基于虛擬IP 的GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用

張長(zhǎng)志，趙 飛，夏晶晶

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

目前針對(duì)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的通信方式一般有公網(wǎng)通信和專網(wǎng)通信兩種[1]。公網(wǎng)通信一般是通過(guò)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)(如電話線、電纜、光纖、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，專網(wǎng)通信一般是通過(guò)建立專有網(wǎng)絡(luò)(如建立無(wú)線電臺(tái)、鋪設(shè) DDN專線等)傳送數(shù)據(jù)信息。專網(wǎng)通信投資大，通信質(zhì)量不高，應(yīng)用局限性大，需要供能企業(yè)自主維護(hù)其通信網(wǎng)絡(luò)，后期需要投資用于系統(tǒng)升級(jí)，而且需要人員來(lái)維護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)，增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)。而公網(wǎng)通信就不存在上述問(wèn)題。這里提出了基于虛擬IP的GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(wú)線通信模塊就可以構(gòu)建覆蓋全球的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)成本低，沒(méi)有維護(hù)費(fèi)用，工作可靠性高。

1 GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的構(gòu)成

GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由抄表終端、M-Bus通信總線、集中器、GPRS網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(chǔ)的能耗數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)M-Bus總線傳遞給集中器，集中器中包含了單片機(jī)和GPRS無(wú)線模塊，單片機(jī)接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，GPRS無(wú)線模塊用于發(fā)送數(shù)據(jù)和接受上位機(jī)指令。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是一臺(tái)具有固定IP的服務(wù)器，這里可以從電信公司托管一臺(tái)服務(wù)器或者租賃一臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器上開(kāi)發(fā)了虛擬IP軟件。服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸在GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換。主站計(jì)算機(jī)管理軟件通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接收數(shù)據(jù)，生成各種數(shù)據(jù)報(bào)表，管理和監(jiān)控整個(gè)抄表系統(tǒng)等?；谄?，這里只對(duì)抄表終端、主站管理系統(tǒng)進(jìn)行介紹。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)抄表終端。對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械型的機(jī)械式儀表，需要進(jìn)行改裝，使其輸出成為符合標(biāo)準(zhǔn)的電子信號(hào)，若采用智能儀表，其輸出就是數(shù)字量，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的構(gòu)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(chǔ)及用戶斷電處理等。抄表終端首先對(duì)各儀表產(chǎn)生的數(shù)字脈沖進(jìn)行濾波、光電隔離，然后通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá)設(shè)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間時(shí)將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中。集中器通過(guò)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(jī)接收指令，并執(zhí)行指定的通訊程序?qū)⒋鎯?chǔ)器中的數(shù)據(jù)通過(guò)M-Bus總線上傳到集中器。以此循環(huán)往復(fù)。抄表終端由時(shí)鐘電路、看門狗電路、M-Bus總線接口模塊、單片機(jī)等部分組成，其電路組成如圖2所示。

圖1 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 抄表終端電路結(jié)構(gòu)

(2)主站管理系統(tǒng)。包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)管理軟件。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL SERVER，它支持C/S體系結(jié)構(gòu)，圖形化用戶界面，使系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理更加直觀、簡(jiǎn)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(kuò)展性來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序，高效性使得人們可以降低開(kāi)發(fā)和管理的時(shí)間和成本。前臺(tái)系統(tǒng)管理軟件的開(kāi)發(fā)工具選用VC++，開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序在Windows環(huán)境下運(yùn)行。

系統(tǒng)管理軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)管理模塊、遠(yuǎn)程抄表模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、費(fèi)用管理模塊、報(bào)表管理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)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(shè)備。添加和刪除用戶、口令維護(hù)、權(quán)限設(shè)置，設(shè)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(gè)通信線路，對(duì)儀表進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)、添加和刪除儀表信息、對(duì)儀表類型定義[3]。

②遠(yuǎn)程抄表模塊主要抄收儀表上的數(shù)據(jù)。設(shè)定時(shí)間系統(tǒng)自動(dòng)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(kù)中，還可以有針對(duì)性的抄收某些儀表。

③數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)用戶信息和抄表數(shù)據(jù)管理。用戶信息包括用戶編號(hào)、姓名、集中器編號(hào)，儀表編號(hào)、儀表類型、用戶聯(lián)系方式、住址等。對(duì)以上信息進(jìn)行添加、修改、查詢和刪除等。抄表數(shù)據(jù)管理是對(duì)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(fèi)用管理模塊主要是設(shè)置費(fèi)率和費(fèi)用生成。設(shè)置不同儀表類型的用能費(fèi)率，根據(jù)耗能數(shù)據(jù)和費(fèi)率生成費(fèi)用報(bào)表。

⑤報(bào)表管理模塊用于管理各種報(bào)表。可以查詢某個(gè)用戶、某月的耗能數(shù)據(jù)報(bào)表或費(fèi)用報(bào)表，并打印各種報(bào)表。

⑥數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)、數(shù)據(jù)報(bào)表的恢復(fù)和備份。

2 虛擬IP傳輸協(xié)議在系統(tǒng)中的運(yùn)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(chǔ)，它具有 TCP/IP協(xié)議的一切特性。TCP/IP協(xié)議由4個(gè)層次組成：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。其中每一層都有相應(yīng)的協(xié)議集合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能[4]。下面根據(jù)整個(gè)抄表系統(tǒng)的要求對(duì)每一層協(xié)議進(jìn)行分析。

(1)網(wǎng)絡(luò)接口層。網(wǎng)絡(luò)接口層包含物理層和鏈路層，物理層是定義物理介質(zhì)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(wǎng)的形式接入，所以必須采用Ethernet 802.3協(xié)議。

(2)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)相鄰計(jì)算機(jī)之間的通信、處理數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換協(xié)議、RARP反向地址轉(zhuǎn)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(jìn)行通信，因此系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議。

(3)傳輸層。提供應(yīng)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(diǎn)，同時(shí)還可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，這里選用UDP協(xié)議。

(4)應(yīng)用層。是面向用戶的服務(wù)，向用戶提供一組常用的應(yīng)用程序，如電子郵件、文件傳輸訪問(wèn)、瀏覽網(wǎng)頁(yè)、遠(yuǎn)程登錄等，為了以后實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上銀行自動(dòng)繳費(fèi)功能，所以系統(tǒng)應(yīng)該支持HTTP協(xié)議。

虛擬IP協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)由報(bào)頭和數(shù)據(jù)兩部組成，報(bào)頭為16字節(jié)固定長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)：目標(biāo)地址、源地址、服務(wù)器密碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)詳細(xì)說(shuō)明如表1所示。

表1 虛擬IP數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)

虛擬IP數(shù)據(jù)報(bào)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(biāo)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(wù)器密碼 710710 00 03 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為3個(gè)字符

41 42 43數(shù)據(jù)為ABC

以網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)，采用UDP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸協(xié)議方式，制定的虛擬IP協(xié)議，在滿足遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通信的可靠性和準(zhǔn)確性的要求上，大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)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(gè)主要的子協(xié)議[5]。這樣對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高、數(shù)據(jù)量比較小、沒(méi)有特殊需求的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)已經(jīng)足夠了。

2.2 VC++編寫虛擬IP軟件

現(xiàn)采用VC++語(yǔ)言編寫ActiveX控件來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬IP協(xié)議的通信。

(1)創(chuàng)建一個(gè)Vip控件。

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

還要獲得和設(shè)置目標(biāo)計(jì)算機(jī)虛擬IP、本地計(jì)算機(jī)虛擬IP、服務(wù)器端口和密碼等屬性值。其中，SetProperty和GetProperty的第一個(gè)參數(shù)是控件的屬性序號(hào)，第二個(gè)參數(shù)是控件屬性的數(shù)據(jù)類型，第三個(gè)變量是與控件相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)變量[6-7]。

2.3 通信終端EM310模塊軟件設(shè)置與通信的實(shí)現(xiàn)

首先要正確設(shè)置Vip控件和終端EM310模塊參數(shù)，有服務(wù)器IP、服務(wù)器端口號(hào)、目標(biāo)虛擬IP、源虛擬IP和服務(wù)器密碼等。集中器向主站通信：集中器中單片機(jī)通過(guò)串口向EM310模塊寫AT指令，模塊通過(guò)AT指令連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)和目標(biāo)虛擬 IP，服務(wù)器根據(jù)目標(biāo)虛擬 IP連接到主站計(jì)算機(jī)，主站計(jì)算機(jī)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(guò)網(wǎng)絡(luò)將目標(biāo)虛擬IP和指令發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)目標(biāo)虛擬IP通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給指定的通信終端，終端通過(guò)串口將指令發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)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(gè)字符從源虛擬IP為10.1.71.0，服務(wù)器IP為221.231.140.197，發(fā)送到目標(biāo)虛擬IP為10.1.71.1的AT指令為：

初始化連接 GPRS 網(wǎng)絡(luò)：AT+CGDCONT=1,＂IP＂,＂CMNET＂;

激活I(lǐng)P地址：AT%ETCPIP;

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

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

關(guān)閉鏈接：AT%IPCLOSE。

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

3 結(jié)語(yǔ)

將GPRS網(wǎng)絡(luò)和IP技術(shù)運(yùn)用于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，形成了基于虛擬IP的GPRS遠(yuǎn)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(yuǎn)程無(wú)線抄表的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可行性強(qiáng)、可靠性高，不僅可以推進(jìn)抄表工作的全自動(dòng)化進(jìn)程而且還能夠?yàn)楸O(jiān)管部門實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶端耗能量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理、分析和控制，提高能量計(jì)量管理水平。隨著智能控制家用四表的發(fā)展，該遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)將有更廣闊的應(yīng)用前景。

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