張長志，趙 飛，夏晶晶

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

目前針對遠程抄表系統(tǒng)的通信方式一般有公網通信和專網通信兩種[1]。公網通信一般是通過現(xiàn)有的網絡(如電話線、電纜、光纖、無線網絡等)進行數(shù)據(jù)遠傳，專網通信一般是通過建立專有網絡(如建立無線電臺、鋪設 DDN專線等)傳送數(shù)據(jù)信息。專網通信投資大，通信質量不高，應用局限性大，需要供能企業(yè)自主維護其通信網絡，后期需要投資用于系統(tǒng)升級，而且需要人員來維護通信網絡，增加了企業(yè)負擔。而公網通信就不存在上述問題。這里提出了基于虛擬IP的GPRS無線網絡通信，主站不受固定IP限制，投資少，只需在抄表終端上配置無線通信模塊就可以構建覆蓋全球的無線網絡，系統(tǒng)成本低，沒有維護費用，工作可靠性高。

1 GPRS遠程抄表系統(tǒng)的構成

GPRS遠程抄表系統(tǒng)由抄表終端、M-Bus通信總線、集中器、GPRS網絡、網絡服務器、主站管理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)終端采用智能儀表，儀表存儲的能耗數(shù)據(jù)經過M-Bus總線傳遞給集中器，集中器中包含了單片機和GPRS無線模塊，單片機接收并存儲數(shù)據(jù)，GPRS無線模塊用于發(fā)送數(shù)據(jù)和接受上位機指令。網絡服務器是一臺具有固定IP的服務器，這里可以從電信公司托管一臺服務器或者租賃一臺服務器，服務器上開發(fā)了虛擬IP軟件。服務器主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸在GPRS網絡和互聯(lián)網之間的轉換。主站計算機管理軟件通過互聯(lián)網接收數(shù)據(jù)，生成各種數(shù)據(jù)報表，管理和監(jiān)控整個抄表系統(tǒng)等?；谄?，這里只對抄表終端、主站管理系統(tǒng)進行介紹。系統(tǒng)結構如圖1所示。

(1)抄表終端。對于傳統(tǒng)機械型的機械式儀表，需要進行改裝，使其輸出成為符合標準的電子信號，若采用智能儀表，其輸出就是數(shù)字量，大大簡化了系統(tǒng)的構成[2]。抄表終端主要完成數(shù)據(jù)的采集、顯示、數(shù)據(jù)存儲及用戶斷電處理等。抄表終端首先對各儀表產生的數(shù)字脈沖進行濾波、光電隔離，然后通過單片機進行數(shù)據(jù)采集，當計時到達設定的數(shù)據(jù)存儲時間時將數(shù)據(jù)信息存儲到外部存儲器中。集中器通過M-Bus總線發(fā)送抄表指令讀取該終端上的數(shù)據(jù)，抄表終端單片機接收指令，并執(zhí)行指定的通訊程序將存儲器中的數(shù)據(jù)通過M-Bus總線上傳到集中器。以此循環(huán)往復。抄表終端由時鐘電路、看門狗電路、M-Bus總線接口模塊、單片機等部分組成，其電路組成如圖2所示。

圖1 遠程抄表系統(tǒng)結構

圖2 抄表終端電路結構

(2)主站管理系統(tǒng)。包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)管理軟件。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用的是關系型數(shù)據(jù)庫SQL SERVER，它支持C/S體系結構，圖形化用戶界面，使系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)庫管理更加直觀、簡單。其可信任性使得人們可以以很高的安全性、可靠性和可擴展性來運行應用程序，高效性使得人們可以降低開發(fā)和管理的時間和成本。前臺系統(tǒng)管理軟件的開發(fā)工具選用VC++，開發(fā)的應用程序在Windows環(huán)境下運行。

系統(tǒng)管理軟件采用模塊化設計，由系統(tǒng)管理模塊、遠程抄表模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、費用管理模塊、報表管理模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊組成。

①系統(tǒng)管理模塊主要管理系統(tǒng)的操作人員及管理系統(tǒng)的設備。添加和刪除用戶、口令維護、權限設置，設置系統(tǒng)參數(shù)、配置主站虛擬IP、添加和刪除從站虛擬IP、自檢整個通信線路，對儀表進行統(tǒng)一編號、添加和刪除儀表信息、對儀表類型定義[3]。

②遠程抄表模塊主要抄收儀表上的數(shù)據(jù)。設定時間系統(tǒng)自動向終端儀表抄收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，還可以有針對性的抄收某些儀表。

③數(shù)據(jù)管理模塊對用戶信息和抄表數(shù)據(jù)管理。用戶信息包括用戶編號、姓名、集中器編號，儀表編號、儀表類型、用戶聯(lián)系方式、住址等。對以上信息進行添加、修改、查詢和刪除等。抄表數(shù)據(jù)管理是對抄表數(shù)據(jù)保存、管理，以及按用戶、集中器、年月等檢索、查詢數(shù)據(jù)。

④費用管理模塊主要是設置費率和費用生成。設置不同儀表類型的用能費率，根據(jù)耗能數(shù)據(jù)和費率生成費用報表。

⑤報表管理模塊用于管理各種報表?？梢圆樵兡硞€用戶、某月的耗能數(shù)據(jù)報表或費用報表，并打印各種報表。

⑥數(shù)據(jù)庫管理模塊負責數(shù)據(jù)庫的維護、數(shù)據(jù)報表的恢復和備份。

2 虛擬IP傳輸協(xié)議在系統(tǒng)中的運用

2.1 虛擬IP傳輸協(xié)議

虛擬 IP協(xié)議是以 TCP/IP協(xié)議為基礎，它具有 TCP/IP協(xié)議的一切特性。TCP/IP協(xié)議由4個層次組成：網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層。其中每一層都有相應的協(xié)議集合來實現(xiàn)不同的功能[4]。下面根據(jù)整個抄表系統(tǒng)的要求對每一層協(xié)議進行分析。

(1)網絡接口層。網絡接口層包含物理層和鏈路層，物理層是定義物理介質的各種特性，鏈路層為其上層協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。文中的寬帶是以以太網的形式接入，所以必須采用Ethernet 802.3協(xié)議。

(2)網絡層。網絡層主要負責相鄰計算機之間的通信、處理數(shù)據(jù)包在網絡中的協(xié)議封裝，這一層協(xié)議包括 IP協(xié)議、ICMPP協(xié)議、ARP地址轉換協(xié)議、RARP反向地址轉換協(xié)議以及IGMP協(xié)議等。由于抄表系統(tǒng)要求能夠在Internet進行通信，因此系統(tǒng)要實現(xiàn)IP協(xié)議。

(3)傳輸層。提供應用程序間的通信，其通信協(xié)議有TCP協(xié)議和UDP，由于UDP協(xié)議不屬于連接型協(xié)議，具有資源消耗小，處理速度快的特點，同時還可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，這里選用UDP協(xié)議。

(4)應用層。是面向用戶的服務，向用戶提供一組常用的應用程序，如電子郵件、文件傳輸訪問、瀏覽網頁、遠程登錄等，為了以后實現(xiàn)網上銀行自動繳費功能，所以系統(tǒng)應該支持HTTP協(xié)議。

虛擬IP協(xié)議數(shù)據(jù)報由報頭和數(shù)據(jù)兩部組成，報頭為16字節(jié)固定長度。數(shù)據(jù)報結構：目標地址、源地址、服務器密碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)報結構詳細說明如表1所示。

表1 虛擬IP數(shù)據(jù)報結構

虛擬IP數(shù)據(jù)報示例分析：

0A 01 47 01 0A 01 47 00 37 31 30 37 31 30 00 03 41 42 43 0A 01 47 01是目標地址，虛擬IP 10.1.71.1

0A 01 47 00 源地址，虛擬IP 10.1.71.0

37 31 30 37 31 30服務器密碼 710710 00 03 數(shù)據(jù)長度為3個字符

41 42 43數(shù)據(jù)為ABC

以網絡通信協(xié)議TCP/IP協(xié)議為基礎，采用UDP數(shù)據(jù)報傳輸協(xié)議方式，制定的虛擬IP協(xié)議，在滿足遠程抄表系統(tǒng)通信的可靠性和準確性的要求上，大大簡化了網絡通信協(xié)議，只保留了 HTTP協(xié)議、TCP協(xié)議、IP協(xié)議、Ping協(xié)議、CSMA/CD協(xié)議、ARP協(xié)議等幾個主要的子協(xié)議[5]。這樣對實時性要求不太高、數(shù)據(jù)量比較小、沒有特殊需求的遠程抄表系統(tǒng)已經足夠了。

2.2 VC++編寫虛擬IP軟件

現(xiàn)采用VC++語言編寫ActiveX控件來實現(xiàn)虛擬IP協(xié)議的通信。

(1)創(chuàng)建一個Vip控件。

(2)利用GetProperty函數(shù)返回控件屬性，利用SetProperty函數(shù)設置控件屬性，主要程序如下：

還要獲得和設置目標計算機虛擬IP、本地計算機虛擬IP、服務器端口和密碼等屬性值。其中，SetProperty和GetProperty的第一個參數(shù)是控件的屬性序號，第二個參數(shù)是控件屬性的數(shù)據(jù)類型，第三個變量是與控件相關聯(lián)的數(shù)據(jù)變量[6-7]。

2.3 通信終端EM310模塊軟件設置與通信的實現(xiàn)

首先要正確設置Vip控件和終端EM310模塊參數(shù)，有服務器IP、服務器端口號、目標虛擬IP、源虛擬IP和服務器密碼等。集中器向主站通信：集中器中單片機通過串口向EM310模塊寫AT指令，模塊通過AT指令連接GPRS網絡，向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)和目標虛擬 IP，服務器根據(jù)目標虛擬 IP連接到主站計算機，主站計算機接收數(shù)據(jù)，完成通信終端到主站的通信。主站向集中器通信：主站通過網絡將目標虛擬IP和指令發(fā)送到服務器，服務器根據(jù)目標虛擬IP通過GPRS網絡將指令發(fā)送給指定的通信終端，終端通過串口將指令發(fā)送給單片機，單片機識別指令，執(zhí)行指令，依此循環(huán)完成抄表工作。例如將ABC三個字符從源虛擬IP為10.1.71.0，服務器IP為221.231.140.197，發(fā)送到目標虛擬IP為10.1.71.1的AT指令為：

初始化連接 GPRS 網絡：AT+CGDCONT=1,＂IP＂,＂CMNET＂;

激活IP地址：AT%ETCPIP;

服務器的協(xié)議類型、IP和端口號：AT%IPOPEN=＂UDP＂,＂221.231.140.197＂,7002;

發(fā)送數(shù)據(jù)：AT%IPSEND=＂0A0147010A01470037313037313000034 14243＂;

關閉鏈接：AT%IPCLOSE。

以上是用AT指令通過GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的操作，當然還有數(shù)據(jù)讀取、刪除數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、設置延遲發(fā)送時間等AT指令，具體要參考模塊用戶手冊，這里就不再贅述了。

3 結語

將GPRS網絡和IP技術運用于遠程抄表系統(tǒng)，形成了基于虛擬IP的GPRS遠程抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)不受地域限制、成本低、主站不受固定IP地址制約，充分體現(xiàn)了遠程無線抄表的優(yōu)勢。經實驗驗證，系統(tǒng)可行性強、可靠性高，不僅可以推進抄表工作的全自動化進程而且還能夠為監(jiān)管部門實現(xiàn)對客戶端耗能量的實時動態(tài)管理、分析和控制，提高能量計量管理水平。隨著智能控制家用四表的發(fā)展，該遠程抄表系統(tǒng)將有更廣闊的應用前景。

[1] 唐偉,張建波,范文賓.基于GPRS技術的遠程抄表系統(tǒng)設計[J].電力系統(tǒng)通信,2004(11):37-40.

[2] 鄭全禮.自動抄表系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2003.

[3] 張紅霞,王亞微,郭佳,等.基于 GPRS通信技術的遠程抄表系統(tǒng)設計[J].通信技術,2008,41(08):207-209.

[4] 常琨,馬天光,史琳.TCP/IP在GPRS/EGPRS網絡中的應用及影響[J].通信技術, 2010,43(12):112-114.

[5] 陳治國,黎文安,牛玉新.基于 TCP/IP協(xié)議的遠程抄表系統(tǒng)的研究[J].繼電器,2004,32(22):62-65.

[6] 樂仁昌. ActiveX控件實現(xiàn)串行通信編程[J].華東地質學院學報,1999,22(04):370-373.

[7] 孫鑫,余安萍.VC++深入詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.