信息家電的屬性和功能。家庭網(wǎng)關(guān)利用編譯器提取設(shè)備所發(fā)送的IAIDL描述內(nèi)容進行解析，利用API函數(shù)將相關(guān)信息存儲在SQLite數(shù)據(jù)表中。SQLite庫中的信息表包含設(shè)備類型表、設(shè)備列表、設(shè)備屬性表、設(shè)備接口表、事件通道表五種表格。由系統(tǒng)將設(shè)備類型號作為關(guān)鍵字，作為每類設(shè)備的唯一標(biāo)識，如圖5所示。6編譯器對設(shè)備IAIDL完成分析掃描后，通過API函數(shù)接口生成數(shù)據(jù)庫文件。信息家電啟動時，系統(tǒng)會在內(nèi)存區(qū)域生成設(shè)備狀態(tài)表的副本作為設(shè)備運行狀態(tài)表。這些文件不會隨著時間的變化而發(fā)生改變，真正實時變化是處于運行狀態(tài)的設(shè)備狀態(tài)信息。實時監(jiān)控系統(tǒng)按一定的掃描頻率對內(nèi)存中的設(shè)備運行狀態(tài)表進

13、行掃描，數(shù)據(jù)采集模塊按照設(shè)定的頻率對外部信號進行采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中的設(shè)備運行狀態(tài)表，獲取最新的狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成對設(shè)備狀態(tài)的實時更新和控制。信息家電中的黑色家電是供人們娛樂休閑用的，如電視機、VCD、音響等。黑色家電的狀態(tài)絕大多數(shù)情況下不會發(fā)生改變，所以設(shè)定所有的黑色家電都沒有實時狀態(tài)信息，在內(nèi)存中不生成設(shè)備運行狀態(tài)表，需要查詢時可以從flash中讀取。而白色家電的狀態(tài)會隨著時間的變化而不斷變化，數(shù)據(jù)的實時性要求很高，如空調(diào)、電冰箱等，是改善生活環(huán)境提高物質(zhì)生活水平的。白色家電啟動后在內(nèi)存中生成設(shè)備運行狀態(tài)表，可以隨時監(jiān)視到設(shè)備狀態(tài)。在系統(tǒng)中構(gòu)建主動規(guī)則庫對設(shè)備的實時狀態(tài)進行監(jiān)控

14、，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)變化時對家電進行自動控制，或設(shè)備狀態(tài)異常進行報警，由ECA規(guī)則來實現(xiàn)。一旦信息家電出現(xiàn)異常情況，就要進行報警操作。信息家電在滿足這些設(shè)定的事件時，系統(tǒng)能自動執(zhí)行規(guī)定好的動作。7在設(shè)備運行過程中，數(shù)據(jù)隨著各種設(shè)備的運行不斷產(chǎn)生，系統(tǒng)將新的狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，實時數(shù)據(jù)會轉(zhuǎn)儲為歷史數(shù)據(jù)。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)備份模塊負(fù)責(zé)周期性將內(nèi)存中設(shè)備狀態(tài)表數(shù)據(jù)保存到Flash中。當(dāng)設(shè)備運行故障時，可以從歷史數(shù)據(jù)庫中進行恢復(fù)。6 家庭網(wǎng)關(guān)WEB服務(wù)器的設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)中各種動態(tài)信息需要服務(wù)器實時創(chuàng)建，服務(wù)器程序與客戶端瀏覽器有較強的交互能力。本文采用BOA+CGI應(yīng)用程序構(gòu)建WEB服務(wù)器。CG

15、I是外部擴展應(yīng)用程序與Web服務(wù)器交互的一個標(biāo)準(zhǔn)接口。Web服務(wù)器通過調(diào)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)和Web瀏覽器的交互，處理來自客戶端瀏覽器輸入的數(shù)據(jù)，從而完成客戶端與服務(wù)器的交互，實現(xiàn)動態(tài)Web技術(shù)。8WEB服務(wù)器從SQL查詢結(jié)果中讀取信息，同時把這些信息返回給客戶端。CGI應(yīng)用程序可以使用printf()函數(shù)將查詢結(jié)果以HTML的形式輸出到客戶端，向客戶端返回動態(tài)頁面，實現(xiàn)用戶WEB服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫SQLite的交互?？傊麄€家庭網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計都以嵌入式數(shù)據(jù)庫實時SQLite為核心，可有效滿足家庭網(wǎng)關(guān)對信息家電實時數(shù)據(jù)管理要求。7 結(jié)論本文針對嵌入式設(shè)備的實時性特點，結(jié)合家庭網(wǎng)關(guān)的實際應(yīng)用需求，對SQ

16、Lite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)部函數(shù)、外部接口、索引算法等方面進行了改進與優(yōu)化。提高了系統(tǒng)整體實時性能；完善了數(shù)據(jù)庫的安全性；降低了系統(tǒng)資源占用，良好的匹配了現(xiàn)有ARM架構(gòu)的家庭網(wǎng)關(guān)硬件體系，完全能滿足家庭網(wǎng)關(guān)對信息家電實時數(shù)據(jù)管理的要求。由于自身水平、設(shè)備條件有限，本文還有很多需進一步改進的地方，如事務(wù)處理的調(diào)度和執(zhí)行策略方面；身份驗證、數(shù)據(jù)加密等安全性研究方面，對報警庫，CA庫，ECA庫的詳細(xì)設(shè)計方面還有待于進一步的充實和完善。參考文獻：1宋安，習(xí)勇，魏急波.基于CLinux的NAT設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)J.電子工程師，2005-05-15.2徐葉，袁敏，李國軍.嵌入式Web服務(wù)器遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.計算機與現(xiàn)代化，2013-02-27.3王俊，郭書軍.嵌入式Web服務(wù)器的實現(xiàn)及其CGI應(yīng)用J.