基于Web和硬件可重構(gòu)技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表設(shè)計(jì)

引言
　　
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程抄表技術(shù)逐漸得到廣泛的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)行一戶(hù)一表以及自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表，可以做到及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且提供了一種對(duì)欠費(fèi)用戶(hù)進(jìn)行有效管理的手段。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通常主要由計(jì)量?jī)x表、數(shù)據(jù)集中器、通信網(wǎng)絡(luò)以及抄表程序四個(gè)部分組成。計(jì)量?jī)x表完成信息轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，并支持通過(guò)本地通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)集中器完成數(shù)據(jù)匯聚功能，并能與抄表程序進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換。抄表程序則借助通信網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)集中器獲取計(jì)量數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。在絕大多數(shù)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，計(jì)量?jī)x表通常沒(méi)有太多差別，而對(duì)于抄表程序以及緊接其后的各種數(shù)據(jù)查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)等操作都是典型的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，差別也不大。相比之下，通信網(wǎng)絡(luò)以及與之緊密相關(guān)的數(shù)據(jù)集中器則是不同系統(tǒng)之間差異較大的地方，同時(shí)也是技術(shù)上的難點(diǎn)。
　　
針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種基于Web和硬件可重構(gòu)技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。軟件方面，它在數(shù)據(jù)集中器中利用一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳送任務(wù)，采用HTTP作為通信協(xié)議?？蛻?hù)端則是操作系統(tǒng)自帶的Web瀏覽器，從而可以解決各個(gè)系統(tǒng)之間由于通信協(xié)議不同而造成的兼容性問(wèn)題，而且節(jié)省了抄表客戶(hù)端的軟件開(kāi)發(fā)成本。硬件方面，采用硬件可重構(gòu)技術(shù)和基于IP核的設(shè)計(jì)方法，在單個(gè)FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中器。即使將來(lái)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，也只需對(duì)FPGA芯片的配置文件進(jìn)行修改，而不必報(bào)廢整個(gè)硬件系統(tǒng)，從而保護(hù)了已有的硬件投資，降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。另外，數(shù)據(jù)集中器上的通信接口也可以借助硬件可重構(gòu)技術(shù)很方便地更改，因而能夠適應(yīng)各種硬件環(huán)境。
　　
遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
　　
基于Web的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]
　　
它由三個(gè)部分組成，分別是抄表客戶(hù)端程序、數(shù)據(jù)集中器以及分布在各家各戶(hù)的電表。抄表流程如下：首先由抄表人員使用抄表客戶(hù)端程序向數(shù)據(jù)集中器以HTTP協(xié)議的形式發(fā)送抄表請(qǐng)求，該請(qǐng)求通過(guò)因特網(wǎng)到達(dá)數(shù)據(jù)集中器后，會(huì)首先被一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行處理。嵌入式Web服務(wù)器將返回一個(gè)HTML文件給客戶(hù)端，要求用戶(hù)輸入命令類(lèi)型(例如，是抄數(shù)據(jù)還是執(zhí)行相關(guān)控制操作)、電表編號(hào)以及附加數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶(hù)填完表單后，這些數(shù)據(jù)將依照HTTPPOST協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器中的嵌入式Web服務(wù)器。隨后，相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)參數(shù)抽取出來(lái)，送給數(shù)據(jù)集中器的控制模塊。控制模塊將對(duì)命令參數(shù)進(jìn)行判斷和安全性檢查，然后生成相應(yīng)的命令元組，以便控制和讀取數(shù)據(jù)。電表通信模塊完成與電表之間的通信任務(wù)，負(fù)責(zé)將命令元組發(fā)送給電表，并讀取執(zhí)行結(jié)果。當(dāng)執(zhí)行抄表操作時(shí)，數(shù)據(jù)將被電表通信模塊以數(shù)據(jù)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(gè)字符串，并交給嵌入式Web服務(wù)器。嵌入式Web服務(wù)器將這些數(shù)據(jù)插入到預(yù)先設(shè)計(jì)好的HTML文件模板中，隨后將其通過(guò)因特網(wǎng)返回給客戶(hù)端的抄表程序。
　　
硬件設(shè)計(jì)
　　
從圖1中可以看出，數(shù)據(jù)集中器是系統(tǒng)中的關(guān)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(guò)RS485總線從電表處采集數(shù)據(jù)，并執(zhí)行各種控制任務(wù)；另一方面它必須能夠解釋以HTTP形式發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令，并將執(zhí)行結(jié)果以HTML文件的形式返回給抄表客戶(hù)端。
　　
本文在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候采用了基于IP核的設(shè)計(jì)方法，并將數(shù)據(jù)集中器的大部分功能在單個(gè)FPGA芯片上予以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電路原理圖之前，必須根據(jù)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(mén)級(jí)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(jù)系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境以及性能需求，本文選擇了Altera公司開(kāi)發(fā)的一系列軟核產(chǎn)品，它們是用Verilog語(yǔ)言所描述的硬件模塊，允許用戶(hù)根據(jù)需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行配置，如數(shù)據(jù)通路帶寬、優(yōu)先進(jìn)行速度優(yōu)化還是資源優(yōu)化等，因而應(yīng)用非常靈活。系統(tǒng)所用到的軟IP核產(chǎn)品有Nios CPU、ROM、RAM、定時(shí)器、通用異步收發(fā)器UART，以及用于外部功能擴(kuò)展的Avalon總線模塊，并將Nios CPU配置為32位字長(zhǎng)模式，擁有256個(gè)通用寄存器，工作頻率33MHz；UART配置為14400bPs的波特率，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。在確定了IP核并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后，需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路原理圖。圖2表示了由各個(gè)IP模塊組成的數(shù)據(jù)集中器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，其中的ROM用于存放用戶(hù)程序，RAM作為程序運(yùn)行時(shí)的存儲(chǔ)空間，定時(shí)器為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供時(shí)鐘中斷功能，外部總線接口和UART負(fù)責(zé)與系統(tǒng)外部進(jìn)行通信。它們將通過(guò)一條內(nèi)部總線與Nios CPU相連，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的嵌入式硬件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)電路圖后的下一步工作是選擇合適的實(shí)現(xiàn)載體?；贗P核的設(shè)計(jì)方法通常使用FPGA芯片或者直接在硅片上實(shí)現(xiàn)。本文采用的是Altera公司APEX20KE系列FPGA芯片，能提供8000個(gè)左右的邏輯塊資源和多達(dá)400Kb左右的ROM和RAM存儲(chǔ)空間。由于FPGA芯片具有可反復(fù)更改的特性，因此有助于硬件系統(tǒng)的改進(jìn)和不斷升級(jí)。另外，通過(guò)對(duì)通信接口進(jìn)行重構(gòu)，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(jù)集中器的硬件結(jié)構(gòu)
　　
由于在FPGA芯片上構(gòu)造電平轉(zhuǎn)換電路和以太網(wǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和以太網(wǎng)硬件接口功能。FPGA芯片內(nèi)的UART模塊和MAX485芯片共同完成與電表的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，前者負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，后者完成信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換。SMSC公司的LAN91C111是為了方便嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)連接到快速以太網(wǎng)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，它實(shí)現(xiàn)了CSMA/CD協(xié)議的物理層和媒體訪問(wèn)控制層(MAC)兩個(gè)部分，并可以很方便地與許多嵌入式處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。[!--empirenews.page--]
　　
軟件設(shè)計(jì)
　　
數(shù)據(jù)通訊協(xié)議
　　
抄表系統(tǒng)中有兩個(gè)地方存在通訊協(xié)議的問(wèn)題，其中一個(gè)在數(shù)據(jù)集中器與各個(gè)電表之間。目前，國(guó)內(nèi)各廠家生產(chǎn)的電表絕大部分具有國(guó)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(jù)集中器中的電表通信模另外一個(gè)必須考慮通訊協(xié)議的地方是數(shù)據(jù)集中器和電力抄表中心之間。目前，國(guó)家還沒(méi)有制定正式的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)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(jìn)一步發(fā)展。
　　
本文提出了以標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)的HTTP協(xié)議作為應(yīng)用層通訊的基礎(chǔ)，不但能解決系統(tǒng)之間的兼容性問(wèn)題，而且還將因特網(wǎng)上廣泛使用的Web技術(shù)引入到遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，為其帶來(lái)了許多便利。例如，只要能連接到因特網(wǎng)，就可以完成抄表工作，擺脫了時(shí)間、地點(diǎn)的約束。另外，用戶(hù)抄表使用的終端程序是所有計(jì)算機(jī)平臺(tái)上都帶有的Web瀏覽器，這意味著用戶(hù)無(wú)需花費(fèi)一分錢(qián)額外投資，就可以得到一個(gè)圖形用戶(hù)界面。在HTTP的底層使用了TCP/IP協(xié)議來(lái)保證數(shù)據(jù)在因特網(wǎng)上的可靠傳輸。用戶(hù)對(duì)電表的操作命令以及相關(guān)參數(shù)將被作為HTML表單數(shù)據(jù)以HTTPPOST方法傳送給數(shù)據(jù)集中器上的嵌入式Web服務(wù)器，而操作的結(jié)果和數(shù)據(jù)則是以HTML表格的形式返回。
　　
數(shù)據(jù)集中器的軟件設(shè)計(jì)
　　
數(shù)據(jù)集中器在抄表系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，它一方面要通過(guò)因特網(wǎng)與抄表中心進(jìn)行通信，另一方面要采集來(lái)自各個(gè)電表的用電數(shù)據(jù)。為了降低開(kāi)發(fā)難度，提高可維護(hù)性，系統(tǒng)使用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，并利用了GNU的開(kāi)發(fā)工具，包括gcc 、gdb等。另外，將系統(tǒng)功能分解為五個(gè)相互協(xié)作的任務(wù)，采用uc/os-II作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度和任務(wù)間通信。這五個(gè)任務(wù)分別是：
　　
(1)網(wǎng)絡(luò)通信接口：負(fù)責(zé)在因特網(wǎng)上收發(fā)數(shù)據(jù)。本文采用Altera公司提供的專(zhuān)門(mén)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧作為底層通信協(xié)議。數(shù)據(jù)發(fā)送功能是通過(guò)調(diào)用TCP/IP傳輸層服務(wù)函數(shù)nr_ pLugs_send ()實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)據(jù)接收功能則是由一個(gè)在創(chuàng)建通信套接字時(shí)被注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)傳輸層收到一個(gè)有效應(yīng)用層數(shù)據(jù)時(shí)，該函數(shù)被調(diào)用，應(yīng)用層數(shù)據(jù)的指針被當(dāng)作實(shí)參傳入，隨后回調(diào)函數(shù)把數(shù)據(jù)指針以消息的形式發(fā)送給HTTP引擎。

(2)HTTP引擎：負(fù)責(zé)以HTTPPOST協(xié)議接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，將所析取出的抄表命令和數(shù)據(jù)參數(shù)交給控制模塊；根據(jù)控制模塊傳回的數(shù)據(jù)和從虛擬文件系統(tǒng)中讀取的HTML文件模板，動(dòng)態(tài)構(gòu)造一個(gè)完整的HTML文件，發(fā)送給請(qǐng)求方。
　　
(3)虛擬文件系統(tǒng)：負(fù)責(zé)在ROM或者外部Flash存儲(chǔ)器上實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的只讀文件系統(tǒng)，用以存放各種靜態(tài)Web頁(yè)面和動(dòng)態(tài)構(gòu)造Web頁(yè)面所需要的頁(yè)面模板。它靠維護(hù)一個(gè)文件索引表來(lái)實(shí)現(xiàn)文件的讀取，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　
               圖3　虛擬文件系統(tǒng)索引表
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(4)控制模塊：負(fù)責(zé)安全性檢查、命令和數(shù)據(jù)參數(shù)格式轉(zhuǎn)換。由于因特網(wǎng)是一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò)，在其上傳輸?shù)目刂泼詈蛿?shù)據(jù)有可能被截獲、篡改和重發(fā)，因此需要進(jìn)行安全性檢查。主要采用數(shù)據(jù)加密和隨機(jī)數(shù)驗(yàn)證兩種方法。
　　
(5)電表通信：負(fù)責(zé)與指定電表進(jìn)行通信，從而讀取用電數(shù)據(jù)，以及完成各種控制操作，其功能相當(dāng)于分層網(wǎng)絡(luò)模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送是通過(guò)nr_uart_rxchar()和nr_uart_Txchar()兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

抄表中心的客戶(hù)端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
　　
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(wù)。在交互式過(guò)程中，要求手工輸入電表編號(hào)、要求執(zhí)行的操作等信息，在查詢(xún)結(jié)束后，再將數(shù)據(jù)手工地轉(zhuǎn)錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)于這種方式，操作系統(tǒng)自帶的Web瀏覽器就是一個(gè)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(hù)的電量信息、對(duì)制定用戶(hù)電表執(zhí)行控制任務(wù)或者用戶(hù)進(jìn)行自助查詢(xún)等場(chǎng)合。當(dāng)需要抄收大量電量數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：一是將抄表命令以HTTPPOST方式傳送給數(shù)據(jù)集中器上的嵌入式Web服務(wù)器，另外一個(gè)是從接收到的HTML文件中抽取用電數(shù)據(jù)。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，我們首先通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)抓包程序(Sniffer程序)所捕獲的HTTP數(shù)據(jù)包，就可以掌握PC機(jī)環(huán)境下瀏覽器和Web服務(wù)器之間以POST方式傳遞信息所采用的數(shù)據(jù)格式和時(shí)序關(guān)系，然后在VB環(huán)境下編寫(xiě)程序模擬這個(gè)過(guò)程中瀏覽器的行為。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，解決方法是約定數(shù)據(jù)以表格形式返回，并保證格式固定。因此，通過(guò)在HTML文件中搜索
　　
等HTML標(biāo)記，就可以將電量數(shù)據(jù)抽取出來(lái)。

　　
圖4 　批處理抄表流程
　　
抄表中心的其他功能如電費(fèi)計(jì)算、數(shù)據(jù)查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)維護(hù)等，都屬于常見(jiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序。由于篇幅關(guān)系，不再一一介紹了。
　　
結(jié)束語(yǔ)
　　
本文在分析現(xiàn)有遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的基于Web和硬件可重構(gòu)技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并利用基于IP核的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有兼容性強(qiáng)、體積小、功耗低、容易升級(jí)和維護(hù)等特點(diǎn)。目前，抄表系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分——數(shù)據(jù)集中器，已經(jīng)成功地在單個(gè)FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)，并完成了它與抄表終端程序之間的通信測(cè)試。我們現(xiàn)正在搭建一個(gè)完整的原型系統(tǒng)，以做進(jìn)一步測(cè)試和改進(jìn)工作。