SQLite数据库在力矩限制器中的应用
SQLite数据库在力矩限制器中的应用
王 青 杨凯
长沙中联重科
摘要：本文主要结合工程机械中力矩限制器的应用，以wince系统平台为例，阐述了sqlite数据库的特点，以及其在嵌入式环境中的应用。在嵌入式环境中，随着数据管理要求的提高，数据库必然会取代传统的数据操作模式。而轻量级数据库sqlite的简单高效和跨平台的特性使其非常适合这种应用需求。
关键词：sqlite 力矩限制 嵌入式
引言
力矩限制器为起重机的安全保护系统的核心，能对起重设备进行实时记录和监控，实现过载保护和过抑保护，确保起重机在安全范围内工作，是保障设备安全，人身安全的重要设备。随着起重机的技术的发展，大吨位起重机的相继出现，工况变的越来越复杂，起重量表的数据量变的越来越庞大，对于力矩限制器的数据管理和操作提出了更高的要求。
嵌入式数据库SQLite
嵌入式数据库的选择
本项目主要基于Windows CE操作系统设计开发一款适合中大吨位起重机的力矩限制系统。而力矩控制器中不可缺少对数据的存储和管理。目前在WinCE系统中常用的数据的存储和管理方法有两种。一是直接基于WinCE的文件系统提供的API接口实现对数据的读写管理，第二种是采用数据库方式管理数据。数据库方式与文件系统相比在进行数据存储管理时有巨大优势。windows CE 系统以独占的方式访问文件，所以第一种方式IO开销大，访问效率比较低，数据的共享性和应用软件的可重用性较差，但使用简单，适合小数据量的应用。数据库方式可以使得数据和程序操作相互独立，数据库可以通过事务来进行调度与并发控制，可以有效方便的对数据进行存取，修改，查询等共享操作，同时借助于数据库所具有的安全性检验、完整性检查等多种安全措施，使得系统有较好的整体性能。
在WinCE系统中常用的嵌入式数据库有三种。一是系统自带的数据库。主要面对需要存储的数据量较小，数据结构相对简单的应用，例如系统的动态配置文件，则使用起来非常合适。第二种是Microsoft 为Windows CE 平台开发的嵌入式数据库SQL Server CE。表一所示，列出了WinCE 自带数据库与SQLCE 数据库部分功能的对比。
表1 WinCE自带数据库与SQLCE数据库功能对照表
第三种是使用开源的嵌入式数据库SQlite 管理数据。SQLite 与SQL Server CE 某些方面相比SQLite 占用很少的存储器空间，约100KB-300KB；而SQL Server CE 则大致占用1MB-3MB，这对资源极其珍贵的嵌入式系统来说无疑是个挑战。SQLite 与SQL ServerCE 都采用标准的SQL 语句，SQLite 使用非常简单，无需安装管理，一般只需要带上一个动态库就可以使用，数据库文件独立，只需拷贝该文件就可以完成备份工作，而基本的数据操作上只需要掌握3 个核心API 函数就可以实现，而SQL Server CE 相对复杂，需要充分理解数据库引擎和掌握高级数据库接口组件ADOCE 的编程。另外SQLite 完全独立，有良好的移植性；SQL Server CE 专为Windows CE 平台开发，没法移植到其他嵌入式平台上。两个数据库的性能测试对比，多次实验测得SQLite插入5000条数据的用时在4500到5000左右，而SQLCE是在23000到25000左右，单位ms。所以在性能上大概可以看出SQLite是SQLCE的3到4倍左右。
表2 数据库写入记录时间比较示意图
Sqlite支持大多数SQL92 标准包括索引、限制、触发和查看，不支持外键，但支持原子的、一致的、独立和持久 (ACID) 的事务，这一点能够保证即使在系统崩溃或断电时数据的完整性和有效性。而工程机械一般工作在比较恶劣的条件下，对数据库的稳定有效有比较高的要求。综上所述，因此在本项目开发中选用sqlite数据库实现数据的管理操作。
2.2SQLite的体系结构
SQLite由被组织在3个子系统中的8个独立的模块组成，如图1所示。这个模型将查询过程划分为几个任务，在体系结构栈的顶部编译查询语句，在中部执行它，在底部处理操作系统的存储和接口。
图1 SQLite的体系结构
SQL语句通过接口被送到高效的SQL命令编译器，由标记处理器（Tokenizer）分解成各个标志符分析器(parser),分析器重新组合标识符并调用代码生成器(code generator)生成虚拟机器码，交由给虚拟机（virtual machine）执行，完成SQL语句指定的任务，在后端，数据库按照B树（B tree）的形式存储在磁盘上，通过可调整的页面缓冲（pager）得到对数据的快速查找和存储。Sqlite还使用了一个抽象层接口（OS interface）实现了与不同操作系统的对接。
SQLite在力矩限制器系统中的应用
力矩限制器系统的方案设计
本系统的整体结构如图2所示，数据采集和通信模块位于系统底层，通过can总线采集所需的各传感器数据处理后传送到力矩计算模块。力矩计算模块根据得到的数据计算当前实际载荷，比较当前额定载荷，根据报警策略，做出对应的响应。数据库需要为多个系统功能单元提供数据接口，系统初始化时需从数据库中读取初始设置数据，初始化完成后，进入力矩控制流程，需从数据库中读取当前工况的额定起重量，如有超载，还需将当前超载记录写入数据库中。因此在本系统中数据管理模块可分为三个子系统，其中系统配置子系统，存储和管理与系统设置相关的重要信息，包括系统的安全权限，系统上次工作的设置信息，起重量表子系统存储额定起重性能表数据，报警记录子系统记录系统的异常报警信息，及当前报警状态下的各关键工作参数，如额定载荷，实际载荷，主臂工作角度，拉力值等等，以便为日后故障排查提供依据。
图2系统的整体结构
SQLite查询性能的优化
经过对SQLite的查询优化的分析以及项目中的实践，可以将SQLite的查询优化总结如下。影响查询性能的因素：
对表中行的检索数目，越小越好
排序与否。
是否建立好索引。
查询语句的形式。
因此数据库建立时，应充分考虑到上述因素，使得数据库的查询性能得到最大的发挥。
结语
本文基于起重机力矩限制器开发项目，使用SQLite完成力矩限制器中的数据管理功能，简化了程序的复杂度，提高了运行效率，减少了内存消耗，提高了软件的可靠性，满足了在嵌入式系统中对于数据管理的需要。SQLite的易于使用性可以加快应用程序的开发，并使得小型应用程序能够完全支持复杂的 SQL。由于SQLite的快速高效，稳定可靠和零管理成本，将会在嵌入式系统中的数据管理上得到越来越广泛的应用。
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