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摘要：針對傳統(tǒng)Web技術路線方案用于構造變電站自動化系統(tǒng)中Web服務器存在的困難，提出應用嵌入式技術開發(fā)變電站自動化系統(tǒng)中嵌入式Web服務器的基本思想。本文結合變電站監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)實例，介紹了嵌入式Web服務器的功能，給出了系統(tǒng)基于三層B/S結構的瘦Web服務器體系結構，詳細闡述了嵌入式Web服務器實現(xiàn)的一些關鍵技術，包括：采用自定義數(shù)據(jù)點標記使得網(wǎng)頁設計與服務器程序分離，系統(tǒng)具有靈活性和可擴展性；提出數(shù)據(jù)點基于“點”和基于“面”的雙重復用技術，滿足嵌入式Web服務器有限資源約束；集成嵌入式JavaApplet和javascript實現(xiàn)中間機制，解決了變電站自動化系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)點實時動態(tài)刷新的問題；采用PPP鏈路提供遠程訪問接入服務和發(fā)送電子郵件等。變電站自動化系統(tǒng)這種基于嵌入式Web服務器的遠程監(jiān)控維護方式將有效降低系統(tǒng)監(jiān)控運行維護成本、提高監(jiān)控運行維護效率，因而具有很大的應用前景和推廣價值。

關鍵詞：嵌入式Web服務器；變電站自動化系統(tǒng)；自定義標記；數(shù)據(jù)點復用；嵌入式Java；PPP

中圖分類號：TM77；TP393

0引言

Internet網(wǎng)絡技術應用于變電站自動化領域?qū)е略擃I域傳統(tǒng)運行維護模式的一場變革：將Web服務器“植入”變電站自動化系統(tǒng)后接入Internet，在世界上任何一個地方即可通過網(wǎng)絡瀏覽器從Internet獲取該Web服務器的系統(tǒng)實時信息，進而實現(xiàn)遠程實時控制、調(diào)節(jié)與維護；并且，這種基于HTML標準化的Web用戶界面降低了為不同操作平臺而定制人機界面的開發(fā)費用、通信費用、人員培訓費用和系統(tǒng)升級維護費用。顯然，變電站自動化系統(tǒng)這種基于Web的遠程監(jiān)控維護方式將克服傳統(tǒng)本地監(jiān)控維護方式[1]存在的低效率、高成本的缺陷。

但是，傳統(tǒng)的Web技術路線方案[2,3]不能直接用于構造變電站自動化系統(tǒng)中的Web服務器。傳統(tǒng)Web服務器以具有高運算處理能力和海量存儲容量的工作站或PC機為硬件工作平臺，以非實時操作系統(tǒng)為軟件工作平臺，其上運行的是大型復雜的服務器程序，典型的如基于WindowsNT的IIS（InternetInformationServer）、基于Unix的ApacheWebServer等，服務器的這種高檔配置方案對于大量使用8位、16位或32位單片機的變電站自動化系統(tǒng)而言是不現(xiàn)實的要求。

基于嵌入式技術[4,5]的嵌入式Web服務器的出現(xiàn)為解決以上問題開辟了一條嶄新途徑。嵌入式Web服務器以8位、16位或32位單片機為硬件工作平臺，以嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）為軟件工作平臺，其上運行小型精簡的服務器程序。已有嵌入式Web服務器的成功開發(fā)案例主要集中于通信領域中的路由器、交換機、網(wǎng)絡視頻監(jiān)控等產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的共同特征是監(jiān)控數(shù)據(jù)點較少,而變電站自動化領域中的嵌入式Web服務器需要處理的是大批量的采集監(jiān)控點，目前這方面的研究報導甚為少見。

本文以開發(fā)煙臺東方電子高壓變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)DF3600中嵌入式Web服務器的項目實踐為例，闡述應用嵌入式技術開發(fā)變電站自動化系統(tǒng)中嵌入式Web服務器的一般性設計方法和一些關鍵實現(xiàn)技術。

1系統(tǒng)功能需求分析

主要包括以下七個方面。

1.1實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)動態(tài)功能

實時數(shù)據(jù)包括遙測、遙信、電度、時鐘信息等，歷史數(shù)據(jù)包括事項信息、保護動作信息等。嵌入式Web服務器將實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁形式到Internet網(wǎng)上，且動態(tài)實時刷新，遠方客戶通過接入Internet瀏覽該服務器的高壓監(jiān)控系統(tǒng)實時信息。

1.2參數(shù)設置功能

參數(shù)包括運行參數(shù)和設備狀態(tài)參數(shù)，如遙測、遙信、電度的初始值、整定系數(shù)、滿度值等。Web服務器接收到遠方客戶提交的參數(shù)設置請求后執(zhí)行參數(shù)寫入操作。

1.3遠程實時控制功能

控制功能包括遙控、遙調(diào)、同期操作和定值切換。Web服務器接收到遠方客戶提交的控制操作請求后，下發(fā)控制命令驅(qū)動監(jiān)控系統(tǒng)中相應的執(zhí)行機構。

1.4文件下載與上傳功能

下載和上傳的文件是指系統(tǒng)、模塊和端口的配置信息參數(shù)文件。下載功能是將參數(shù)文件從Web服務器方下載到客戶方，上傳功能是將參數(shù)文件從客戶方上傳至Web服務器方。

1.5電子郵件告警（SMTP）功能

電子郵件告警功能用于當變電站設備運行出現(xiàn)異常時，Web服務器通過Internet自動發(fā)送電子郵件，及時通知管理人員進行設備維護。此外，在系統(tǒng)正常運行期間，還可以根據(jù)用戶設置，定期向指定的E-mail信箱發(fā)送變電站自動化系統(tǒng)運行日志。

1.6訪問級別設置與權限認證功能

訪問級別設置不僅提供傳統(tǒng)的“基于頁面”方式，而且提供靈活的“基于對象”方式，單個設備、數(shù)據(jù)采集點均可成為“對象”，這樣同一頁面不同重要等級的數(shù)據(jù)點可被設置為不同的訪問級別，只有權限不低于設備要求訪問級別的客戶經(jīng)Web服務器認證后方可進行其權限范圍內(nèi)的監(jiān)控操作。

1.7PPP撥號上網(wǎng)功能

Web服務器通過PPP（PointtoPointProtocol）撥號方式接入Internet提供遠程訪問服務。

2系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)體系結構

圖1系統(tǒng)體系結構

嵌入式Web服務器的PC網(wǎng)關體系結構[6]作為現(xiàn)有變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡化的手段或許可以接受，但從嚴格意義而言，這不是真正意義上的嵌入式Web服務器，且因此而添加購置的PC機網(wǎng)關提高了系統(tǒng)的整體造價成本。由嵌入式系統(tǒng)自身實現(xiàn)Web服務器功能是真正意義上的嵌入式Web服務器，但若使系統(tǒng)中每一臺嵌入式設備都具備Web服務器功能，一則Internet通信協(xié)議簇要求CPU的運算速度和存儲器的存儲容量較高，導致系統(tǒng)造價成本大幅度提高，再則每臺嵌入式設備成為Web服務器接入Internnet也無必要。因此較為合理的體系結構方案是：系統(tǒng)中一臺配置較高的嵌入式設備完成嵌入式Web服務器功能，其它配置較低的嵌入式設備完成數(shù)據(jù)采集和控制功能。

本監(jiān)控系統(tǒng)即是基于以上思想構建而成，其分層分級分布式體系結構如圖1所示，系統(tǒng)由一臺通信處理裝置（CPU為32位的IntelX86系列單片機）、若干臺分布的測控保護裝置（CPU為32位的M68332單片機）組成，各裝置間以現(xiàn)場總線CAN、FDKBus或工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)。通信處理裝置采用分層分級模塊化結構，Web服務器嵌入其中，主要完成的功能包括：通過現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)收集各測控保護裝置的采集信息并向Internet，接收Internet上的遠程客戶提交的配置控制命令后下發(fā)給測控保護裝置執(zhí)行。

2.2嵌入式Web服務器的體系結構

如圖2所示，嵌入式Web服務器為基于三層B/S結構的瘦Web服務器。其中，HTTPServer和Client間的通信協(xié)議采用HTTP1.1，嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)pSOS提供TCP/IP協(xié)議支持，編程接口為BerkerlySockets4.3，HTTPServer與DatabaseServer間的交互接口為CGI(CommonGatewayInterface)。整個嵌入式Web服務器程序采用ANSIC編寫，HTML頁面的制作采用MicrosoftFrontpage2000，系統(tǒng)主頁面如圖3所示。

3系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術

3.1自定義數(shù)據(jù)點標記

網(wǎng)頁只提供文件鏈接功能，欲在網(wǎng)頁中顯示變電站自動化系統(tǒng)中大量的實時數(shù)據(jù)，常規(guī)方法是將HTML代碼直接集成到程序代碼中，如,或者反之將C程序代碼集成到HTML標記語言中，這兩種方法均要求開發(fā)人員對HTML標記語言的語法細節(jié)非常熟悉，且網(wǎng)頁界面或程序結構的單方面調(diào)整都將導致整個系統(tǒng)全盤修改，系統(tǒng)不具靈活性與可擴展性。

網(wǎng)頁描述語言HTML的精髓在于該語言的“標記”性，各種不同的標記如的具體含義是由Web服務器和Web瀏覽器進行解析，因此，當現(xiàn)有即定標記不能滿足新的應用需求時，不妨自行定義新的標記，只需自己的Web服務器將自定義標記解析為標準標記，然后傳送給標準Web瀏覽器解析成的Web頁面即可。

基于以上思想，本系統(tǒng)中定義數(shù)據(jù)點標記用于在網(wǎng)頁中嵌入動態(tài)實時數(shù)據(jù)，再定義如圖4所示的數(shù)據(jù)字典。運行時當客戶端發(fā)出查看實時數(shù)據(jù)“GETMethod”請求后，嵌入式Web服務器將相應HTML文件從電子盤加載到內(nèi)存進行逐項解析，辯識出標記后，從數(shù)據(jù)字典中查找該標記對應的Get_Handler指針，用Get_Handler返回的該標記對應的數(shù)據(jù)點當前值置換

圖3系統(tǒng)主頁

HTML文件流中的標記，全部解析過程完成后，嵌入式Web服務器將解析結果通過HTTP協(xié)議發(fā)送給客戶端，經(jīng)客戶端的Web瀏覽器解析后變?yōu)閃eb頁面呈現(xiàn)在客戶端面前。以上過程為實時數(shù)據(jù)查看的實現(xiàn)機制，參數(shù)設置和遠程實時控制的實現(xiàn)機制基本類同，所不同的是，客戶端發(fā)出的是“POSTMethod”請求，服務器在數(shù)據(jù)字典中查找的是“Set_Handler指針”。

以上分析表明，通過自定義數(shù)據(jù)點標記實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)Web頁面中實時數(shù)據(jù)點的動態(tài)顯示和控制，動態(tài)數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁嵌入設計與動態(tài)數(shù)據(jù)的Web服務器處理程序得以分離，處于一種弱耦合關聯(lián)狀態(tài)，這樣，網(wǎng)頁界面的調(diào)整不會影響Web服務器的程序設計，Web服務器程序的修改也與網(wǎng)頁界面設計無關，整個嵌入式Web服務器設計具有了靈活性和可擴展性。

3.2數(shù)據(jù)點復用技術

本系統(tǒng)中測控裝置和保護裝置最大配置為255個，每個裝置中的遙測、遙信、電度等采集點又分別最多可達96路，若每個裝置對應一個頁面，裝置中的每一個數(shù)據(jù)點對應該Web頁面中的一個，勢必導致系統(tǒng)中所有Web頁面文件個數(shù)和每個Web頁面文件大小趨于無窮。對于以有限資源約束為主要特征的嵌入式系統(tǒng)而言，這種Web頁面設計方案不具可行性。

解決方法之一是采用復用技術，提出“基于點”和“基于面”的雙重復用技術。以綜合測控裝置的遙信點為例，系統(tǒng)中所有綜合測控裝置共用同一Web頁面，該頁面中的所有遙信點共用一個數(shù)據(jù)點標記

其中，為帶參數(shù)的自定義標記，用于循環(huán)控制，數(shù)據(jù)點標記表示該裝置中的遙信點個數(shù)。運行時當嵌入式Web服務器辯識至，該標記將被解析為二維數(shù)組變量MsYxVal[devNo][ptNo]，其中：devNo為該遙信點所在DF3670類型裝置的設備序號（可理解為頁面號），devNo由URL中QueryString提交，限于HTTP協(xié)議的無狀態(tài)記憶性，提交后的devNo由HTML文件中的FormHiddenElement記憶；ptNo為該遙信點在裝置中的遙信點序號（可理解為點號），ptNo值表征循環(huán)標記REPEAT中當前的循環(huán)次數(shù)。此后，服務器將devNo和ptNo作為參數(shù)傳給MsYxVal所在數(shù)據(jù)頁面中的Get/Set_Handler函數(shù)進行處理，得到返回值置換標記。

采用以上數(shù)據(jù)點雙重復用技術后，系統(tǒng)總Web頁面文件個數(shù)為16，最大Web頁面文件大小為5KB。

3.3嵌入式JavaApplet與javascript

HTML頁面技術只提供基于頁面的瀏覽刷新機制，這一機制用于顯示只需動態(tài)刷新數(shù)據(jù)點的頁面時存在閃爍缺陷，解決的方法是采用Java技術[7]。Java以其平臺無關性、可下載性、動態(tài)性而成為一種優(yōu)秀的Internet編程語言，但將Java直接用于嵌入式系統(tǒng)存在以下問題：（1）Java虛擬機JVM腳本相對存儲資源有限的嵌入式系統(tǒng)過于龐大；（2）由于HTTP協(xié)議的無狀態(tài)性，WebServer為響應多個JavaApplet周期性的刷新請求被迫反復的創(chuàng)建再刪除TCP堆棧，當請求周期足夠短時，根據(jù)Heisenberg原理，有限資源的嵌入式系統(tǒng)的CPU將很快達到其處理能力的極限。因此，從這一角度而言，嵌入式系統(tǒng)中允許使用的Applet個數(shù)是有限的，但這一限制這對于有大量數(shù)據(jù)點需實時動態(tài)刷新的變電站自動化系統(tǒng)而言是不現(xiàn)實的要求。

為解決以上問題，本系統(tǒng)放棄了常規(guī)Java虛擬機機制而采用中間機制，如圖5所示，所有下載到客戶端的Applet（包括圖形化Applet和數(shù)據(jù)Applet）與WebServer的交互都需要通過中間AppletBroker，該Applet在Web頁面上不可視，其功能有兩個方面，一是將所有圖形化Applet和數(shù)據(jù)Applet對嵌入式Web服務器的數(shù)據(jù)請求“整合”后送往Web服務器，另一方面則是將從嵌入式Web服務器接收到的響應分發(fā)給相應的圖形化Applet和數(shù)據(jù)Applet。這樣，若干Applet與嵌入式Web服務器的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)得以最小化，嵌入式Web服務器對于Applet的響應處理負載得以減輕，系統(tǒng)允許使用的Applet不再有個數(shù)限制。

此外，Brower方的控制應用程序采用了JavaSript配合JavaApplet完成與服務器的交互過程。JavaSript用于控制管理Brower方各客戶不同的操作信息，通過QueryingString或FormHiddenElement向WebServer提交，Server解析提交信息后置值，然后下載該Applet，Applet下載至客戶端開始運行，首先從中讀取相應信息完成初始化過程，進而開始與服務器的LoginàGetàLogout的循環(huán)交互。

3.4訪問級別設置與權限認證

嵌入式設備上網(wǎng)后，安全性問題成為衡量系統(tǒng)性能的一項重要指標。本系統(tǒng)對此采用了訪問權限認證機制，其中：設計階段中的訪問級別設置不僅提供傳統(tǒng)的“基于頁面”方式，而且，提供靈活的“基于對象”的方式，單個設備，數(shù)據(jù)采集點的DataMark均可成為“對象”，這樣同一頁面不同重要級別的數(shù)據(jù)點可被分別設置為不同的讀、寫操作訪問級別，只有權限不低于設定要求訪問級別的客戶經(jīng)Web服務器認證后方可進行其權限范圍內(nèi)的監(jiān)控操作；運行階段中權限認證采用javascript-Digest方式，相對傳統(tǒng)Browser-based的雙向可逆Base64加密算法，javascript-Digest的MD5加密算法具有不可逆性，因此用戶名和密碼即使被網(wǎng)上非法用戶截獲也無法破解，此外，系統(tǒng)權限認證中使用的Cookie駐留客戶端Browser內(nèi)存中而非客戶端的硬盤文件中，因此非法用戶也無法在客戶端從Cookie中獲取合法用戶名和訪問密碼。

3.5Point-to-PointProtocol（PPP）與電子郵件告警（SMTP）

PPP鏈路一般工作于ServerMode以提供遠程訪問接入服務，當發(fā)送電子郵件告警信息時，PPP鏈路切換至ClientMode。電子郵件告警信息的發(fā)送采用SMTP（SendMailTransferProtocol）協(xié)議，發(fā)送前應設置ISP（InternetServiceProvider）為到達電子郵局的出口網(wǎng)關，例如ISP可選用163電信局，電子郵局可選用263郵局。

4結語

本文重點探討了變電站自動化系統(tǒng)中嵌入式Web服務器的設計方法與實現(xiàn)中的一些關鍵問題，嵌入式Web服務器的其它一些功能（包括文件上傳與下載、權限登陸與注銷等）的實現(xiàn)類同傳統(tǒng)Web服務器，限于篇幅，本文不再贅述。

目前DF3600系統(tǒng)已順利通過北京電科院質(zhì)檢中心的入網(wǎng)測試，表明利用嵌入式技術在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)變電站自動化系統(tǒng)中的嵌入式Web服務器是切實可行的。變電站自動化系統(tǒng)基于嵌入式Web服務器的遠程監(jiān)控維護方式將有效降低監(jiān)控運行維護成本、提高監(jiān)控運行維護效率，因而具有很大的應用前景和推廣價值。

參考文獻

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7PetervanderLinden.JustJavaandBeyong.PaloAlto,California:SunMicrosystemsPress,1998

DesignandImplementationofEmbeddedWebServerinSubstationAutomationSystem

Abstracts:Aimedatthedifficultyofapplyingtraditionalwebtechnologytoconstructwebserverinsubstationautomationsystem,anewideologyofadoptingembeddedtechnologytodevelopembeddedwebserverinsubstationautomationsystemisproposedinthepaper.Withanexampleofdevelopingansubstationautomationsystemproduct,thefunctionandarchitectureofembeddedwebserverarepresented.Thekeyrealizationtechnologiesaredescribedindetail,whichincludeusingcustomtagstoseparatepagedesigningfromserverprogrammingfortheflexibilityandexpandabilityofsystem,puttingoutthedoublereusebasedonpointandpagetosatisfytheconstraintoflimitedresourceinembeddedwebserver,integratingembeddedJavaAppletandjavascripttoimplementthebrokerforreal-timeupdateoflotsofdatapointsinsubstationautomationsystem,adoptingPPPlinktoprovideremoteaccessserviceane-mailtransmissionetc.Theremotemonitorandcontrolmodebasedonembeddedwebserverinsubstationautomationsystemwilldecreasesystemrunningcostandimprovemaintainingefficiency,whichhaswideapplicationprospectandpopularizationvalue.

Keywords:embeddedwebserver;substationautomationsystem;customtags;data-pointreuse;embeddedJava;PPP