變電站自動化系統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)摘要：針對傳統(tǒng)統(tǒng)Web技術(shù)路線方方案用于構(gòu)造造變電站自動動化系統(tǒng)中Web服務(wù)器存在在的困難，提提出應(yīng)用嵌入式技技術(shù)開發(fā)變電電站自動化系系統(tǒng)中嵌入式式Web服務(wù)器的基基本思想。本本文結(jié)合變電電站監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)實實例，介紹了了嵌入式Web服務(wù)器的功功能，給出了了系統(tǒng)基于三三層B/S結(jié)構(gòu)的瘦Web服務(wù)器體系系結(jié)構(gòu)，詳細細闡述了嵌入入式Web服務(wù)器實現(xiàn)現(xiàn)的一些關(guān)鍵鍵技術(shù)，包括括：采用自定定義數(shù)據(jù)點標標記使得網(wǎng)頁頁設(shè)計與服務(wù)務(wù)器程序分離離，系統(tǒng)具有有靈活性和可可擴展性；提提出數(shù)據(jù)點基基于“點”和基于“面”的雙重復(fù)用用技術(shù)，滿足足嵌入式Web服務(wù)器有限限資源約束；；集成嵌入式式JavaAApplett和JavaSScriptt實現(xiàn)中間代代理機制，解解決了變電站站自動化系統(tǒng)統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)據(jù)點實時動態(tài)態(tài)刷新的問題題；采用PPP鏈路提供遠遠程訪問接入入服務(wù)和發(fā)送送電子郵件等。變變電站自動化化系統(tǒng)這種基基于嵌入式Web服務(wù)器的遠遠程監(jiān)控維護護方式將有效效降低系統(tǒng)監(jiān)監(jiān)控運行維護護成本、提高高監(jiān)控運行維維護效率，因因而具有很大大的應(yīng)用前景景和推廣價值值。

關(guān)鍵詞：：嵌入式Web服務(wù)器；變變電站自動化化系統(tǒng)；自定定義標記；數(shù)數(shù)據(jù)點復(fù)用；；嵌入式Java；PPP

中圖分分類號：TMM77；TP39330引言Interneet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用用于變電站自自動化領(lǐng)域?qū)?dǎo)致該領(lǐng)域域傳統(tǒng)運行維維護模式的一一場變革：將將Web服務(wù)器“植入”變電站自動動化系統(tǒng)后接接入Interrnet，在世界上上任何一個地地方即可通過過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器器從Interrnet獲取該Web服務(wù)器發(fā)布布的系統(tǒng)實時時信息，進而而實現(xiàn)遠程實實時控制、調(diào)調(diào)節(jié)與維護；；并且，這種種基于HTML標準化的Web用戶界面降降低了為不同同操作平臺而而定制人機界界面的開發(fā)費費用、通信費費用、人員培培訓(xùn)費用和系系統(tǒng)升級維護護費用。顯然然，變電站自自動化系統(tǒng)這這種基于Web的遠程監(jiān)控控維護方式將將克服傳統(tǒng)本本地監(jiān)控維護護方式[1]存在的低效效率、高成本本的缺陷。

但但是，傳統(tǒng)的的Web技術(shù)路線方方案[2,3]不能直接用用于構(gòu)造變電電站自動化系系統(tǒng)中的Web服務(wù)器。傳傳統(tǒng)Web服務(wù)器以具具有高運算處處理能力和海海量存儲容量量的工作站或或PC機為硬件工工作平臺，以以非實時操作作系統(tǒng)為軟件件工作平臺，其其上運行的是是大型復(fù)雜的的服務(wù)器程序序，典型的如如基于WindoowsNTT的IIS（InterrnetIInformmationnServver）、基于Unix的ApachheWebbServver等，服務(wù)器器的這種高檔檔配置方案對對于大量使用用8位、16位或32位單片機的的變電站自動動化系統(tǒng)而言言是不現(xiàn)實的的要求。

基于于嵌入式技術(shù)術(shù)[4,5]的嵌入式Web服務(wù)器的出出現(xiàn)為解決以以上問題開辟辟了一條嶄新新途徑。嵌入入式Web服務(wù)器以8位、16位或32位單片機為為硬件工作平平臺，以嵌入入式實時多任任務(wù)操作系統(tǒng)統(tǒng)（RTOS）為軟件工工作平臺，其其上運行小型型精簡的服務(wù)務(wù)器程序。已已有嵌入式Web服務(wù)器的成成功開發(fā)案例例主要集中于于通信領(lǐng)域中中的路由器、交交換機、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)視頻監(jiān)控等等產(chǎn)品，這類類產(chǎn)品的共同同特征是監(jiān)控控數(shù)據(jù)點較少少,而變電站自自動化領(lǐng)域中中的嵌入式Web服務(wù)器需要要處理的是大大批量的采集集監(jiān)控點，目目前這方面的的研究報導(dǎo)甚為為少見。

本文文以開發(fā)煙臺臺東方電子高高壓變電站綜綜合自動化監(jiān)監(jiān)控系統(tǒng)DF36000中嵌入式Web服務(wù)器的項項目實踐為例例，闡述應(yīng)用用嵌入式技術(shù)術(shù)開發(fā)變電站站自動化系統(tǒng)統(tǒng)中嵌入式Web服務(wù)器的一一般性設(shè)計方方法和一些關(guān)關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)術(shù)。1系統(tǒng)功能需求求分析主要包括以下七七個方面。

11.1實時數(shù)據(jù)與與歷史數(shù)據(jù)動態(tài)態(tài)發(fā)布功能實實時數(shù)據(jù)包括括遙測、遙信信、電度、時時鐘信息等，歷歷史數(shù)據(jù)包括括事項信息、保保護動作信息息等。嵌入式式Web服務(wù)器將實實時數(shù)據(jù)和歷歷史數(shù)據(jù)以網(wǎng)網(wǎng)頁形式發(fā)布布到Interrnet網(wǎng)上，且動動態(tài)實時刷新新，遠方客戶戶通過接入Interrnet瀏覽該服務(wù)務(wù)器發(fā)布的高高壓監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)實時信息。

1.2參數(shù)設(shè)置功能參數(shù)包括運行參數(shù)和設(shè)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(wù)器接收到遠方客戶提交的參數(shù)設(shè)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(wù)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(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。

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(wù)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(wù)器方。

1.5電子郵件告警（SMTP）功能電子郵件告警功能用于當(dāng)變電站設(shè)備運行出現(xiàn)異常時，Web服務(wù)器通過Internet自動發(fā)送電子郵件，及時通知管理人員進行設(shè)備維護。此外，在系統(tǒng)正常運行期間，還可以根據(jù)用戶設(shè)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(shè)置與權(quán)限認證功能訪問級別設(shè)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(shè)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(shè)置為不同的訪問級別，只有權(quán)限不低于設(shè)備要求訪問級別的客戶經(jīng)Web服務(wù)器認證后方可進行其權(quán)限范圍內(nèi)的監(jiān)控操作。

1.7PPP撥號上網(wǎng)功能Web服務(wù)器通過PPP（PointtoPointProtocol）撥號方式接入Internet提供遠程訪問服務(wù)。2系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)體系系結(jié)構(gòu)嵌入式Web服服務(wù)器的PC網(wǎng)關(guān)體系結(jié)結(jié)構(gòu)[6]作為現(xiàn)有變變電站自動化化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化化的手段或許許可以接受，但但從嚴格意義義而言，這不不是真正意義義上的嵌入式式Web服務(wù)器，且且因此而添加加購置的PC機網(wǎng)關(guān)提高高了系統(tǒng)的整整體造價成本本。由嵌入式式系統(tǒng)自身實實現(xiàn)Web服務(wù)器功能能是真正意義義上的嵌入式式Web服務(wù)器，但但若使系統(tǒng)中中每一臺嵌入入式設(shè)備都具具備Web服務(wù)器功能能，一則Interrnet通信協(xié)議簇簇要求CPU的運算速度度和存儲器的的存儲容量較較高，導(dǎo)致系系統(tǒng)造價成本本大幅度提高高，再則每臺臺嵌入式設(shè)備備成為Web服務(wù)器接入Interrnnet也無必要。因因此較為合理理的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)方案是：系系統(tǒng)中一臺配配置較高的嵌嵌入式設(shè)備完完成嵌入式Web服務(wù)器功能能，其它配置置較低的嵌入入式設(shè)備完成成數(shù)據(jù)采集和和控制功能。

本監(jiān)控系統(tǒng)即是基于以上思想構(gòu)建而成，其分層分級分布式體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，Web服務(wù)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發(fā)布，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(wù)器的體系結(jié)構(gòu)嵌入式Web服服務(wù)器為基于于三層B/S結(jié)構(gòu)的瘦Web服務(wù)器。其其中，HTTPServeer和Cliennt間的通信協(xié)協(xié)議采用HTTP1.1，嵌入式實時時多任務(wù)操作作系統(tǒng)pSOS提供TCP/IIP協(xié)議支持，編編程接口為BerkeerlySSocketts4.33，HTTPServeer與DataabaseServeer間的交互接接口為CGI((CommoonGattewayInterrface))。整個嵌入入式Web服務(wù)器程序序采用ANSIC編寫，HTML頁面的制作作采用MicroosoftFronttpage2000，系統(tǒng)主頁頁面如圖3所示。3系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵鍵技術(shù)3.1自定義數(shù)數(shù)據(jù)點標記網(wǎng)網(wǎng)頁只提供文文件鏈接功能能，欲在網(wǎng)頁頁中顯示變電電站自動化系系統(tǒng)中大量的的實時數(shù)據(jù)，常常規(guī)方法是將HTML代碼直接集集成到程序代代碼中，如,,或者反之將C程序代碼集集成到HTML標記語言中中，這兩種方方法均要求開開發(fā)人員對HTML標記語言的的語法細節(jié)非非常熟悉，且且網(wǎng)頁界面或或程序結(jié)構(gòu)的的單方面調(diào)整整都將導(dǎo)致整整個系統(tǒng)全盤盤修改，系統(tǒng)統(tǒng)不具靈活性性與可擴展性性。

網(wǎng)頁描述述語言HTML的精髓在于于該語言的“標記”性，各種不不同的標記如如的具體含義義是由Web服務(wù)器和Web瀏覽器進行行解析，因此此，當(dāng)現(xiàn)有即即定標記不能能滿足新的應(yīng)應(yīng)用需求時，不不妨自行定義義新的標記，只只需自己的Web服務(wù)器將自自定義標記解解析為標準標標記，然后傳傳送給標準Web瀏覽器解析析成的Web頁面即可。

基基于以上思想想，本系統(tǒng)中中定義數(shù)據(jù)點點標記用于在在網(wǎng)頁中嵌入入動態(tài)實時數(shù)數(shù)據(jù)，再定義義的數(shù)據(jù)字典典。運行時當(dāng)當(dāng)客戶端發(fā)出出查看實時數(shù)數(shù)據(jù)“GETMMethodd”請求后，嵌嵌入式Web服務(wù)器將相相應(yīng)HTML文件從電子盤加載到到內(nèi)存進行逐逐項解析，辯辯識出標記后后，從數(shù)據(jù)字字典中查找該該標記對應(yīng)的的Get_HHandleer指針，用Get_HHandleer返回的該標標記對應(yīng)的數(shù)數(shù)據(jù)點當(dāng)前值值置換HTML文件流中的的標記，全部部解析過程完完成后，嵌入入式Web服務(wù)器將解解析結(jié)果通過過HTTP協(xié)議發(fā)送給給客戶端，經(jīng)經(jīng)客戶端的Web瀏覽器解析析后變?yōu)閃eb頁面呈現(xiàn)在在客戶端面前前。以上過程程為實時數(shù)據(jù)據(jù)查看的實現(xiàn)現(xiàn)機制，參數(shù)數(shù)設(shè)置和遠程程實時控制的的實現(xiàn)機制基基本類同，所所不同的是，客客戶端發(fā)出的的是“POSTMethood”請求，服務(wù)務(wù)器在數(shù)據(jù)字字典中查找的的是“Set_HHandleer指針”。以上分析表明，通通過自定義數(shù)數(shù)據(jù)點標記實實現(xiàn)變電站自自動化系統(tǒng)Web頁面中實時時數(shù)據(jù)點的動動態(tài)顯示和控控制，動態(tài)數(shù)數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁嵌嵌入設(shè)計與動動態(tài)數(shù)據(jù)的Web服務(wù)器處理理程序得以分分離，處于一一種弱耦合關(guān)關(guān)聯(lián)狀態(tài)，這這樣，網(wǎng)頁界界面的調(diào)整不不會影響Web服務(wù)器的程程序設(shè)計，Web服務(wù)器程序序的修改也與與網(wǎng)頁界面設(shè)設(shè)計無關(guān)，整整個嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計計具有了靈活活性和可擴展展性。3.2數(shù)據(jù)點復(fù)復(fù)用技術(shù)本系系統(tǒng)中測控裝裝置和保護裝裝置最大配置置為255個，每個裝裝置中的遙測測、遙信、電電度等采集點點又分別最多多可達96路，若每個個裝置對應(yīng)一一個頁面，裝裝置中的每一一個數(shù)據(jù)點對對應(yīng)該Web頁面中中的一個，勢勢必導(dǎo)致系統(tǒng)統(tǒng)中所有Web頁面文件個個數(shù)和每個Web頁面文件大大小趨于無窮窮。對于以有有限資源約束束為主要特征征的嵌入式系系統(tǒng)而言，這這種Web頁面設(shè)計方方案不具可行行性。

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

其中，為帶參參數(shù)的自定義義標記，用于于循環(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(dāng)嵌入式Web服務(wù)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(shè)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(dāng)前的循環(huán)次數(shù)。此后，服務(wù)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(fù)用技術(shù)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JavaScriptHTML頁面技術(shù)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(shù)[7]。Java以其平臺無關(guān)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(yīng)多個JavaApplet周期性的刷新請求被迫反復(fù)的創(chuàng)建再刪除TCP堆棧，當(dāng)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。為解決以上問題題，本系統(tǒng)放放棄了常規(guī)Java虛擬機機制制而采用中間間代理機制，如如圖5所示，所有有下載到客戶戶端的Appleet（包括圖形形化Appleet和數(shù)據(jù)Appleet）與WebSServerr的交互都需需要通過中間間代理AppleetBrooker，該Appleet在Web頁面上不可可視，其功能能有兩個方面面，一是將所所有圖形化Appleet和數(shù)據(jù)Appleet對嵌入式Web服務(wù)器的數(shù)數(shù)據(jù)請求“整合”后送往Web服務(wù)器，另另一方面則是是將從嵌入式式Web服務(wù)器接收收到的響應(yīng)分分發(fā)給相應(yīng)的的圖形化Appleet和數(shù)據(jù)Appleet。這樣，若若干Appleet與嵌入式Web服務(wù)器的數(shù)數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)數(shù)得以最小化化，嵌入式Web服務(wù)器對于Appleet的響應(yīng)處理理負載得以減減輕，系統(tǒng)允允許使用的Appleet不再有個數(shù)數(shù)限制。

此外，Broweer方的控制應(yīng)用用程序采用了JavaSSript配合JavaAApplett完成與服務(wù)務(wù)器的交互過過程。JavaSSript用于控制管管理Broweer方各客戶不不同的操作信信息，通過QueryyingSStringg或FormmHidddenEllementt向WebSServerr提交，Serveer解析提交信信息后置值，然然后下載該Appleet，Appllet下載至客戶戶端開始運行行，首先從中中讀取相應(yīng)信信息完成初始始化過程，進進而開始與服服務(wù)器的LoginnàGetààLogouut的循環(huán)交互互。

3.4訪問級別設(shè)設(shè)置與權(quán)限認認證嵌入式設(shè)設(shè)備上網(wǎng)后，安安全性問題成成為衡量系統(tǒng)統(tǒng)性能的一項項重要指標。本本系統(tǒng)對此采采用了訪問權(quán)權(quán)限認證機制制，其中：設(shè)設(shè)計階段中的的訪問級別設(shè)設(shè)置不僅提供供傳統(tǒng)的“基于頁面”方式，而且且，提供靈活活的“基于對象”的方式，單單個設(shè)備，數(shù)數(shù)據(jù)采集點的的DataMMark均可成為“對象”，這樣同一一頁面不同重重要級別的數(shù)數(shù)據(jù)點可被分分別設(shè)置為不不同的讀、寫寫操作訪問級級別，只有權(quán)權(quán)限不低于設(shè)設(shè)定要求訪問問級別的客戶戶經(jīng)Web服務(wù)器認證證后方可進行行其權(quán)限范圍圍內(nèi)的監(jiān)控操操作；運行階階段中權(quán)限認認證采用JavaSScriptt-Digeest方式，相對對傳統(tǒng)Browsser-baased的雙向可逆Base664加密算法，JavaSScriptt-Digeest的MD5