李春泉，莫慧光，尚玉玲，張 明

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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云打印環(huán)境下設(shè)備接入技術(shù)研究*

李春泉，莫慧光，尚玉玲，張 明

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

為實(shí)現(xiàn)云打印服務(wù)平臺建設(shè)，對打印資源接入和訪問控制技術(shù)進(jìn)行了研究。分析了傳統(tǒng)打印方式的不足之處，提出了一種以按需服務(wù)為宗旨的云打印體系架構(gòu)及運(yùn)行模式。針對該云打印體系架構(gòu)，分析了資源云端化實(shí)現(xiàn)流程，重點(diǎn)研究了打印資源接入技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于Linux的云打印網(wǎng)絡(luò)適配器，云打印網(wǎng)絡(luò)適配器是打印設(shè)備與云打印服務(wù)平臺建立通信的中間件。介紹了其硬件設(shè)計(jì)方案及打印設(shè)備驅(qū)動方法，并提出了打印任務(wù)管理方法，實(shí)現(xiàn)了對多臺打印設(shè)備的訪問控制，為完善云打印服務(wù)平臺建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

云打印；資源接入；云端化；體系架構(gòu)；任務(wù)管理

0 引言

在信息技術(shù)的不斷推動下，打印作為信息輸出的主要方式之一，也發(fā)生了巨大的變化，不僅表現(xiàn)為打印機(jī)硬件的更新，而且打印方式也經(jīng)歷了本地打印、共享打印和網(wǎng)絡(luò)打印進(jìn)而發(fā)展成為云打印[1]。云打印是云計(jì)算由理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用的一種典型示例，它依托于云制作理論及架構(gòu)，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以“按需服務(wù)”為宗旨，以訪問控制為核心，整合打印資源，構(gòu)建漫游共享打印平臺，向全社會提供隨時隨地打印服務(wù)[2]。

Google率先提出了云打印概念，Google推出的Chrome OS系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是借助互聯(lián)網(wǎng)的力量來打破計(jì)算機(jī)和打印機(jī)相連必須安裝驅(qū)動程序的障礙。通過API技術(shù)，將云打印服務(wù)器內(nèi)嵌在Chrome瀏覽器中，用戶可以增加打印機(jī)到自己的谷歌賬戶中，不再需要特殊的打印機(jī)驅(qū)動程序和控制軟件[3]。Google云打印的主要目的是解決傳統(tǒng)的打印機(jī)與PC機(jī)相連要受到打印機(jī)驅(qū)動的限制，而采取一種免驅(qū)動的且支持所有類型打印機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其目標(biāo)是使得桌面操作系統(tǒng)成為打印的通用接口，任何人在任何時候只要使用通用接口就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程打印[4]。

HP的云打印可以簡單定義為一項(xiàng)基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程打印技術(shù)，其本質(zhì)是智能終端設(shè)備到打印機(jī)的一種訪問控制技術(shù)。HP ePrint的工作原理就是為打印機(jī)分配一個電子郵箱地址，用戶只需發(fā)送一封包含待打印文檔的電子郵件到打印機(jī)地址即可完成打印，其目的是為了推廣大量具有云意識功能的打印機(jī)的應(yīng)用[5]。

2014年佳能和百度聯(lián)合推出了云打印服務(wù)，目前正處于測試版階段。在佳能強(qiáng)有力的硬件和技術(shù)支持下，百度云打印給用戶帶來了自由便捷的云打印體驗(yàn)。目前云打印技術(shù)還未成熟，例如：實(shí)際測試HP ePrint有時存在文件格式錯亂的現(xiàn)象；Google云打印在國內(nèi)使用較少；百度云打印目前也停留在測試階段。在分析了云打印體系架構(gòu)組成的前提下，提出了一種打印設(shè)備接入技術(shù)及驅(qū)動方法，提高了打印設(shè)備驅(qū)動和文件格式轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性。

1 傳統(tǒng)打印模式

傳統(tǒng)打印模式主要包括本地單機(jī)打印模式、局域網(wǎng)共享打印模式和網(wǎng)絡(luò)共享打印模式[6]。

(1)本地打印模式。本地打印模式下一臺打印機(jī)連接一臺PC機(jī)，PC機(jī)上需安裝相應(yīng)的打印機(jī)驅(qū)動程序。缺點(diǎn)：打印地點(diǎn)固定且打印機(jī)只能由一臺PC機(jī)控制，降低了打印的便捷性；打印機(jī)使用率較低。

(2)局域網(wǎng)共享打印模式。共享打印模式需要一臺PC機(jī)作為服務(wù)器，在其他用戶安裝打印機(jī)驅(qū)動程序的前提下，通過局域網(wǎng)向其他用戶共享打印設(shè)備。缺點(diǎn)：使用范圍局限于局域網(wǎng)內(nèi)；局域網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)量有一定的限制；作為服務(wù)器的PC主機(jī)要一直處于開機(jī)狀態(tài)。

(3)網(wǎng)絡(luò)打印模式。網(wǎng)絡(luò)打印不需要配置一臺PC機(jī)作為服務(wù)器，只需將具有網(wǎng)絡(luò)連接功能的打印機(jī)連接到PC所處的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，用戶就可以直接打印Internet上的文本、數(shù)據(jù)和圖像。缺點(diǎn)：PC機(jī)仍需安裝相應(yīng)的打印機(jī)驅(qū)動程序；對外網(wǎng)環(huán)境依賴性強(qiáng)[6]。

2 云打印體系架構(gòu)及運(yùn)行模式

2.1 云打印體系架構(gòu)組成

相比傳統(tǒng)打印模式，云打印具有便捷性、開放性、可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。在技術(shù)支持和系統(tǒng)平臺建設(shè)中云打印具備了相關(guān)的技術(shù)支持和統(tǒng)一的平臺，實(shí)現(xiàn)對打印資源的按需訪問。在云打印服務(wù)體系中主要包括云打印資源提供者(Cloud Print Resource Provider，CRP)、云服務(wù)提供商(Cloud Service Provider，CSP)和云服務(wù)消費(fèi)者(Cloud Resource Customer，CSC)三種角色[7]。

圖1給出了云打印體系架構(gòu)組成，主要包括硬件層、接入層、服務(wù)層和訪問層[8]。

硬件層：硬件層主要指由CRP提供的底層打印資源，可以是普通打印設(shè)備、專用繪圖設(shè)備或其他打印設(shè)備。

接入層：接入層將底層打印資源進(jìn)行封裝和描述，并通過嵌入式的云打印網(wǎng)絡(luò)適配器將打印資源接入云打印服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)打印資源云端化。云打印網(wǎng)絡(luò)適配器主要實(shí)現(xiàn)打印驅(qū)動、設(shè)備管理、打印任務(wù)管理和設(shè)備互聯(lián)等功能[7-8]。

訪問層：訪問層給用戶提供多種服務(wù)接口，用戶可以使用專用客戶端軟件、瀏覽器或其他第三方軟件(社交軟件、云盤等)提交打印請求。

服務(wù)層：服務(wù)層給用戶提供訪問接口，接收訪問層發(fā)來的打印任務(wù)，調(diào)用相應(yīng)的封裝函數(shù)實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的解析，并通過接入層下發(fā)打印任務(wù)到打印設(shè)備。服務(wù)層還包括用戶管理、安全管理、支付管理、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)管理等功能。

圖1 云打印體系架構(gòu)

2.2 云打印運(yùn)行模式

云打印資源提供者(CRP)將描述封裝后打印資源發(fā)布到云打印服務(wù)平臺，云服務(wù)提供商(CSP)整合打印資源，形成大規(guī)模、多資源的打印池，并根據(jù)云服務(wù)消費(fèi)者(CSC)的需求對資源進(jìn)行合理的組合和配置，實(shí)現(xiàn)動態(tài)資源調(diào)度[9]。

云打印服務(wù)平臺綜合考慮CSC的地理信息、任務(wù)屬性、設(shè)備狀態(tài)等因素，實(shí)現(xiàn)任務(wù)動態(tài)分配。打印任務(wù)在打印服務(wù)站完成，用戶可選擇自取或物流派送。

3 打印資源云端化理論研究

打印資源云端化是指將底層物理打印設(shè)備通過虛擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境映射到云打印服務(wù)平臺，使打印資源轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡墒褂?、訪問、管理、控制的虛擬打印資源，并實(shí)現(xiàn)打印資源的地址分配和任務(wù)調(diào)度[9]。其實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。打印資源云端化主要分為以下幾個步驟：

圖2 打印資源云端化實(shí)現(xiàn)流程

(1)打印資源的封裝。云打印環(huán)境下打印資源具有異構(gòu)性，首先依據(jù)打印設(shè)備的統(tǒng)一屬性來建立標(biāo)準(zhǔn)封裝庫，然后根據(jù)不同打印設(shè)備的地址信息、打印功能、打印能力、打印耗材等自身特征參數(shù)來擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)封裝庫，對每一個打印設(shè)備建立專有的封裝與描述。

(2)打印資源的接入。打印資源的接入是指將封裝好的打印資源以虛擬的形式接入云打印服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)云打印服務(wù)平臺對打印資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度。開發(fā)基于嵌入式的云打印網(wǎng)絡(luò)適配器，將云打印網(wǎng)絡(luò)適配器作為底層打印設(shè)備接入云打印服務(wù)平臺的中間件，對底層打印設(shè)備的驅(qū)動和打印控制語言進(jìn)行封裝，形成統(tǒng)一的驅(qū)動方式和入網(wǎng)協(xié)議[9-10]。通過云打印網(wǎng)絡(luò)適配器獲取打印設(shè)備的基本屬性、性能、工作狀態(tài)和故障等信息，實(shí)現(xiàn)對底層打印設(shè)備的反饋控制。

(3)打印資源底層互聯(lián)。打印資源底層互聯(lián)是指不同的打印設(shè)備可以直接通過云打印網(wǎng)絡(luò)適配器交互信息，協(xié)助完成打印任務(wù)，以減輕云打印服務(wù)平臺的負(fù)擔(dān)，提高服務(wù)質(zhì)量。

4 云打印網(wǎng)絡(luò)適配器開發(fā)

4.1 云打印網(wǎng)絡(luò)適配器硬件配置

云打印網(wǎng)絡(luò)適配器作為底層打印設(shè)備接入云打印服務(wù)平臺的中間件，是實(shí)現(xiàn)打印資源接入的硬件支持。選用s3c6410作為主控制芯片，主要外設(shè)有NAND Flash存儲器、SDRAM、以太網(wǎng)接口、USB打印設(shè)備接口、UART串行數(shù)據(jù)接口[11]UART串行數(shù)據(jù)接口原理圖見圖3。

(1)電源電路

電路設(shè)計(jì)為5V和3.3V雙電源供電。5V電源由AC-DC-5V開關(guān)電源直接提供，并經(jīng)過AMS1117-3.3芯片穩(wěn)壓到3.3V。

(2)打印設(shè)備接口電路

硬件設(shè)計(jì)使用AU9254A21 USB集線器控制芯片，板載支持4路USB打印接口。

(3)UART串行數(shù)據(jù)接口電路

在開發(fā)時，主要使用UART串行數(shù)據(jù)接口和上位機(jī)終端建立通信。本次設(shè)計(jì)選用FT232RL芯片，F(xiàn)T232RL可以直接實(shí)現(xiàn)USB到串行UART接口的轉(zhuǎn)換，不僅可以省去使用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，而且簡化了電路接口。

圖3 UART串行數(shù)據(jù)接口原理圖

(4)以太網(wǎng)接口電路

以太網(wǎng)接口主要用于在云打印網(wǎng)絡(luò)適配器與云打印服務(wù)器之間建立通信，傳輸打印任務(wù)和打印狀態(tài)等信息。DM9000A是一種高度集成、低成本、具有通用接口的以太網(wǎng)控制芯片，其物理傳輸速度支持10/100M，內(nèi)部帶有4K雙字節(jié)SRAM。以太網(wǎng)接口原理圖見圖4。

圖4 以太網(wǎng)接口原理圖

4.2 云打印網(wǎng)絡(luò)適配器打印驅(qū)動設(shè)計(jì)

針對HP打印設(shè)備，分析了Linux下打印設(shè)備驅(qū)動方法，并完成將驅(qū)動移植到ARM11處理器。

Linux下HP打印設(shè)備打印流程：

首先應(yīng)用程序?qū)⑵胀ǖ奈谋疚臋n先轉(zhuǎn)換為PS或PDF格式文檔，然后發(fā)送至CUPS架構(gòu)。如果打印機(jī)支持PS語言，CUPS可以直接將文件發(fā)送至PS打印機(jī)實(shí)現(xiàn)打印。對于不支持PS語言的打印機(jī)，CUPS調(diào)用GhostScript應(yīng)用程序?qū)ostScript/PDF格式文檔轉(zhuǎn)換為光柵格式(PBM)，然后對于不同的打印機(jī)調(diào)用其相應(yīng)的HPLIB過濾器(例如hpijs或foo2zjs)將光柵格式轉(zhuǎn)化為打印機(jī)語言，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送給打印機(jī)實(shí)現(xiàn)打印。驅(qū)動移植步驟如下：

(1)在編譯Linux內(nèi)核之前配置Linux系統(tǒng)支持USB打印設(shè)備。進(jìn)入內(nèi)核配置界面[12]，選擇USB Printer support，將其改為[*]保存退出。在內(nèi)核文件目錄下執(zhí)行命令：#make zImage。

(2)移植Ghostscript程序。GhostScript程序用于將PostScript/PDF格式文檔轉(zhuǎn)換為光柵格式(pbm)。在交叉編譯開發(fā)環(huán)境中編譯Ghostscript，編譯結(jié)束后將會生成gs可執(zhí)行文件，將該文件拷貝到Linux系統(tǒng)的bin文件夾下。

(3)移植foo2zjs程序。GhostScript負(fù)責(zé)將postscript格式轉(zhuǎn)換為光柵格式之后，對于HP打印機(jī)還需要通過foo2zjs處理，轉(zhuǎn)換為特殊的打印流命令。交叉編譯foo2zjs，將生成的的sihp1020.dl、foo2zjs、usb_printerid文件都拷貝至Linux系統(tǒng)的bin目錄下。

(4)打印驅(qū)動測試。測試打印print.pdf文檔使用命令如下：

將pdf或其他格式文件轉(zhuǎn)換為pbm格式文件：

./gs-q-dBATCH-dSAFER-dQUIET-dNOPAUSE-sPAPERSIZE=a4-r580x580-sDEVICE=pbmraw-sOutputFile=print.pbm print.pdf。

使打印節(jié)點(diǎn)執(zhí)行打?。?/p>

foo2zjs -z1 -p9 -r600x600 print.pbm > /dev/lp0。

4.3 打印設(shè)備狀態(tài)獲取研究

打印任務(wù)分配屬于一個動態(tài)分配問題，打印設(shè)備狀態(tài)會不斷變化，如果把一個任務(wù)分配給一臺已經(jīng)出現(xiàn)故障的打印設(shè)備，將會產(chǎn)生任務(wù)阻塞。因此獲取打印設(shè)備狀態(tài)是執(zhí)行任務(wù)分配的前提條件。

HPLIP(HP Linux imaging and printing)是linux下的開源打印設(shè)備管理系統(tǒng)，HPLIP工作依靠于CUPS程序，HPLIP的主要組件有過濾器、終端、PPD文件和工具包。采用如下步驟來獲取打印設(shè)備狀態(tài)信息：

(1)獲取打印設(shè)備UIR碼。UIR是HP打印機(jī)的唯一身份識別碼。

(2)以特定方式打開設(shè)備。打開設(shè)備通過調(diào)用hpmud_open_device函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，在hpmud.h中定于了7種打開設(shè)備的方式。

(3)創(chuàng)建相應(yīng)通道。通道用于和打印設(shè)備進(jìn)行信息交互，使用hpmud_open_channel函數(shù)來創(chuàng)建通道。。

(4)向通道中寫入命令。寫入命令通過調(diào)用hpmud_write_channel函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。對于PJL通信方式，PJL中獲取狀態(tài)的命令為：x1b%-12345X@PJL INFO STATUS/r/n/x1b%-12345X。

(5)讀取通道中的數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)通過調(diào)用hpmud_read_channel函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。讀取回來的數(shù)據(jù)中就包含了與打印設(shè)備狀態(tài)相關(guān)的信息，將數(shù)據(jù)與Codes.py中定義的狀態(tài)碼對比即可得到打印設(shè)備狀態(tài)。

4.4 云打印網(wǎng)絡(luò)適配器任務(wù)管理研究

云打印網(wǎng)絡(luò)適配器主要用于管理一個打印服務(wù)站中的多臺打印設(shè)備，接收來自云服務(wù)平臺下發(fā)的打印任務(wù)，完成任務(wù)管理和分配。

設(shè)任務(wù)集合為T={T1,T2,T3...Ti...Tn}，Ti表示第i個打印任務(wù)。

設(shè)集合L={L1,L2,L3...Li...Ln}，Li表示第i個打印任務(wù)的任務(wù)量，

Li=PsCo

(1)

式中，Ps表示所需打印文檔的頁數(shù)，Co表示所需打印份數(shù)。

設(shè)子任務(wù)集合為tin={ti1,ti2,ti3,...tin}，tin表示第i個打印任務(wù)被分割成的第n個子任務(wù)。

設(shè)集合lin={li1,li2,li3,...lin}，lin表示第i個打印任務(wù)中第n個子任務(wù)的任務(wù)量，

設(shè)集合P={P1,P2,P3...Pi...Pn}，Pi表示該打印服務(wù)站中第j臺打印設(shè)備；

設(shè)集合C={C1,C2,C3...Cj...Cn}，Cj表示第j臺打印設(shè)備的打印能力，Cj的值為該打印設(shè)備每分鐘的出紙速度，即打印速度。

設(shè)集合R={R1,R2,R3...Rj...Rn},Rj表示第j臺打印設(shè)備的后備打印能力。

(2)

其中,m為打印設(shè)備能夠打印紙張的數(shù)量，p為該打印設(shè)備已經(jīng)打印紙張的數(shù)量，且0≤Rj≤1，Rj越大表示其后備打印能力越大。

設(shè)集合S={S1,S2,S3...Sj...Sn},Sj表示第j臺打印設(shè)備工作狀態(tài)，取值為-1表示故障，0表示空閑，1表示正在工作。

打印任務(wù)分配需要滿足如下約束：

(1)每個打印資源在同一時刻內(nèi)只能對應(yīng)一個任務(wù)，當(dāng)一個任務(wù)打印量較大時，可以將該任務(wù)分割成多個子任務(wù)，進(jìn)而分配給多臺打印設(shè)備處理。

(2)打印資源的打印能力Cj是一定的。

(3)當(dāng)一個打印資源在執(zhí)行一個打印任務(wù)中出現(xiàn)故障時，該打印資源能夠通知調(diào)度模塊，調(diào)度模塊將會該打印任務(wù)ID號重新放回打印隊(duì)列，重新分配任務(wù)，實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備互聯(lián)。

打印任務(wù)分配流程如圖5所示：

首先取出打印任務(wù)隊(duì)列中的第一個任務(wù)Ti，然后判斷是否需要任務(wù)分割。當(dāng)Li大于默認(rèn)值時(根據(jù)實(shí)際設(shè)定)，將對任務(wù)等額分割，產(chǎn)出子任務(wù)tin={ti1,ti2,ti3,...tin}，當(dāng)Li小于默認(rèn)值時Li=ti1，即不對任務(wù)進(jìn)行分割。設(shè)備監(jiān)控模塊對打印設(shè)備的工作狀態(tài)Sj，打印能力Cj和后備打印能力Rj等信息定時刷新。當(dāng)調(diào)度模塊取到一個任務(wù)后，將讀取一次所有打印資源的狀態(tài)信息，并將該任務(wù)分配給空閑的設(shè)備中具有最大后備打印能力的打印設(shè)備。

圖5 任務(wù)分配流程

5 結(jié)論

云打印是云制造由理論走向應(yīng)用的一種典型實(shí)例，是一種以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的新型打印服務(wù)模式。現(xiàn)階段，云打印服務(wù)還不夠成熟，本文結(jié)合諸多研究者的觀點(diǎn)，提出了一種以按需服務(wù)為宗旨的云打印體系架構(gòu)及運(yùn)行模式，研究了打印資源云端化實(shí)現(xiàn)流程。設(shè)計(jì)了基于Linux的云打印網(wǎng)絡(luò)適配器，為打印設(shè)備接入云打印平臺提供了硬件支持，并研究了打印設(shè)備驅(qū)動方法、設(shè)備訪問控制技術(shù)和任務(wù)管理方法，實(shí)現(xiàn)了對多臺打印設(shè)備的訪問控制，為建立云打印服務(wù)平臺提供了思路和基礎(chǔ)。

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(編輯 李秀敏)

Equipment of Resources Cloud Access Technology Based on Cloud Print

LI Chun-quan, MO Hui-guang, SHANG Yu-ling, ZHANG Ming

(School of Mechanical & Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

In order to realize the construction of cloud print service platform, the technology of print resource access and access control is studied. The shortcomings of traditional printing methods are analyzed, and a kind of Cloud Print architecture and operation mode is proposed, which is based on the requirement of service. According to the Cloud Print architecture, the implementation process of resource cloud is analyzed, and the access technology of print resources is studied, and designs the cloud print network adapter base on Linux,which is the middleware of the printing equipment and the cloud print service platform to establish the communication.The hardware design scheme and the driving method of printing equipment are introduced,print task management method is proposed to achieve the access control of multiple print devices, which lays the foundation for improving the construction of cloud print service platform.

cloud print; resource access; cloud terminalization; system structure; task management

1001-2265(2017)06-078-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.020

2016-08-28；

2016-10-25

國家自然科學(xué)基金(61661013,51465013)；桂林電子科技大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(GDYCSZ201443，GDYCSZ201480)；廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金(YQ15109)

李春泉(1975—)男，北京人，桂林電子科技大學(xué)教授，博士后，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)及微電子制造工程,(E-mail)lichunquan@gmail.com。

TH122；TG506

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