嵌入式數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

摘要 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(jī)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：

　?、?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(jìn)行使用。通常也稱為“軟件嵌入”。
　?、?車載導(dǎo)航、路由器、信息家電、DVD記錄裝置、iPOD、機(jī)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(jìn)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(diǎn)：

　?、?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；
　?、?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(jī)、車載導(dǎo)航等批量生產(chǎn)的系統(tǒng)里；
　?、?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(hù)。

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(jī)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(jìn)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(jī)監(jiān)視裝置

　　在美國大型發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)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(jī)是非常重要的生產(chǎn)設(shè)備，所以要嚴(yán)格管理以防發(fā)電機(jī)停機(jī)。發(fā)電機(jī)的監(jiān)控裝置通過收集發(fā)電機(jī)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，如圖2所示。

圖2  發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jī)系統(tǒng)的模擬試驗。

2.1.3  監(jiān)視引擎

　　在美國的大型飛機(jī)制造廠，為了收集引擎的測試數(shù)據(jù)和飛機(jī)內(nèi)部機(jī)械的數(shù)據(jù)，在飛機(jī)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(yùn)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(jìn)行運(yùn)算，所以必須同時滿足兩個相反的要求。再者，像發(fā)電機(jī)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)的行駛方向和行駛角度進(jìn)行小調(diào)整?，F(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(bǔ)雙方的缺點(diǎn)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jī)除了具有原先的模擬播放形式外，還具有點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行計算的，不能夠隨時對有變化的一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行更新，只能重新再制作一張DVDROM，對所有的信息進(jìn)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(xì)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(jìn)行檢索。具體地說，就是手機(jī)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(jìn)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(xì)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(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。還有一個重要的優(yōu)點(diǎn)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(hù)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?。以電視機(jī)、大容量刻錄機(jī)、DVD、HD、AV機(jī)等為代表的家電數(shù)字化進(jìn)程正在穩(wěn)步推進(jìn)。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(jī)、手機(jī)等產(chǎn)品，以及今后以和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接為前提的產(chǎn)品（例如DVD、刻錄機(jī)、機(jī)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(jī)頂盒。機(jī)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(jìn)行下載和檢索。這是利用多進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)程下載節(jié)目信息的接收裝置一樣，許多信息家電需要進(jìn)行遠(yuǎn)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(jìn)行復(fù)合檢索。今后的DVD刻錄機(jī)、帶HDD的DVD刻錄機(jī)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(jìn)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(jìn)行保護(hù)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(jìn)行保護(hù)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(jìn)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(hù)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(dú)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(hù)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(hù)和數(shù)據(jù)庫層面的斷電保護(hù)。

　　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(dá)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(jī)器人的實例

　　現(xiàn)在，嵌入式數(shù)據(jù)庫在宇宙航空和機(jī)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(jī)器人項目中使用了嵌入式數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。

圖6  機(jī)器人控制

　　嵌入式數(shù)據(jù)庫在宇宙航空以及機(jī)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)?？蓤?zhí)行模塊將根據(jù)傳感器的信息執(zhí)行各種動作或命令。

　　將來，保存于數(shù)據(jù)庫中的執(zhí)行模塊很可能實現(xiàn)自動執(zhí)行的功能。

　　編者注： 本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

David Zhang（加拿大籍華人，碩士），在嵌入式數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，有十幾年的研究和開發(fā)經(jīng)驗；
歐書云（碩士），從事嵌入式、RFID、軟件中間件領(lǐng)域的工作。