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)

針對安裝于遠(yuǎn)洋船舶的無人值守艙室中的設(shè)備，設(shè)計了一種基于B/S(Browser/Server)架構(gòu)的設(shè)備遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)依托設(shè)置在艙內(nèi)的攝像機(jī)為使用者提供實時視頻圖像監(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，以滿足駕駛臺船員和設(shè)備服務(wù)商遠(yuǎn)程掌握艙室現(xiàn)場實時狀態(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)出請求，服務(wù)器作為后端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、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)器通信對話，則必須為每一個相關(guān)方安裝定制客戶端，必然面臨客戶端對安裝載體在硬件、操作系統(tǒng)兩個方面的適應(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，為用戶帶來了最大的自由度，只要用戶擁有一臺能夠接入Internet的計算機(jī)，同時計算機(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

2.1 總體設(shè)計思路

用戶端的web瀏覽器部分設(shè)置為兩層結(jié)構(gòu)，共4個頁面。第一層用于安全控制，設(shè)計為登錄頁面；第二層用于功能實現(xiàn)，設(shè)計為平行切換功能，包括實時健康數(shù)據(jù)監(jiān)測、實時視頻監(jiān)控及歷史數(shù)據(jù)查詢共3個平行切換的功能頁面。每臺被設(shè)定為監(jiān)控對象的設(shè)備都在其對面的艙室壁上安裝一個專屬攝像頭，數(shù)據(jù)庫中預(yù)先保存了每臺設(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)實際需要，用戶在相應(yīng)的前端頁面手動選擇和切換攝像頭。

2.2 總體功能框架

根據(jù)需求，本系統(tǒng)總體框架設(shè)計為3個相對獨立的功能模塊，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，并針對賬號清單依據(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、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。實現(xiàn)攝像頭輸入的視頻信號上傳、顯示功能。允許網(wǎng)頁端選擇需要顯示的設(shè)備編號，網(wǎng)頁嵌入ActiveX控件，根據(jù)用戶指令確定對應(yīng)訪問攝像機(jī)的IP地址和端口，調(diào)用相應(yīng)攝像機(jī)的視頻信號并將其傳輸至Web服務(wù)器。

健康監(jiān)控模塊。設(shè)備運行健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和存儲，該數(shù)據(jù)來源為設(shè)備自帶的傳感器，實現(xiàn)對設(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)，并對匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的圖像化處理。例如：將選取時間段的歷史數(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現(xiàn)各自代碼獨立，系統(tǒng)架構(gòu)選擇JavaBean+Hibernate +Struts2+Spring +Jsp。在數(shù)據(jù)庫錄入攝像頭的IP和端口實現(xiàn)視頻信號通道的切換，在用戶Web端上實現(xiàn)監(jiān)控視頻的實時顯示，采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r地動態(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。

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，在SSL通信過程中，由于檢測到包含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)用戶更換另一臺計算機(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內(nèi)某品牌的貨架標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)備，型號產(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)控頁面時，頁面嵌入內(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)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)采用最常用的MySQL作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，經(jīng)比較選用Hibernate作為數(shù)據(jù)庫訪問工具。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)庫與Entity映射，能夠自動生成SQL，開發(fā)工作更加高效。

通過對系統(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)5個字段作為該設(shè)備的標(biāo)識，每一條數(shù)據(jù)對應(yīng)一臺攝像機(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))用于按固定時間間隔依序存儲從設(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)庫服務(wù)器中依時間順序存儲歸檔。Hel數(shù)據(jù)表設(shè)置一個獨立的字段“time”來記錄數(shù)據(jù)的采集時間，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，能夠在不刷新整個頁面的前提下與服務(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，減少用戶等待時間。所有請求與響應(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，能夠為提供多線程并行工作效果，在用戶操作層上不會產(chǎn)生中斷影響，提升了用戶體驗。而減少了未變化數(shù)據(jù)的無效數(shù)據(jù)傳輸，對于通信帶寬的要求進(jìn)一步降低，特別適用于航運中的船舶類應(yīng)用場景。

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)計并實現(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)庫功能，使用通用型瀏覽器承擔(dān)人機(jī)交互功能。基于B/S架構(gòu)本身的特點，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，也對系統(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該技術(shù)開展更深一步的研究。