席志成，李 海，張文亮

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

針對(duì)安裝于遠(yuǎn)洋船舶的無人值守艙室中的設(shè)備，設(shè)計(jì)了一種基于B/S(Browser/Server)架構(gòu)的設(shè)備遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)依托設(shè)置在艙內(nèi)的攝像機(jī)為使用者提供實(shí)時(shí)視頻圖像監(jiān)控功能，依托設(shè)置在設(shè)備內(nèi)部的健康信息傳感器提供健康數(shù)據(jù)采集監(jiān)控功能，以滿足駕駛臺(tái)船員和設(shè)備服務(wù)商遠(yuǎn)程掌握艙室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的需求。

1 架構(gòu)原理

C/S(Client/Server)架構(gòu)在軟件解決方案中應(yīng)用較廣，其特點(diǎn)是客戶機(jī)前端作為用戶人機(jī)交互界面，在用戶界面接收指令后直接向服務(wù)器后端發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器作為后端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、查詢，負(fù)責(zé)根據(jù)前端的要求返回指令結(jié)果，系統(tǒng)整體呈上述兩層結(jié)構(gòu)。

在遠(yuǎn)洋船舶設(shè)備領(lǐng)域，船員和設(shè)備商通常來自不同國(guó)家，如果采用C/S系統(tǒng)架構(gòu)，客戶機(jī)直接與服務(wù)器通信對(duì)話，則必須為每一個(gè)相關(guān)方安裝定制客戶端，必然面臨客戶端對(duì)安裝載體在硬件、操作系統(tǒng)兩個(gè)方面的適應(yīng)困難。本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，利用其無需安裝定制客戶端的優(yōu)勢(shì)，為用戶帶來了最大的自由度，只要用戶擁有一臺(tái)能夠接入Internet的計(jì)算機(jī)，同時(shí)計(jì)算機(jī)上安裝有Firefox、Opera和Safari等任何一種常規(guī)瀏覽器，就能夠?qū)⑵渥鳛楸鞠到y(tǒng)的客戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控艙室設(shè)備狀態(tài)的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

用戶端的web瀏覽器部分設(shè)置為兩層結(jié)構(gòu)，共4個(gè)頁(yè)面。第一層用于安全控制，設(shè)計(jì)為登錄頁(yè)面；第二層用于功能實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)為平行切換功能，包括實(shí)時(shí)健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控及歷史數(shù)據(jù)查詢共3個(gè)平行切換的功能頁(yè)面。每臺(tái)被設(shè)定為監(jiān)控對(duì)象的設(shè)備都在其對(duì)面的艙室壁上安裝一個(gè)專屬攝像頭，數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先保存了每臺(tái)設(shè)備及其專屬于攝像頭的的IP地址、端口信息等相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需要，用戶在相應(yīng)的前端頁(yè)面手動(dòng)選擇和切換攝像頭。

2.2 總體功能框架

根據(jù)需求，本系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall framework diagram of the system

賬戶管理模塊。根據(jù)登入系統(tǒng)的用戶類別為其分配合適權(quán)限，并針對(duì)賬號(hào)清單依據(jù)用戶身份和權(quán)限進(jìn)行分組管理。在用戶入口設(shè)置注冊(cè)、登錄認(rèn)證界面，將登入用戶按照預(yù)設(shè)的類別分配不同的訪問權(quán)限。

視頻監(jiān)控模塊。實(shí)現(xiàn)攝像頭輸入的視頻信號(hào)上傳、顯示功能。允許網(wǎng)頁(yè)端選擇需要顯示的設(shè)備編號(hào)，網(wǎng)頁(yè)嵌入ActiveX控件，根據(jù)用戶指令確定對(duì)應(yīng)訪問攝像機(jī)的IP地址和端口，調(diào)用相應(yīng)攝像機(jī)的視頻信號(hào)并將其傳輸至Web服務(wù)器。

健康監(jiān)控模塊。設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)，該數(shù)據(jù)來源為設(shè)備自帶的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)包括電壓、電流、溫度、濕度等需監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并對(duì)匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的圖像化處理。例如：將選取時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)匯總后，在直角坐標(biāo)系中以折線、柱狀等不同的圖像形式在客戶端顯示。

2.3 信息流結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)如圖2所示，本系統(tǒng)軟件構(gòu)件模式采用MVC(Model-View -Controller)開發(fā)，將后端管理部分與用戶交互界面實(shí)現(xiàn)各自代碼獨(dú)立，系統(tǒng)架構(gòu)選擇JavaBean+Hibernate +Struts2+Spring +Jsp。在數(shù)據(jù)庫(kù)錄入攝像頭的IP和端口實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)通道的切換，在用戶Web端上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻的實(shí)時(shí)顯示，采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地動(dòng)態(tài)顯示在用戶Web端。系統(tǒng)在正常登陸的用戶賬戶下，能夠通過用戶Web端查看歷史數(shù)據(jù)，并選擇輸出歷史數(shù)據(jù)的圖形形式，如柱狀圖、曲線圖等，以便更好地分析健康狀態(tài)變化趨勢(shì)。

圖2 信息流結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of information flow structure

3 系統(tǒng)激活

作為Browser/Server架構(gòu)，Web用戶需要在非特定的客戶機(jī)上采用瀏覽器訪問Web服務(wù)器。本系統(tǒng)中，采用SSL數(shù)字證書機(jī)制引導(dǎo)用戶加載瀏覽器前端的ActiveX控件。當(dāng)用戶采用Firefox、Opera和Safari等任何一種常規(guī)瀏覽器第一次訪問服務(wù)器時(shí)，在SSL通信過程中，由于檢測(cè)到包含ActiveX控件的嵌入代碼，用戶端瀏覽器將提示需下載安裝CA(Certificate Authority)根證書，當(dāng)用戶確認(rèn)后，瀏覽器將自動(dòng)下載并安裝系統(tǒng)前端部分的ActiveX控件。

成功安裝ActiveX控件后，系統(tǒng)前端與服務(wù)器建立通信，系統(tǒng)功能被激活。當(dāng)用戶更換另一臺(tái)計(jì)算機(jī)后，只需再次訪問服務(wù)器并下載安裝相應(yīng)控件，則可在新的工作位置使用本系統(tǒng)。

3.1 視頻監(jiān)控

通常情況下，針對(duì)攝像頭視頻數(shù)據(jù)的采集需求可以采用與HTTP協(xié)議類似的RTSP(Real Time Streaming Protocol)協(xié)議獲取視頻碼流，或使用Open CV中的VideoCapture讀取視頻，通過TCP傳輸協(xié)議上承載RTSP以提高穩(wěn)定性即可。本系統(tǒng)中使用的攝像頭為國(guó)內(nèi)某品牌的貨架標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)備，型號(hào)產(chǎn)品配置的SDK包內(nèi)已配置有成熟的接口函數(shù)，在AetiveX控件中直接調(diào)用即可獲取所需的視頻數(shù)據(jù)流。SDK包調(diào)用的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 SDK調(diào)用流程圖Fig.3 SDK transfer flow chart

當(dāng)用戶端第一次激活視頻監(jiān)控頁(yè)面時(shí)，頁(yè)面嵌入內(nèi)置的ActiveX控件代碼將觸發(fā)前端瀏覽器的安全規(guī)則，隨后用戶端瀏覽器將發(fā)送消息提示下載控件，從而引導(dǎo)用戶進(jìn)入控件安裝流程。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器系統(tǒng)采用最常用的MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，經(jīng)比較選用Hibernate作為數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具。與另一常用的訪問工具M(jìn)yBatis相比，MyBatis采用SQL與Entity映射，而Hibernate采用數(shù)據(jù)庫(kù)與Entity映射，能夠自動(dòng)生成SQL，開發(fā)工作更加高效。

通過對(duì)系統(tǒng)功能需求的細(xì)化分析，本系統(tǒng)配置的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)為視頻監(jiān)控和健康數(shù)據(jù)監(jiān)控分別制定了規(guī)范格式的數(shù)據(jù)表頭，即Cam數(shù)據(jù)表(視頻)和Hel數(shù)據(jù)表(健康數(shù)據(jù))。

Cam數(shù)據(jù)表(視頻)中設(shè)置有ad(地址)、port(端口)、clit(用戶)、pasd(權(quán)限密碼)、id(位置編號(hào))5個(gè)字段作為該設(shè)備的標(biāo)識(shí)，每一條數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一臺(tái)攝像機(jī)，用戶Web端通過查詢Cam數(shù)據(jù)表中的IP地址和端口信息實(shí)現(xiàn)不同攝像頭的查詢和選擇，Cam數(shù)據(jù)表表頭設(shè)置如圖4所示。

圖4Cam數(shù)據(jù)表頭
Fig.4Camdataheader

Hel數(shù)據(jù)表(健康數(shù)據(jù))用于按固定時(shí)間間隔依序存儲(chǔ)從設(shè)備傳感器獲取的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，每隔5 min采集一次健康信息數(shù)據(jù)并在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中依時(shí)間順序存儲(chǔ)歸檔。Hel數(shù)據(jù)表設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的字段“time”來記錄數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，以滿足用戶查詢歷史數(shù)據(jù)的需求，Hel數(shù)據(jù)表表頭設(shè)置如圖5所示。

圖5 Hel數(shù)據(jù)表頭Fig.5 Hel data header

3.3 用戶端Web功能實(shí)現(xiàn)

用戶端瀏覽器是本系統(tǒng)為用戶提供的唯一人機(jī)交互界面，用戶端在瀏覽器上下達(dá)指令和接收響應(yīng)，瀏覽器與Web服務(wù)器之間設(shè)置有Ajax引擎作為中間層，所有請(qǐng)求與響應(yīng)均通過Ajax引擎完成。用戶訪問與相應(yīng)的流程如圖6所示。

應(yīng)用Ajax作為中間層，能夠在不刷新整個(gè)頁(yè)面的前提下與服務(wù)器通信維護(hù)數(shù)據(jù)，這使得Web端能夠更為迅捷地響應(yīng)用戶交互，減少了未變化數(shù)據(jù)的無效通信，減少用戶等待時(shí)間。所有請(qǐng)求與響應(yīng)均通過Ajax引擎完成，Ajax與服務(wù)器之間特有的異步通信機(jī)制，能夠?yàn)樘峁┒嗑€程并行工作效果，在用戶操作層上不會(huì)產(chǎn)生中斷影響，提升了用戶體驗(yàn)。而減少了未變化數(shù)據(jù)的無效數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于通信帶寬的要求進(jìn)一步降低，特別適用于航運(yùn)中的船舶類應(yīng)用場(chǎng)景。

圖6 用戶端Web訪問流程圖Fig.6 User side Web visit flow chart

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于B/S架構(gòu)的船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Spring、Hinernate、Struts2三大框架搭建整體系統(tǒng)，并使用MySQL承擔(dān)數(shù)據(jù)庫(kù)功能，使用通用型瀏覽器承擔(dān)人機(jī)交互功能?；贐/S架構(gòu)本身的特點(diǎn)，系統(tǒng)的交互性較強(qiáng)，維護(hù)方便，但是允許用戶通過廣域網(wǎng)訪問設(shè)備在帶來便利的同時(shí)，也對(duì)系統(tǒng)、設(shè)備的安全性提出了更高的要求。目前，該技術(shù)僅適用于民用船舶的輔機(jī)設(shè)備，如要將其應(yīng)用于更加敏感的設(shè)備領(lǐng)域，還有待于從安全性角度對(duì)該技術(shù)開展更深一步的研究。