嵌入式數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

嵌入式數(shù)據(jù)庫一般不出現(xiàn)在表現(xiàn)層，所以很難被一般的用戶所察覺。實際上，被稱作“嵌入式數(shù)據(jù)庫”的軟件早在20年前就已經(jīng)被組合在各種應(yīng)用程序、軟件組件和硬件環(huán)境中。它有兩個很重要的特征——“嵌入性”和“實時性”。這里用實際應(yīng)用的實例來說明,在嵌入式系統(tǒng)里如何有效地使用嵌入式數(shù)據(jù)庫。

關(guān)鍵詞? 嵌入式數(shù)據(jù)庫? 工業(yè)控制? 汽車導(dǎo)航? 信息家電? 宇宙航空? 機器人? 醫(yī)療信息系統(tǒng)? 路由器

引言

　　嵌入式系統(tǒng)中一直很少使用數(shù)據(jù)庫，因此對大部分人來說，很難想象嵌入式數(shù)據(jù)庫在哪些場合才能發(fā)揮出優(yōu)勢。事實上，嵌入式數(shù)據(jù)庫大致可在以下兩大領(lǐng)域使用：

　　① 會計、證券交易等業(yè)務(wù)的應(yīng)用軟件。在這類軟件中應(yīng)用，不是把數(shù)據(jù)庫作為服務(wù)器端組成C/S結(jié)構(gòu)，而是將數(shù)據(jù)庫嵌入到應(yīng)用程序（使之成為程序的一部分）進行使用。通常也稱為“軟件嵌入”。
　　② 車載導(dǎo)航、路由器、信息家電、DVD記錄裝置、iPOD、機器人等嵌入式系統(tǒng)。在這類嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，除了硬件部分外，還需用軟件對其進行控制。這時將嵌入式數(shù)據(jù)庫嵌入到這些硬件當(dāng)中，可使系統(tǒng)的性能和效率大大提高。通常也稱作“硬件嵌入”。

1? 嵌入式數(shù)據(jù)庫和企業(yè)級數(shù)據(jù)庫的比較

　　現(xiàn)在常用嵌入式數(shù)據(jù)庫的領(lǐng)域是汽車電子和信息家電等領(lǐng)域。嵌入式數(shù)據(jù)庫軟件同企業(yè)級數(shù)據(jù)庫軟件（如IBM公司的DB2、Microsoft公司的SQL Server、Oracle公司的Oracle Database）等相比，有以下不同點：

　　① 內(nèi)核足夠小，可嵌入于應(yīng)用程序和處理能力受限的硬件環(huán)境；
　　② 性能高，比企業(yè)級數(shù)據(jù)庫速度要快，實時性要求高；
　　③ 成本低，可嵌入手機、車載導(dǎo)航等批量生產(chǎn)的系統(tǒng)里；
　　④ 可裁減，能夠根據(jù)實際需要增加或者減少必要功能模塊；
　　⑤ 嵌入性，能夠嵌入到軟件系統(tǒng)或者硬件系統(tǒng)。對終端用戶來說是透明的，他們在使用時意識不到嵌入式數(shù)據(jù)庫的存在，能夠免維護。

2? 嵌入式數(shù)據(jù)庫應(yīng)用實例

2.1? FA領(lǐng)域的實例

　　下面舉例介紹嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品在控制儀器、數(shù)據(jù)收集裝置中的使用。

　　FA（Factory Automation）是采用計算機控制技術(shù)使工廠自動化，既可提高生產(chǎn)效益又可實現(xiàn)必要的功能。嵌入式數(shù)據(jù)庫在FA領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用。

2.1.1? 汽車碰撞測試裝置

　　嵌入式數(shù)據(jù)庫經(jīng)常在汽車碰撞測試裝置中使用，如圖1所示。所謂汽車碰撞測試，是檢驗汽車安全性能的一種有效手段。在測試中，讓汽車高速碰撞某個物體，然后收集嵌入在車體中各個部位的各種感應(yīng)器所發(fā)出的數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進行分析，這需要在碰撞的瞬間大量地收集和保存數(shù)據(jù)。這時，如何能盡快地保存數(shù)據(jù)是一個問題。為了解決這個問題，在汽車碰撞測試裝置中使用嵌入式數(shù)據(jù)庫，取得非常好的實際效果。

圖1? 汽車撞擊試驗

2.1.2? 發(fā)電機監(jiān)視裝置

　　在美國大型發(fā)電廠的發(fā)電機監(jiān)視裝置里，使用了嵌入式數(shù)據(jù)庫。發(fā)電廠的發(fā)電機是非常重要的生產(chǎn)設(shè)備，所以要嚴格管理以防發(fā)電機停機。發(fā)電機的監(jiān)控裝置通過收集發(fā)電機的各種數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，如圖2所示。

圖2? 發(fā)電機監(jiān)控裝置

　　這種需要實時監(jiān)控的場合，在數(shù)據(jù)庫里預(yù)先錄入了監(jiān)視數(shù)據(jù)用的程序模塊。當(dāng)某數(shù)據(jù)進入“異常值”、“異常范圍”、“警戒范圍”的時候，這些程序模塊會檢測出這些數(shù)據(jù)，然后自動報警，同時通知監(jiān)視中心有異常情況。這種數(shù)據(jù)收集也可用于發(fā)電機系統(tǒng)的模擬試驗。

2.1.3? 監(jiān)視引擎

　　在美國的大型飛機制造廠，為了收集引擎的測試數(shù)據(jù)和飛機內(nèi)部機械的數(shù)據(jù)，在飛機上也裝載了嵌入式數(shù)據(jù)庫。在美國的大型汽車制造廠的引擎廢氣排放測試裝置里，也嵌入了數(shù)據(jù)庫，廢氣排放測試的結(jié)果全部保存于數(shù)據(jù)庫，以后的其他測試、分析以及模擬試驗等環(huán)節(jié)就能有效利用這些數(shù)據(jù)。2008年奧運會所使用的環(huán)保巴士內(nèi)也使用了嵌入式數(shù)據(jù)庫。

2.1.4? 在FA領(lǐng)域中使用數(shù)據(jù)庫的注意事項

　　在這個領(lǐng)域利用嵌入式數(shù)據(jù)庫時，會有一些常見的典型問題，如往數(shù)據(jù)庫寫入數(shù)據(jù)的速度和性能等問題。一方面要求內(nèi)存消耗量足夠少，一方面又需要對大量數(shù)據(jù)的進行運算，所以必須同時滿足兩個相反的要求。再者，像發(fā)電機裝置監(jiān)視的例子那樣，數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊必須要嵌入到數(shù)據(jù)庫中（在實際的嵌入式數(shù)據(jù)庫中，這些監(jiān)視模塊主要是通過用戶自定義的函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、監(jiān)視和報警等）。

　　另外，在出現(xiàn)故障時能否通過事務(wù)處理和恢復(fù)注冊等功能進行數(shù)據(jù)的恢復(fù)也很重要。

2.2? 車載導(dǎo)航的實例

2.2.1? 車載導(dǎo)航的GPS與自動導(dǎo)航裝置組合

　　車載導(dǎo)航系統(tǒng)在日本等發(fā)達國家已經(jīng)普及，在中國實際使用者應(yīng)該也有很多。不過對日常使用的車載導(dǎo)航，了解它的內(nèi)部構(gòu)造的人并不多。這里就有關(guān)車載導(dǎo)航的系統(tǒng)構(gòu)造進行簡單說明。

　　車載導(dǎo)航GPS（Global Position System，全球定位系統(tǒng)）是利用裝有車速脈沖、羅盤傳感器等的“自動導(dǎo)航法”裝置，為正在駕車的駕駛員進行現(xiàn)在的位置及駛向目的地行駛路線導(dǎo)航的一種電子儀器。

　　車載導(dǎo)航剛開始開發(fā)時，只使用“自動導(dǎo)航法”裝置。由于靠裝置自身來推算出車輛的位置，因此行駛開始后有必要對行駛到一定地點的行駛方向和行駛角度進行小調(diào)整。現(xiàn)在GPS方法非常盛行。該方法通過GPS推算出車輛的位置。不過只靠GPS，不管怎樣設(shè)計總會有某種程度的誤差。因此，現(xiàn)在的車載導(dǎo)航通過對GPS和“自動導(dǎo)航法”裝置組合的方法來彌補雙方的缺點，以推算出車輛的位置。

2.2.2? 車載導(dǎo)航與地圖信息的融合

　　車載導(dǎo)航正在朝以下各方向進化，即它不局限于檢測出車輛自身的位置，還可以根據(jù)需要調(diào)出道路信息和地圖信息等，并把這些信息和車輛的行駛狀況相對照進行計算后提示給用戶，如圖3所示。為了得到這些信息，應(yīng)在車載導(dǎo)航上裝載DVDROM之類的存儲設(shè)備。由于地圖信息不是需要頻繁更新的相對靜止信息，DVDROM之類的ROM存儲設(shè)備完全可以滿足這些信息的處理要求。

圖3??汽車導(dǎo)航系統(tǒng)

2.2.3? 用車載導(dǎo)航處理交通信息

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的車載導(dǎo)航系統(tǒng)把交通信息、堵車信息等也都反映在車載導(dǎo)航中了。因為這些信息要不斷地被更新，所以ROM存儲設(shè)備已很難滿足需求了。

　　為此，許多最新的設(shè)計方案中用硬盤存儲介質(zhì)(HDD，Hard Disk Drive)代替ROM存儲介質(zhì)。這樣，能夠?qū)Χ喾N信息進行更新的新一代車載導(dǎo)航產(chǎn)品問世了。另外，由于裝載了HDD使得車載導(dǎo)航的運行速度變得更快。

2.2.4? 車載導(dǎo)航上追加媒體終端功能

　　現(xiàn)在可以播放音樂、能與因特網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的具備個人電腦功能的車載導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了。另外，還可將電視功能作為標(biāo)準(zhǔn)配置裝在車載導(dǎo)航系統(tǒng)上。電視機除了具有原先的模擬播放形式外，還具有點播方式的數(shù)字電視功能。

2.2.5? 現(xiàn)在的車載導(dǎo)航存在的問題

　　現(xiàn)在的車載導(dǎo)航還有許多功能不能滿足客戶的要求。例如：不能進行復(fù)合檢索和模糊檢索。所謂“復(fù)合檢索”就是類似這樣的檢索要求：“要在距離人民廣場10 km范圍內(nèi)并距離火車站3 km的范圍內(nèi)的地方尋找三星級以上賓館”。所謂“模糊檢索”是，只知道要檢索的公司名或地點名的一部分，通過“中間一致”和“后方一致”的方式檢索出所有匹配的類似目標(biāo)。

　　大部分車載導(dǎo)航是通過使用ROM存儲方式提供地圖信息、店鋪信息以及設(shè)施的數(shù)據(jù)來進行計算的，不能夠隨時對有變化的一部分數(shù)據(jù)進行更新，只能重新再制作一張DVDROM，對所有的信息進行一次性的完全更新。

　　除此以外，不同的使用者應(yīng)該可以設(shè)定自己的個性化數(shù)據(jù)，即在使用車載導(dǎo)航時，根據(jù)個人的身份數(shù)據(jù)的不同，應(yīng)能產(chǎn)生不同的檢索結(jié)果（這被稱為“個性化功能”）。在目前的車載導(dǎo)航上還不能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能。要實現(xiàn)這些功能，必須使用嵌入式數(shù)據(jù)庫。

2.2.6? 數(shù)據(jù)庫用在車載導(dǎo)航場合能實現(xiàn)的功能

　　下面再詳細說明一下嵌入式數(shù)據(jù)庫在裝入車載導(dǎo)航裝置后能實現(xiàn)的新功能。

　　在檢索功能方面，不但能實現(xiàn)上面的復(fù)合檢索和模糊檢索等，還能實現(xiàn)空間檢索。所謂的“空間檢索”，就是能在二維地圖上進行檢索。具體地說，就是手機帶有的道路向?qū)Ш蛙囕d導(dǎo)航的路由檢索功能中預(yù)先把坐標(biāo)數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫中，在檢索條件里設(shè)定一個空間范圍（比如：離某地幾km內(nèi)，同時在另外一個范圍內(nèi)。類似二個圓的交集）。

　　個人住所地址或店鋪名稱等發(fā)生更改時，使用嵌入式數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。例如“A百貨店”改為“B百貨店”時，要是不更換新的DVDROM就一直是“A百貨店”，如果換上新的DVDROM就會變成“B百貨店”，“A百貨店”就不能被檢索了，二者都是不能被接受的。這時如果使用嵌入式數(shù)據(jù)庫，則在一定的時期內(nèi)對輸入的“A百貨店”或“B百貨店”都能進行檢索；過了一定時期后，還可以刪掉“A百貨店”，只讓“B百貨店”成為檢索對象。

　　以個人履歷信息為基礎(chǔ)的詳細個性化功能的形式如：在“張三”的車載導(dǎo)航的履歷中，他經(jīng)常去壘球場。以后，只要“張三”檢索體育場，首先就會顯示壘球場的信息。

　　現(xiàn)在的車載導(dǎo)航有個很麻煩的問題，那就是由于不能隨時隨地按要求部分地更新導(dǎo)航設(shè)備中需要更新的相關(guān)信息，而使整個導(dǎo)航儀器的信息不準(zhǔn)確。下一代的車載導(dǎo)航通過使用數(shù)據(jù)庫來解決這個問題，使數(shù)據(jù)能夠得到及時更新；并且在數(shù)據(jù)更新的同時，還可以進行數(shù)據(jù)檢索。還有一個重要的優(yōu)點就是，車載導(dǎo)航的數(shù)據(jù)庫不會因為引擎停止、電源切斷等原因而被損壞。當(dāng)然，用在車載導(dǎo)航中的嵌入式數(shù)據(jù)庫資源消耗量（CPU和儲存容量）必須很低，而且對有關(guān)歷史信息、路徑信息也須有某種程度的安全保護功能。

　　加載數(shù)據(jù)庫后的車載導(dǎo)航系統(tǒng)功能如圖4所示。

圖4? 加載數(shù)據(jù)庫后的車載導(dǎo)航系統(tǒng)功能

2.3? 信息家電的實例

2.3.1? 與網(wǎng)絡(luò)連接的家電是將來的主流

　　信息家電正在改變?nèi)藗兊纳睢Ｒ噪娨暀C、大容量刻錄機、DVD、HD、AV機等為代表的家電數(shù)字化進程正在穩(wěn)步推進。另外，電視節(jié)目也將以數(shù)字化的形式傳輸和播放。這些節(jié)目可以預(yù)先存儲在服務(wù)器上再播放，即所謂的“服務(wù)器蓄積型”播放形式。

　　所謂信息家電就是具有信息處理能力的家電產(chǎn)品。例如：數(shù)碼相機、手機等產(chǎn)品，以及今后以和計算機網(wǎng)絡(luò)連接為前提的產(chǎn)品（例如DVD、刻錄機、機頂盒等）。這些產(chǎn)品一定會越來越多。

2.3.2? 信息家電中使用嵌入式數(shù)據(jù)庫的例子

　　信息家電領(lǐng)域使用數(shù)據(jù)庫的實例如圖5所示。比如一個用于衛(wèi)星播放或有線播放的機頂盒。機頂盒里保存有大量的數(shù)據(jù)，如節(jié)目表、節(jié)目內(nèi)容、某時間段播放的電影內(nèi)容介紹、主演演員的介紹等信息。這些信息的管理和下載、錄入和檢索等都要通過數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)以后，對節(jié)目信息可以同時進行下載和檢索。這是利用多進程的數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)的，一個數(shù)據(jù)庫可以支持多個用戶同時訪問。另外，使用節(jié)目名字、種類等進行更復(fù)雜的復(fù)合檢索都變得簡單易行。

圖5? 信息家電刻錄

　　和互聯(lián)網(wǎng)電視從遠程下載節(jié)目信息的接收裝置一樣，許多信息家電需要進行遠距離的電視節(jié)目信息的管理、下載、檢索，并根據(jù)演員的名字或節(jié)目種類進行復(fù)合檢索。今后的DVD刻錄機、帶HDD的DVD刻錄機等產(chǎn)品也需要這些功能。

　　另外，通過在卡拉OK遙控裝置中裝載嵌入式數(shù)據(jù)庫，就可以提供根據(jù)曲名、種類進行復(fù)雜的復(fù)合檢索。通過設(shè)定廣告播放控制盒等設(shè)備的各種參數(shù)，可以實現(xiàn)廣告內(nèi)容的定時管理等功能。

2.3.3? 信息家電中使用數(shù)據(jù)庫的注意事項

　　要在信息家電領(lǐng)域使用數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的內(nèi)核必須足夠的小。電源斷電后的恢復(fù)功能（即電源斷電后自動恢復(fù)到原先狀態(tài)的功能）也是必要的。在實際應(yīng)用中，電源發(fā)生瞬間或者長時間斷電的時候，對數(shù)據(jù)進行保護是毋庸置疑的。數(shù)據(jù)庫通常是通過事務(wù)處理來對數(shù)據(jù)進行保護的。具體地說，這種事務(wù)處理就是把日志寫入文件系統(tǒng)。因此，一旦文件系統(tǒng)被破壞，就不能進行事務(wù)處理了。也就是說，僅靠文件系統(tǒng)層面來實現(xiàn)電源斷電恢復(fù)功能或數(shù)據(jù)保護功能是很難的。嵌入式數(shù)據(jù)庫里可以帶有其他的硬件所提供的獨立的高性能、高穩(wěn)定性的文件系統(tǒng)來完善電源斷電恢復(fù)功能和數(shù)據(jù)保護功能。這時，可以根據(jù)需要選擇文件系統(tǒng)層面的斷電保護和數(shù)據(jù)庫層面的斷電保護。

　　在信息家電的制造中，常常受生產(chǎn)成本或價格的制約，僅靠硬件達不到預(yù)期的高性能。因此需要嵌入式數(shù)據(jù)庫，以支持內(nèi)存存取和磁盤存取。把最重要的數(shù)據(jù)表放到內(nèi)存，可以大大提高性能，降低成本。

2.4? 宇宙航空和機器人的實例

　　現(xiàn)在，嵌入式數(shù)據(jù)庫在宇宙航空和機器人等方面有很多實際應(yīng)用。例如木星探查伽利略計劃，衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，地上測定、命令處理系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)，天氣預(yù)報的發(fā)布系統(tǒng)，戰(zhàn)爭模擬游戲等。除此以外，還有許多其他的宇宙航空項目和機器人項目中使用了嵌入式數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。

圖6? 機器人控制

　　嵌入式數(shù)據(jù)庫在宇宙航空以及機器人的應(yīng)用程序中起著核心的作用。在數(shù)據(jù)庫中保存著全部的程序、指令、可執(zhí)行的模塊，并將這些制作成基于知識（knowledge based）或者基于規(guī)則 (rule based)的系統(tǒng)。可執(zhí)行模塊將根據(jù)傳感器的信息執(zhí)行各種動作或命令。