基于Web和硬件可重構技術的遠程抄表設計

引言
　　
隨著計算機技術的發(fā)展，遠程抄表技術逐漸得到廣泛的應用。通過實行一戶一表以及自動遠程抄表，可以做到及時、準確地進行數(shù)據采集，并且提供了一種對欠費用戶進行有效管理的手段。遠程抄表系統(tǒng)通常主要由計量儀表、數(shù)據集中器、通信網絡以及抄表程序四個部分組成。計量儀表完成信息轉換、數(shù)據存儲功能，并支持通過本地通信網絡與數(shù)據集中器進行數(shù)據交換。數(shù)據集中器完成數(shù)據匯聚功能，并能與抄表程序進行遠程數(shù)據交換。抄表程序則借助通信網絡從數(shù)據集中器獲取計量數(shù)據，并存入數(shù)據庫中。在絕大多數(shù)遠程抄表系統(tǒng)中，計量儀表通常沒有太多差別，而對于抄表程序以及緊接其后的各種數(shù)據查詢、統(tǒng)計等操作都是典型的數(shù)據庫應用系統(tǒng)，差別也不大。相比之下，通信網絡以及與之緊密相關的數(shù)據集中器則是不同系統(tǒng)之間差異較大的地方，同時也是技術上的難點。
　　
針對以上問題，本文提出了一種基于Web和硬件可重構技術的遠程抄表系統(tǒng)結構。軟件方面，它在數(shù)據集中器中利用一個嵌入式Web服務器來負責數(shù)據的傳送任務，采用HTTP作為通信協(xié)議?？蛻舳藙t是操作系統(tǒng)自帶的Web瀏覽器，從而可以解決各個系統(tǒng)之間由于通信協(xié)議不同而造成的兼容性問題，而且節(jié)省了抄表客戶端的軟件開發(fā)成本。硬件方面，采用硬件可重構技術和基于IP核的設計方法，在單個FPGA芯片上實現(xiàn)了數(shù)據集中器。即使將來需要對系統(tǒng)進行改進和升級，也只需對FPGA芯片的配置文件進行修改，而不必報廢整個硬件系統(tǒng)，從而保護了已有的硬件投資，降低了系統(tǒng)的維護成本。另外，數(shù)據集中器上的通信接口也可以借助硬件可重構技術很方便地更改，因而能夠適應各種硬件環(huán)境。
　　
遠程抄表系統(tǒng)的體系結構
　　
基于Web的遠程抄表系統(tǒng)的體系結構如圖1所示(以電表為例)。

         
　　
             圖1　基于Web的選程秒表系統(tǒng)的體系結構
　　
它由三個部分組成，分別是抄表客戶端程序、數(shù)據集中器以及分布在各家各戶的電表。抄表流程如下：首先由抄表人員使用抄表客戶端程序向數(shù)據集中器以HTTP協(xié)議的形式發(fā)送抄表請求，該請求通過因特網到達數(shù)據集中器后，會首先被一個嵌入式Web服務器進行處理。嵌入式Web服務器將返回一個HTML文件給客戶端，要求用戶輸入命令類型(例如，是抄數(shù)據還是執(zhí)行相關控制操作)、電表編號以及附加數(shù)據。當用戶填完表單后，這些數(shù)據將依照HTTPPOST協(xié)議發(fā)送給數(shù)據集中器中的嵌入式Web服務器。隨后，相關的命令和數(shù)據參數(shù)抽取出來，送給數(shù)據集中器的控制模塊?？刂颇K將對命令參數(shù)進行判斷和安全性檢查，然后生成相應的命令元組，以便控制和讀取數(shù)據。電表通信模塊完成與電表之間的通信任務，負責將命令元組發(fā)送給電表，并讀取執(zhí)行結果。當執(zhí)行抄表操作時，數(shù)據將被電表通信模塊以數(shù)據元組的方式返回給控制模塊，然后按照固定格式被組裝為一個字符串，并交給嵌入式Web服務器。嵌入式Web服務器將這些數(shù)據插入到預先設計好的HTML文件模板中，隨后將其通過因特網返回給客戶端的抄表程序。
　　
硬件設計
　　
從圖1中可以看出，數(shù)據集中器是系統(tǒng)中的關鍵部分，一方面它需要按照《DL/T64521997：多功能電能表通信規(guī)約》通過RS485總線從電表處采集數(shù)據，并執(zhí)行各種控制任務；另一方面它必須能夠解釋以HTTP形式發(fā)送過來的控制命令，并將執(zhí)行結果以HTML文件的形式返回給抄表客戶端。
　　
本文在進行硬件設計的時候采用了基于IP核的設計方法，并將數(shù)據集中器的大部分功能在單個FPGA芯片上予以實現(xiàn)。設計電路原理圖之前，必須根據系統(tǒng)需求選擇合適的IP核。所謂IP核，是指那些以硬件形式(硅片版圖)或者軟件形式(用Verilog、VHDL描述的RTL或者門級模型)存在的、具有特定功能的硬件電路。IP核通常分為硬核、固核與軟核三種。根據系統(tǒng)的硬件開發(fā)環(huán)境以及性能需求，本文選擇了Altera公司開發(fā)的一系列軟核產品，它們是用Verilog語言所描述的硬件模塊，允許用戶根據需要對各種參數(shù)進行配置，如數(shù)據通路帶寬、優(yōu)先進行速度優(yōu)化還是資源優(yōu)化等，因而應用非常靈活。系統(tǒng)所用到的軟IP核產品有Nios CPU、ROM、RAM、定時器、通用異步收發(fā)器UART，以及用于外部功能擴展的Avalon總線模塊，并將Nios CPU配置為32位字長模式，擁有256個通用寄存器，工作頻率33MHz；UART配置為14400bPs的波特率，8位數(shù)據位，2位停止位，無奇偶校驗。在確定了IP核并進行相應設置后，需要設計系統(tǒng)的電路原理圖。圖2表示了由各個IP模塊組成的數(shù)據集中器內部硬件結構，其中的ROM用于存放用戶程序，RAM作為程序運行時的存儲空間，定時器為實時操作系統(tǒng)提供時鐘中斷功能，外部總線接口和UART負責與系統(tǒng)外部進行通信。它們將通過一條內部總線與Nios CPU相連，這樣就構成了一個完整的嵌入式硬件系統(tǒng)。設計電路圖后的下一步工作是選擇合適的實現(xiàn)載體?；贗P核的設計方法通常使用FPGA芯片或者直接在硅片上實現(xiàn)。本文采用的是Altera公司APEX20KE系列FPGA芯片，能提供8000個左右的邏輯塊資源和多達400Kb左右的ROM和RAM存儲空間。由于FPGA芯片具有可反復更改的特性，因此有助于硬件系統(tǒng)的改進和不斷升級。另外，通過對通信接口進行重構，例如將UART改為CAN總線控制器，可以使系統(tǒng)能與更多的硬件環(huán)境兼容。

　　
　　
                    圖2　數(shù)據集中器的硬件結構
　　
由于在FPGA芯片上構造電平轉換電路和以太網物理層、MAC層電路較困難，本文將這些功能放到了FPGA芯片的外面，并分別使用MAX485和LAN91C111芯片來實現(xiàn)電平轉換和以太網硬件接口功能。FPGA芯片內的UART模塊和MAX485芯片共同完成與電表的數(shù)據通信任務，前者負責接收和發(fā)送數(shù)據，后者完成信號電平的轉換。SMSC公司的LAN91C111是為了方便嵌入式應用系統(tǒng)連接到快速以太網而專門設計的，它實現(xiàn)了CSMA/CD協(xié)議的物理層和媒體訪問控制層(MAC)兩個部分，并可以很方便地與許多嵌入式處理器進行數(shù)據交換。
　　
軟件設計
　　
數(shù)據通訊協(xié)議
　　
抄表系統(tǒng)中有兩個地方存在通訊協(xié)議的問題，其中一個在數(shù)據集中器與各個電表之間。目前，國內各廠家生產的電表絕大部分具有國家頒布的“多功能電能表通信規(guī)約”所規(guī)定的抄表協(xié)議，因此只要數(shù)據集中器中的電表通信模另外一個必須考慮通訊協(xié)議的地方是數(shù)據集中器和電力抄表中心之間。目前，國家還沒有制定正式的標準，各個廠家采用的協(xié)議也各不相同。這造成了系統(tǒng)之間基本上不存在互操作性和互連性，從而阻礙了行業(yè)的進一步發(fā)展。
　　
本文提出了以標準公開的HTTP協(xié)議作為應用層通訊的基礎，不但能解決系統(tǒng)之間的兼容性問題，而且還將因特網上廣泛使用的Web技術引入到遠程抄表系統(tǒng)中，為其帶來了許多便利。例如，只要能連接到因特網，就可以完成抄表工作，擺脫了時間、地點的約束。另外，用戶抄表使用的終端程序是所有計算機平臺上都帶有的Web瀏覽器，這意味著用戶無需花費一分錢額外投資，就可以得到一個圖形用戶界面。在HTTP的底層使用了TCP/IP協(xié)議來保證數(shù)據在因特網上的可靠傳輸。用戶對電表的操作命令以及相關參數(shù)將被作為HTML表單數(shù)據以HTTPPOST方法傳送給數(shù)據集中器上的嵌入式Web服務器，而操作的結果和數(shù)據則是以HTML表格的形式返回。
　　
數(shù)據集中器的軟件設計
　　
數(shù)據集中器在抄表系統(tǒng)中起著關鍵的作用，它一方面要通過因特網與抄表中心進行通信，另一方面要采集來自各個電表的用電數(shù)據。為了降低開發(fā)難度，提高可維護性，系統(tǒng)使用C語言作為開發(fā)語言，并利用了GNU的開發(fā)工具，包括gcc 、gdb等。另外，將系統(tǒng)功能分解為五個相互協(xié)作的任務，采用uc/os-II作為實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)任務調度和任務間通信。這五個任務分別是：
　　
(1)網絡通信接口：負責在因特網上收發(fā)數(shù)據。本文采用Altera公司提供的專門針對嵌入式系統(tǒng)應用的精簡TCP/IP協(xié)議棧作為底層通信協(xié)議。數(shù)據發(fā)送功能是通過調用TCP/IP傳輸層服務函數(shù)nr_ pLugs_send ()實現(xiàn)的，而數(shù)據接收功能則是由一個在創(chuàng)建通信套接字時被注冊的回調函數(shù)實現(xiàn)的。當傳輸層收到一個有效應用層數(shù)據時，該函數(shù)被調用，應用層數(shù)據的指針被當作實參傳入，隨后回調函數(shù)把數(shù)據指針以消息的形式發(fā)送給HTTP引擎。

(2)HTTP引擎：負責以HTTPPOST協(xié)議接收和發(fā)送數(shù)據，將所析取出的抄表命令和數(shù)據參數(shù)交給控制模塊；根據控制模塊傳回的數(shù)據和從虛擬文件系統(tǒng)中讀取的HTML文件模板，動態(tài)構造一個完整的HTML文件，發(fā)送給請求方。
　　
(3)虛擬文件系統(tǒng)：負責在ROM或者外部Flash存儲器上實現(xiàn)一個小型的只讀文件系統(tǒng)，用以存放各種靜態(tài)Web頁面和動態(tài)構造Web頁面所需要的頁面模板。它靠維護一個文件索引表來實現(xiàn)文件的讀取，其結構如圖3所示。

　　
               圖3　虛擬文件系統(tǒng)索引表
　　
(4)控制模塊：負責安全性檢查、命令和數(shù)據參數(shù)格式轉換。由于因特網是一個公共網絡，在其上傳輸?shù)目刂泼詈蛿?shù)據有可能被截獲、篡改和重發(fā)，因此需要進行安全性檢查。主要采用數(shù)據加密和隨機數(shù)驗證兩種方法。
　　
(5)電表通信：負責與指定電表進行通信，從而讀取用電數(shù)據，以及完成各種控制操作，其功能相當于分層網絡模型中的數(shù)據鏈路層。數(shù)據的接收和發(fā)送是通過nr_uart_rxchar()和nr_uart_Txchar()兩個函數(shù)實現(xiàn)的。

抄表中心的客戶端應用程序設計
　　
在抄表中心有交互式和批處理兩種不同的方式完成抄表任務。在交互式過程中，要求手工輸入電表編號、要求執(zhí)行的操作等信息，在查詢結束后，再將數(shù)據手工地轉錄到數(shù)據庫中。對于這種方式，操作系統(tǒng)自帶的Web瀏覽器就是一個抄表終端程序。但是，交互式抄表效率較低，只適用于抄錄指定用戶的電量信息、對制定用戶電表執(zhí)行控制任務或者用戶進行自助查詢等場合。當需要抄收大量電量數(shù)據時，就要采用批處理方式。圖4 給出了批處理方式下的程序流程圖。在批處理抄表程序中，有兩個關鍵技術問題：一是將抄表命令以HTTPPOST方式傳送給數(shù)據集中器上的嵌入式Web服務器，另外一個是從接收到的HTML文件中抽取用電數(shù)據。對于第一個問題，我們首先通過分析網絡抓包程序(Sniffer程序)所捕獲的HTTP數(shù)據包，就可以掌握PC機環(huán)境下瀏覽器和Web服務器之間以POST方式傳遞信息所采用的數(shù)據格式和時序關系，然后在VB環(huán)境下編寫程序模擬這個過程中瀏覽器的行為。對于第二個問題，解決方法是約定數(shù)據以表格形式返回，并保證格式固定。因此，通過在HTML文件中搜索
　　
等HTML標記，就可以將電量數(shù)據抽取出來。

　　
圖4 　批處理抄表流程
　　
抄表中心的其他功能如電費計算、數(shù)據查詢和統(tǒng)計、系統(tǒng)維護等，都屬于常見的數(shù)據庫應用程序。由于篇幅關系，不再一一介紹了。
　　
結束語
　　
本文在分析現(xiàn)有遠程抄表系統(tǒng)結構的基礎上，提出了一種新的基于Web和硬件可重構技術的遠程抄表系統(tǒng)結構，并利用基于IP核的設計方法進行硬件設計，使系統(tǒng)具有兼容性強、體積小、功耗低、容易升級和維護等特點。目前，抄表系統(tǒng)中的關鍵部分——數(shù)據集中器，已經成功地在單個FPGA芯片上實現(xiàn)，并完成了它與抄表終端程序之間的通信測試。我們現(xiàn)正在搭建一個完整的原型系統(tǒng)，以做進一步測試和改進工作。