網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

摘要：為滿足電力行業(yè)改革與發(fā)展的需要，提高用電營業(yè)管理水平，提出一種基于GPRS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先對現(xiàn)場測量獲得所需要的流量，然后結(jié)合GPRS通訊技術(shù)、J2EE技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了基于B／S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程自動抄袁系統(tǒng)。分別從硬件和軟件兩方面介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和具體的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用了連接池機(jī)制來實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的高效連接，運(yùn)用xmlhttp技術(shù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)顯示。該產(chǎn)品已應(yīng)用在實(shí)際抄表系統(tǒng)中，效果良好。
關(guān)鍵詞：通用分組無線業(yè)務(wù)；遠(yuǎn)程抄表；數(shù)據(jù)庫；J2EE技術(shù)

0 引言
    電力網(wǎng)供電長期以來依靠人力對商業(yè)用電和生活用電數(shù)據(jù)進(jìn)行抄讀，效率極其低下。抄表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)主要依靠人力，報(bào)表生成周期長，統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析慢，獲得結(jié)果不能及時反映系統(tǒng)用電量需求分布，對供應(yīng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化沒有參考價值，嚴(yán)重限制了供電系統(tǒng)的供電效率和質(zhì)量的提高。
    傳統(tǒng)抄表方式依靠人力抄表，電表數(shù)據(jù)抄取周期較長，無法獲得同一時刻所有用戶的電表數(shù)據(jù)，使得電表數(shù)據(jù)的獲取具有不精確性和時間段的模糊性，導(dǎo)致電網(wǎng)用電量的時空分布結(jié)果可信度不高，從而無法給供電管理部門提供有效的參考數(shù)據(jù)和建議。
    自動抄表系統(tǒng)是供電系統(tǒng)監(jiān)管部門用來對工業(yè)和生活用電進(jìn)行監(jiān)測、管理和控制，以及對用戶用電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析的重要手段。本文提出了將GPRS通訊技術(shù)與J2EE技術(shù)相結(jié)合的方案應(yīng)用到自動抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)。在底層硬件設(shè)計(jì)中，采用一種基于通用分組無線業(yè)務(wù) GPRS(General Packet Ratio Service)無線上網(wǎng)技術(shù)的自動數(shù)據(jù)采集方案。在上層軟件設(shè)計(jì)中，采用美國Sun公司推出的J2EE(Java 2 Platform，Enterprise Edition)平臺。該產(chǎn)品已應(yīng)用在實(shí)際抄表系統(tǒng)中，效果良好。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理
1．1 系統(tǒng)的組成
    圖1是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)由五部分組成：GPRS數(shù)據(jù)采集模塊、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、客戶端。


    GPRS數(shù)據(jù)采集模塊：它是系統(tǒng)的硬件主要部分。GPRS模塊上電后擁有一個動態(tài)的IP地址，可以與通信服務(wù)器進(jìn)行Socket通信。它的功能就是將檢測到的電能流量以十六進(jìn)制數(shù)據(jù)格式發(fā)送給通信服務(wù)器。GPRS終端也可以接受來之通信服務(wù)器的命令。
    通信服務(wù)器：它打開服務(wù)器的某一端口，監(jiān)聽并接受所有GPRS終端向該端口發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包，然后將數(shù)據(jù)包解析成流量等數(shù)據(jù)，寫進(jìn)數(shù)據(jù)庫中。通訊服務(wù)器的另一任務(wù)是向GPRS終端發(fā)送命令的任務(wù)，即向GRPS終端發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包。
    數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：通信服務(wù)器從GPRS終端獲得的數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，同時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還需對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。
    Web服務(wù)器：它連接著數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端。首先它向客戶端提供Web服務(wù)。響應(yīng)來之客戶端的請求，并根據(jù)客戶端的請求向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)以html格式返回給客戶端，使得客戶端可以瀏覽它所請求的數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器還可以直接向通信服務(wù)器提出請求，通信服務(wù)器根據(jù)Web服務(wù)器的請求向GPRS終端發(fā)送命令。
    客戶端：它采用瘦客戶端，只需要一個Internet瀏覽器即可?？蛻舳说娜蝿?wù)就是向Web服務(wù)器發(fā)出http請求，然后將Web服務(wù)器返回的ht-ml格式文件顯示給用戶。
1．2 系統(tǒng)的功能
    系統(tǒng)的功能有：查看歷史數(shù)據(jù)，讀取實(shí)時或整點(diǎn)數(shù)據(jù)。
    查看歷史數(shù)據(jù)：客戶端根據(jù)自己的需求，要求查看歷史上某一段數(shù)據(jù)的請求，該請求經(jīng)過Web服務(wù)器轉(zhuǎn)送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)經(jīng)過Web服務(wù)器轉(zhuǎn)接以html格式返回給客戶端。
    讀取實(shí)時或整點(diǎn)數(shù)據(jù)：客戶端要求讀取實(shí)時或整點(diǎn)數(shù)據(jù)請求，Web服務(wù)器根據(jù)請求來通知通訊服務(wù)器，然后由通訊服務(wù)器通知GPRS數(shù)據(jù)采集模塊，GPRS數(shù)據(jù)采集模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向通訊服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)通訊服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包時，將數(shù)據(jù)包解析成流量參數(shù)寫到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，然后由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給Web服務(wù)器，然后由Web服務(wù)器將數(shù)據(jù)以html格式返回給客戶端。

2 GPRS通信模塊的設(shè)計(jì)及其功能
    第2．5代通訊技術(shù)GPRS(Geneal packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù))作為第三代通訊技術(shù)的前奏，GPRS技術(shù)是在現(xiàn)有GSM技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的分組交換的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，由英國 BTCellent公司在1983年提出。GSM技術(shù)主要以提供話音業(yè)務(wù)為主，而GPRS技術(shù)在移動終端與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器之間提供了分組傳遞業(yè)務(wù)，這就是GPRS網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別。
    GPRS把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有GSM系統(tǒng)，為移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供語音通信。GPRS采用分組交換技術(shù)，主要提供非語音的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，給移動用戶提供高速無線IP和x．25服務(wù)。GSM網(wǎng)絡(luò)采用電路交換的方式，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。
    本系統(tǒng)就是利用GPRS的分組無線業(yè)務(wù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到現(xiàn)場的自動抄表裝置上進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。
    在系統(tǒng)中，關(guān)鍵之一是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇。目前有兩種協(xié)議，即TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。UDP協(xié)議與TCP協(xié)議相比較，有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：適用于小數(shù)據(jù)量的傳輸；使用方便，不需要建立連接，是一種無連接的通訊方式；傳輸數(shù)據(jù)的效率高，實(shí)時性強(qiáng)。
    考慮到UDP上述特點(diǎn)以及流量測量系統(tǒng)對實(shí)時性的高要求，本系統(tǒng)采用了UDP協(xié)議。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    電能流量測量設(shè)備有兩種工作方式：一是按事先設(shè)定好的時間間隔，周期性地采集用戶數(shù)據(jù)，實(shí)時地傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；二是實(shí)時地響應(yīng)來自于通信服務(wù)器的控制命令，按照控制命令進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。這就要求作為數(shù)據(jù)傳輸模塊和終端設(shè)備控制模塊的GPRS終端能夠?qū)崟r地解析、處理各種控制命令并向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)提供盡可能大的吞吐率。另外考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時沒有采用傳統(tǒng)的低成本但是高開發(fā)費(fèi)用且性能、功能受限制的單片機(jī)加GPRS通訊模塊的方案，而是使用了以高性能嵌入式CPU芯片為核心的設(shè)計(jì)方案。GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端的硬件組成和連接如圖2所示。CPU采用了專為網(wǎng)絡(luò)解決方案設(shè)計(jì)的 Samsung ARM7 4510B。GPRS模塊采用目前比較流行的西門子MC35系列模塊。


    傳輸終端的軟件采用了以嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)為平臺、自主知識產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)絡(luò)組件為核心的體系結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)選用了μclinux。μclinux最大的特點(diǎn)就是沒有MMU，很適合ARM嵌入式微處理器。該μclinux的內(nèi)核版本是Linux 2．4，它具備完整的嵌入式TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，操作系統(tǒng)所有代碼加起來編譯后的鏡像文件小于1 MB。
    該系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器DSP為核心，采用交流取樣技術(shù)，可以連續(xù)地檢測和統(tǒng)計(jì)電量的有關(guān)參數(shù)。
    抄表數(shù)據(jù)終端起著管理和協(xié)調(diào)GPRS網(wǎng)絡(luò)和儀表數(shù)據(jù)通信的作用。由于無線傳輸是基于GPRS的，所以抄表數(shù)據(jù)傳輸終端也可以稱為GPRS終端，要完成硬件和軟件的設(shè)計(jì)。抄表終端的硬件設(shè)計(jì)一般都會選用世界知名廠商生產(chǎn)的GPRS模塊作為抄表終端與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接的中間件，實(shí)現(xiàn)同基站空中接口的連接，選用高速微處理器連接儀表和GPRS模塊，處理兩者間的數(shù)據(jù)通信問題。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 B／S結(jié)構(gòu)
    目前軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式主要有兩大類：一是傳統(tǒng)的Client／Server(客戶端／服務(wù)器)模式，它采用Intranet技術(shù)，適用于局域網(wǎng)環(huán)境可連接用戶數(shù)有限，當(dāng)用戶數(shù)量增多時，性能會明顯下降，客戶端都要安裝。一是正在不斷發(fā)展的Browser／Server(瀏覽器／服務(wù)器)模式，
它采用Internet／Intranet技術(shù)，適用于廣域網(wǎng)環(huán)境，支持更多的客戶，可根據(jù)訪問量動態(tài)配置Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，以保證系統(tǒng)性能?？蛻舳酥恍枰獦?biāo)準(zhǔn)的Internet瀏覽器。
    由于運(yùn)行該系統(tǒng)的物理平臺的復(fù)雜性，例如不同設(shè)備的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等都具有相異性，各種專業(yè)網(wǎng)絡(luò)都有各自不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式，因此必須選擇能夠較好支持跨平臺開發(fā)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，考慮到使用該系統(tǒng)的人員具有廣泛性，依據(jù)不同的權(quán)限隨時可以查看該系統(tǒng)的詳細(xì)情況，若仍完全采用傳統(tǒng)的固定C／S模式，就必須嚴(yán)格對每個客戶端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這顯然是不可取的。
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用以Web技術(shù)為基礎(chǔ)，以瀏覽器／服務(wù)器即B／S為體系結(jié)構(gòu)的方案。B／S模式與傳統(tǒng)的C／S模式相比，優(yōu)點(diǎn)在于：主要工作是服務(wù)器端程序的開發(fā)。服務(wù)器主要負(fù)責(zé)開發(fā)、維護(hù)網(wǎng)上的內(nèi)容與資源，負(fù)責(zé)信息的收集、存儲、發(fā)布，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護(hù)。客戶端直接利用現(xiàn)有的局域網(wǎng)或 Internet連接，不需要特殊設(shè)置和安裝，使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet瀏覽器，直接訪問專用Web服務(wù)器頁面，就可觀看監(jiān)測和分析電能質(zhì)量的實(shí)時數(shù)據(jù)，并能查詢所需歷史數(shù)據(jù)。
4．2 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境與工具的選擇
     考慮到系統(tǒng)的移植性和跨平臺性，本系統(tǒng)選擇了Sun公司設(shè)計(jì)開發(fā)的J2EE平臺，使用JSP(Java Server Pages)作為B／S模式的開發(fā)工具。J2EE(Java 2 Platform Enterprise Edition)是一個適用于企業(yè)級計(jì)算的支持多層、分布式應(yīng)用的全新概念的Java平臺，它為搭建具有可伸縮性，靈活性、易維護(hù)性的企業(yè)信息系統(tǒng)提供了良好的機(jī)制，與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序模型相比有著不可比擬的優(yōu)勢。J2EE主要面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，它定義了一系列規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，使得Java程序員能夠共同的遵照這個標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)大型面向網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目。它同時提供了龐大的開發(fā)庫，是面向電子商務(wù)開發(fā)的企業(yè)級應(yīng)用平臺。Java具有“編寫一次，到處運(yùn)行”的特性，能夠通過JDBC方便連接各類數(shù)據(jù)庫，調(diào)用各類API，同時在Internet應(yīng)用中保護(hù)數(shù)據(jù)的安全模式等?？偨Y(jié)該系統(tǒng)的平臺解決方案如下：
    計(jì)算模式：三層B／S模式；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：Windows2000 Server；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：Oracle 8i；Web服務(wù)器：Apache Tomcat 5．O；數(shù)據(jù)庫驅(qū)動接口：JDBC驅(qū)動；主要的開發(fā)環(huán)境及工具：J2EE，Java，JSP，Javascript。
4．3 連接池(Connection Pool)機(jī)制
    程序的效率問題在JSP編程過程中是很重要的，即要考慮如何使有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源為更多的客戶提供更好的服務(wù)，保證客戶的響應(yīng)速度和服務(wù)質(zhì)量。如果有很多人訪問該網(wǎng)站，每一次Web請求都需要與數(shù)據(jù)庫建立一個連接，那么數(shù)據(jù)庫就有可能要同時處理許多建立連接的請求，這對于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和 Web Server來說是一個很嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)?dǎo)致資源耗盡而死機(jī)。
    本系統(tǒng)使用連接池機(jī)制來解決這個問題。連接池最基本的思想就是預(yù)先建立一些連接放置于內(nèi)存對象中以備使用。當(dāng)程序中需要建立與數(shù)據(jù)庫的連接時，只需到連接池中讀取即可，不需新建連接。當(dāng)程序不需該連接時，只要將該連接放回到連接池中，以便其他程序或用戶使用。同時連接池機(jī)制對于位于池中的連接具有管理的功能，增加了與數(shù)據(jù)庫連接的強(qiáng)壯性。
4．4 數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程管理
    數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括：現(xiàn)場流量參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、不合格數(shù)據(jù)、人員的管理、權(quán)限的管理等。
    數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理按照如下流程來實(shí)現(xiàn)：
    (1)客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)的查詢或修改指令；
    (2)服務(wù)端接收指令，向客戶端返回結(jié)果；
    (3)客戶端接收結(jié)果，顯示查詢數(shù)據(jù)。
    當(dāng)客戶端請求查看實(shí)時數(shù)據(jù)的時候，客戶端向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器每隔2 s就將實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端接收并顯示該數(shù)據(jù)。該過程就是一個典型的數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理過程。傳統(tǒng)的技術(shù)是頁面不斷刷新，來獲取新的數(shù)據(jù)，以便讓用戶看到不斷變化的實(shí)時數(shù)據(jù)。但該方法的缺點(diǎn)一是當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時，占用服務(wù)器資源的消耗大；二是用戶能明顯感到頁面的不斷刷新，對用戶視覺和聽覺都有很大影響。本系統(tǒng)采用了Microsoft開發(fā)的xmlhttp技術(shù)，它是Microsoft xml解析器(MSXML)中的一個客戶／服務(wù)通訊管道協(xié)議。運(yùn)用xmlhttp可以簡單方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理。由于其傳送的是XML格式的數(shù)據(jù)，大大減輕了對服務(wù)器的消耗，而且采用xmlhttp協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)頁面無刷新更新數(shù)據(jù)，使界面更加友好。

5 結(jié)語
    本系統(tǒng)在硬件上采用了GPRS通信模塊，軟件上采用B／S模式，開發(fā)工具采用了Sun公司提供的J2EE平臺，完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它可以對現(xiàn)場電能流量進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時、直觀地監(jiān)測和分析。較之其他系統(tǒng)來說，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、客戶端免維護(hù)、服務(wù)器端易維護(hù)、系統(tǒng)安全可靠、操作簡單方便等優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品已應(yīng)用在實(shí)際抄表系統(tǒng)中，效果良好。