（计算机软件与理论专业论文）基于gprs的电力集抄系统软件设计与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着经济、社会的不断发展，电力在社会中的重要性不断提高。如何实现用 电户的电表远程抄收与管理问题日益成为配电、用电领域研究的新课题。同时， 随着计算机及通讯技术的发展，g p r s 技术也已经非常成熟，将g p r s 技术应用于 电力集抄系统中已经成为当前电力行业的一个研究热点。本篇论文所研究的基于 g p r s 的电力集抄系统就是使用g p r s 技术实现对用户用电情况的远程监控与管 理。整个系统由主站管理软件和硬件集抄终端产品两部分组成。主站软件实现对 于安装在用户现场的集抄终端的管理，编制并下发抄收或负控计划，接收终端报 警数据。集抄终端安装在用户现场，根据主站下发的管理方案进行用户电表的实 时抄收、监测与管理。集抄终端本身采用嵌入式平台设计，其内部运行了一个c 语言开发的管理程序。本文主要论述了基于g p r s 的电力集抄系统的设计与实现 方法，具体包括主站软件设计和集抄终端嵌入式软件设计两部分。 在使用g p r s 抄表通讯的实际应用中，终端通过g p r s 上网，其i p 地址是动 态获取不断变化的，同时客户端地址也是动态分配的内网地址，如何实现动态地 址的双方相互通讯是一个技术难题。在充分调研不同用户实际需求的基础上，本 文创新性提出一个切实可行的软件分层设计方案来解决此问题，整个主站系统分 为通讯服务器、前置机服务器、应用服务器及客户端程序4 层系统，具体说明如 下。 通讯服务器位于i n t e r n e t 上，具有静态i n t e r n e ti p 地址，其功能是为 电业局内网访问g p r s 终端数据提供中转服务，接收终端上传的数据、 将主站下发的命令转发给特定的终端。本质上通讯服务器是客户端和终 端之间的通讯代理。 前置机服务器作为客户端和通讯服务器的通讯中介，一方面提供命令排 队、数据缓存、通讯封装、故障监测等功能，另一方面作为客户端与通 讯服务器的通讯代理，具体完成客户端命令的执行和结果接收。 一应用服务器系统主要实现两个功能，一个是w e b 发布功能，对用户提供 w e b 查询、统计、分析等功能，同时对其它模块提供w e b 服务( w e b s e r v i c e ) ；另一个功能是作为应用服务器，对数据及部分逻辑功能进行 封装，简化客户端逻辑操作，同时提高数据库访问的安全性。 _ 客户端直接面向用户，提供各种业务功能，如：终端管理、实时抄收等。 山东大学硕士学位论文 另外，国内终端生产厂家众多，通讯协议等各不相同，如何使用一套主站兼 容不同类型、不同厂家的终端也是抄表系统要解决的实际问题。本文创新性提出 了一种基于抽象终端的具体软件实现方案，将不同终端的指令集合进行归纳总 结，整理出一套虚拟指令，整个系统统一采用虚拟指令操作，直到前置机下发指 令的时候再将虚拟指令翻译成物理指令，解决了异种终端的统一管理问题，使得 不同终端通讯库可以以插件形式供上层软件调用，添加一种新终端只需要给前置 机系统提供一个新的通讯d l l 库即可。 整个主站软件系统严格按照三层体系结构设计，表现层、业务逻辑层、数据 操作层等三层完全独立设计，以分布式方式运行在不同的计算机上，相互之间通 过r e m o t i n g 和w e bs e r v i c e 方式进行远程组件调用与通讯。同时，三层架构也 实现了对于数据库的封装与隔离，提高了数据库服务器的物理安全性。 g p r s 集抄终端软件系统的主要功能是接收主站的命令，根据主站制定的监 测、抄收计划对电表及相关设备进行实时监测，并对抄收的电表数据进行保存和 上传。具体功能包括定时抄收、实时抄收、报警监测等。同时，终端程序支持红 外、g p r s 、串口等多种通讯方式。本文针对a r m 平台物理内存小、存储器读写速 度慢但需存储数据量大等特点，提出了一种动态存储的解决方案，提高了系统存 取效率与利用率：针对f l a s h 读写次数有限的难题，设计了简单的存储器坏块动 态替换方案。 本文对通讯服务器、前置机、应用服务器三部分的具体实现方法、终端软件 具体实现方法进行了详细论述，对于客户端及w e b 展现层进行了概括性说明。文 中针对终端实时通讯的技术难点问题、大量终端同时操作的效率问题、多客户端 同时操作的效率问题等提出了行之有效的解决方案。论文最后对于当前计算机比 较流行的一些软件技术( 如：设计模式、w e bs e r v i c e 、r e m o t i n g 等) 在g p r s 电力集抄系统中的应用进行了一定的探讨。 关键词：g p r s ；抄表；前置机；软件设计 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y , e l e c t r i cp o w e ri sg e t t i n gm o r e a n dm o r ei m p o r t a n c ei no u rd a i l yl i f e h o wt or e a dt h ee l e c t r i cm e t e rb yl o n g - d i s t a n c e a n dm a n a g et h i ss y s t e mp r o p e r l yh a sb e e nt h ef o c u so fe l e c t r i c i t yf i e l d a tt h es a m e t i m e ，u s i n gt h eg p r st e c h n o l o g yw h i c hh a sb e e n m a t u r e i n c o m p u t e ra n d c o m m u n i c a t i o nd o m a i ni 1 1 t 0t h ep o w e rm e t e r - r e a d i n gs y s t e mi sn o wb e c o m i n g 1 1 i g h l i g h ti n e l e c t r i ci n d u s t r y t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so np o w e rm e t e r - r e a d i n g s y s t e mb a s e do nt h eg p r s t h i ss y s t e mu s e sg p r st e c h n o l o g yt om o n i t o ra n d m a n a g et h ep o w e ru s a g eb yl o n g - d i s t a n c e t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so f m a i ns t a t i o n s o f t w a r ea n dh a r d w a r et e r m i n a l s t h em a i ns t a t i o ns o f t w a r er e m o t ec o n t r o lt h eu s e r s t e r m i n a l s ，e d i t i n ga n dd i s t r i b u t i n gt h ec o l l e c t i n go rl o a dp l a n ，r e c e i v i n gt h ea l e r td a t a o ft h et e r m i n a l s i n s t a l l e di ns c e n e , t h eh a r d w a r et e r m i n a l sc o l l e c t s ，m o n i t o r sa n d m a n a g et h eu s e r s p o w e rm e t e r sa tr e a lt i m ef o l l o w e db yt h ec o m m a n d so fm a i n s t a t i o ns o f t w a r e t h et e r m i n a l su s ee m b o d i e dp l a t f o r md e s i g n r n l i ss t u d ym a i n l y d i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eg p r s - b a s e dp o w e rm e t e r - r e a d i n g s y s t e m , e s p e c i a l l yf o c u s e so nm a i ns t a t i o ns o f t w a r ea n dt e r m i n a ls o f t w a r e i nt h ep r a c t ic a lu s eo fg p r s b a s e dm e t e r - r e a d i n g , t e r m i n a l sg e to nt h ei m e r n e t b yg p r s ，t h e i ri pa r ea c h i e v e dd y n a m i c a l l ya n dc h a n g ec e a s e l e s s l y m e a n w h i l et h e e l i e mh a si n t r a n e ti pd i s t r i b u t e dd y n a m i c a l l y 。t h e nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e s e t w od y n a m i ci pi sat e c h n i c a lp r o b l e mb ya n a l y z i n gc l i e n tr e q u i r e m e n t sa d e q u a t e l y ， t h i sd i s s e r t a t i o nc r e a t e sap r a c t i c a lp r o j o c tt or e s o l v et h i sp r o b l e mi nt h i sp r o j e c t ，t h e m a i ns t a t i o ni sd e s i g n e d 、舫t l lf o u rs y s t e m s ：c o m m u n i c a t i o ns e r v e r ；f r o m e n ds e r v e r ； a p p l i c a t i o ns e r v e r ；c l i e n tp r o 孕a m -s e t t l e do nt h ei n t e r n e t c o m m u n i c a t i o ns e r v e rh a ss t a t i ci p i ts u p p l i e st h e t r a n s f e rs e r v ef o re l e c t r i c i t yb u r e a ui n t r a n e tt ov i s i tt h eg r p st e r m i n a l s ， r e c e i v et h ed a t aw h i c ht h et e r m i n a l su p l o a da n dd i s t r i b u t et h ec o m m a n d w h i c ht h em a i ns t a f f o ng i v eo f ft ot h es p e c i f i ct e r m i n a l i ne s s e n c e ，t h e c o m m u n i c a t i o ns e r v e ri sac o m m u n i c a t i o n p r o x y b e t w e e nc l i e n ta n d t e r m i n a l _a st h ec o m m u n i c a t i o nm e d i ab e t w e e nc l i e n ta n dc o m m u n i c a t i o ns e r v e r , t h e f r o m - e n ds e r v e rs u p p l yt h ef u n c t i o n ss u c ha sc o m m a n dq u e u e ；d a t ac a c h e ； c o m m u n i c a t i o ne n c a p s u l a t io n ；f a i l u r em o n i t o r , e t c i tc a l la l s oa c ta sa i 山东大学硕士学位论文 i i 皇_ _ _ _ l 董_ _ l _ _ _ _ _ 量i _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ l _ c o m m u n i c a t i o np r o x yb e t w e e nc l i e n ta n dc o m m u n i c a t i o ns e r v e r , f u l f i l l i n g t h ec o m m a n d so fc l ie n ta n dr e c e i v i n gt h er e s u l t s - a p p l i c a t i o ns e r v e rs y s t e mh a st w of u n c t i o n s o n e i sw e bd i s t r i b u f i o n , o f f e r i n gt h ec l i e n t sw e bq u e r y , s t a t i s t i ca n da n a l y z ef u n c t i o n s i tc a na l s o s u p p l yo t h e rm o d e l sw e bs e r v i c e t h eo t h e rf u n c t i o no f t h i ss y s t e mi st ob e a na p p l i c a t i o ns e r v e r , e n c a p s u l a t i n gt h ed a t aa n dp a r to ft h el o g i cf u n c t i o n s ， e a s i n gt h ec l i e n to p e r a t i o n , i m p r o v i n g t h es a f e t yo fd a t a b a s ev i s i t i n g _ c l i e n tf a c e st h eu s e r sd i r e c t l y , s u p p l y i n gm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha st e r m i n a l m a n a g e m e n t ，r e a lt i m ed a t ac o l l e c t i o n , e t c t h e r ea r es om a n yd o m e s t i ct e r m i n a lp r o d u c i n gc o m p a n i e s a l m o s te v e r y o n eh a s i t so w nc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 am a i ns t a t i o ns y s t e mm u s tb ec o m p a t i b l es oa st o a p p l yd i f f e r e n tt e r m i n a l s b u th o w t ot u r nt h i sd e s i g ni n t or e a l i t y , i t sap r a c t i c a l p r o b l e mw em u s ts o l v e t l l i ss t u d yp u tf o r w a r da c r e a t i v ep r o g r a mp r o j e c tb a s e do n t h ea b s t r a c tt e r m i n a l t h i sp r o j e c tc o l l e c t sa l lt h ec o m m a n d sf r o md i f f e r e n tt e r m i n a l s ， t r a n s f o r m i n gt h e mi n t oas e t o fv i r t u ec o m m a n d s t h ew h o l es y s t e md o e sn o t t r a n s f o r mt h ev i r t u ec o m m a n d si n t op h y s i c a lc o m m a n d su n t i lt h ef r o n t e n ds e r v e r d i s t r i b u t et h ec o m m a n d s u s i n gt h i sp r o je c t , d i f f e r e n tt e r m i n a l sc o m m u n i c a t i o n l i b r a r yc a nb eu s e db yt h eh i g h e rl a y e ra sc o m p o n e n t s t oa d dan e wt e r m i n a l ，j u s t s u p p l yt h ef r o n t e n ds y s t e ma n e wc o m m u n i c a t i o nd l ll i b r a r y t h es y s t e mt h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e s i s d e s i g n e ds t r i c t l yb yt h r e e - l a y e r a r c h i t e c t u r e ：p r e s e n t a t i o nl a y e r ；b u s i n e s sl o g i c a ll a y e r ；d a t aa c c e s sl a y e r t h e s et h r e e l a y e r sa r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y ，r u n n i n go nd i f f e r e n tc o m p u t e r si nd i s t r i b u t i n gm o d e ， c a l l i n gt h ec o m p o n e n ta n dc o m m u n i c a t i n gb yr e m o t i n ga n dw e bs e r v i c e t h i s a r c h i t e c t u r ei m p l e m e n t st h ee n c a p s u l a t i o na n di s o l a t i o nf o rt h ed a t a , i m p r o v i n gt h e s a f e t yo f t h ed a t a b a s es e r v e r s t h em a i nf u n c t io no fg p r s - b a s e dm e t e r - r e a d i n gt e r m i n a ls o f t w a r es y s t e mi st o r e c e i v et h ec o m m a n d so f t h em a i ns t a t i o n ，t om o n i t o rt h ep o w e rm e t e ra n ds o m eo t h e r e q u i p m e n t a tr e a lt i m ea c c o r d i n gt ot h ep r o g r a mo fm a i ns t a t i o n ，t os a v ea n du p l o a d t h ed a t a t h es p e c i f i cf u n c t i o n si n c l u d et i m i n gc o l l e c t i o n ；r e a lt i m ec o l l e c t i o n ；a l a r m m o n i t o r t h et e r m i n a lp r o g r a ms u p p o r ts e v e r a lc o m m u n i c a t i o nw a y ss u c ha si n f r a r e d ， g p r sa n ds e r i a lp o r t m e m o r i e so fa t mp l a t f o r ma r es m a l l ，r e a d i n ga n dw r i t i n g s p e e di sl o w , b u ti tn e e ds a v eag r e a tn u m b e rd a t a t os o l v i n gt h i sp r o b l e m , t h e d i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dad y n a m i cs a v ep r o je c tt oi m p r o v et h es a v es p e e da n d 山东大学硕士学位论文 m v a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m f l a s hr e a d i n gd e g r e ei sl i m i t e db u tt h i sp r o j e c t d e s i g nas i m p l eb a db l o c kd y n a m i cp r o g r a mt os o l v et h i sp r o b l e m t i l i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sp a r t i c u l a r l yt h ec o m m u n i c a t i o ns e r v e r , f r o n t e n d s y s t e m , a p p l i c a t i o ns e r v e ra n dt e r m i n a lp r o g r a m , d r a wa no u t l i n eo f t h ec l i e n ta n d w e bp r e s e n t a t i o n b e s i d et h e s e ，t h es t u d yr e s o l v e ss o m ep r a c t i c a lp r o b l e m ss u c ha s r e a lt i m ec o m m u n i c a r l o n , al o to ft e r m i n a l sr u n n i n ga tt h es a m et i m e ，e t c a tt h ee n d o f t h i sd i s s e r t a t i o n ，i td i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no fp o p u l a rs o f t w a r et e c h n o l o g i e s ( f o r e x a m p l e ：d e s i g np a t t e m ；w e bs e r v i c ea n dr e m o t i n g ) i ng p r s b a s e dp o w e r m e t e r - r e a d i n gs y s t e m k e y w o r d s ：g p r s ；r e a d i n g - m e t e r ；f o n t - e n ds e r v e r ；s o f t w a r ed e s i g n v 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二陴 日期：2 尘世 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蚪导师签名： 期：丝! 堡：丝3 7 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 对于供电部门和用户来说，人工抄表收费一直是一大难题，存在难入户、 抄表人工费用高、人为可操作因素大等缺点。由于我国采取“一户一表制， 抄表系统数据采集点多、数据量大，采集点极其分散。随着通信技术、计算机 网络技术及数字信号处理技术的快速发展，出现了多种自动抄表技术。自动抄 表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g a m r ) 是指采用通信和计算机网络等技术自动读取 和处理表计数据。采用自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提 高抄表的准确性，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息，并进行负荷预 测及控制，以实现电力行业整体经济效益的提高和管理水平的进步。 “抄表数据自动传输”是自动抄表技术的一个重要环节。传统上出现过载 波传输、专用无线传输、g s m 短信传输等多种方式，每种方式各有优缺点。载 波传输费用较低，但是可靠性不高，随距离增加信号衰减明显；专用无线传输 ( 如2 3 0 兆赫负控专用无线信道) 通讯可靠但需要投资进行基站建设与维护【l 】： g s m 短信方式费用低廉但传输信息少，实时性差，仅适合居民定时抄表，不适 合实时性较强的大用户、变电站抄表与监控。 随着g p r s 2 1 ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 高速无线数据传输技术的成熟， 采用g p r s 进行抄表数据传输逐渐成为当前无线抄表技术发展的主流。g p r s 永 远在线的特点，使得数据传输的实时性得到保证；按流量计费的特点也使得数 据传输的费用较为低廉；同时其基于t c p i p 协议的特点使数据可以方便地进行 加密处理，使得对安全性要求极高的负控操作也可以安全执行。因此，g p r s 技 术不仅仅适用于居民、大用户等普通抄表，也适用于对于大用户、变电站的负 荷控制、用电监测、防窃电等方面，成为当前远程集中抄表技术中的主要通讯 手段。 在基于g p r s 的远程集中抄表系统中，g p r s 通讯需要终端硬件设备和主站 软件系统的协调配合完成。在具体软件实现时尚存在若干技术问题需要解决， 如： 1 ) 由于g p r s 终端每次上线都是动态获取i p 地址，而主站管理计算机往往 也是通过电业局内部网络上网l p 地址也是动态获取，主站和g p r s 终端 山东大学硕士学位论文 两端都是动态的地址，他们之间相互通讯的问题如何解决? 2 ) 由于管理人员分工不同，往往同时会有多个主站管理客户端运行，甚至 出现多个客户端对于同一个终端、电表操作的情况，如何设计良好的机 制来使得操作能够分优先级并行处理? 3 ) 毕竟g p r s 通讯是一种无线通讯技术，由于干扰、线路信号等原因会出 现一定时间终端无法上线的情况：或者由于主站网络终端等原因使得主 站不能及时接收到终端上报的数据等等。如何设计一套可靠性高的主站 系统使其能够对不同异常情况进行适当的处理? 4 ) 如何通过良好的设计使得g p r s 通讯流量降到最低? 达到给用户降低运 行成本的目的? 5 ) g p r s 终端程序内存、f l a s h 存储内存都比较小，f l a s h 内存存在读写次 数有限的情况，如何设计终端程序才能达到既高效、又可靠的目的? 本文针对g p r s 电力集抄( 即集中抄表) 系统实际软件应用中可能出现的 各种问题进行了探索并设计出相应的解决方案。 1 2 系统研究现状 g p r s 抄表系统在国内尚处于起步与发展阶段，主要应用于电力与水利行 业。虽然国内已经有很多公司推出相应的抄表产品，但是产品的重点往往集中 在硬件产品的设计与研发上，忽视了主站软件与终端软件的设计，直接导致的 后果就是很多集抄系统不稳定，经常出现各种各样的问题。因此，本文关于主 站软件与终端软件的设计思想对于这方面工作有很强的实际意义。 就国内研究现状而言，使用c n k i 中国期刊全文数据库对1 9 9 9 年至2 0 0 7 年期刊进行全文检索，定义检索词为：“g p r s 、抄表、软件，检索结果如下： 按照篇名检索到1 篇论文。 按关键词检索到8 篇论文。 按主题检索到2 7 篇论文。 经过对以上论文的分析，现有国内的相关论文大部分集中在总体架构的设 计与g p r s 终端的硬件设计与功能上，尚未检索到针对主站与终端软件进行详 细研究、设计的论文。 本文所提出的集抄系统实际问题，都是在长期研发、使用集抄系统中所积 累的，这些问题的解决方法与思路对于g p r s 集抄系统的推广与应用具有一定 的意义。 2 山东大学硕士学位论文 从国外的研究情况看，g p r s 抄表系统在国外已经是比较成熟的技术，但由 于我国的国情、管理体制、收费模式等都与国外不同，国外产品售价太高及抄 表产品售后服务工作量大等原因，国外的g p r s 抄表软件系统在国内基本没有 用户使用。另一方面，抄表系统既可以实现直接对用户用电进行控制又使用 g p r s 进行无线通讯，从国家用电安全战略的角度也不允许使用国外的成型产 品。 1 3 课题研究目标 从前面的论述可以看出，集抄系统主站软件和终端软件的设计是否良好直 接关系到整个系统是否能够可靠、稳定的运行。而一个存在缺陷的软件系统一 旦出现错误( 如：异常跳闸、异常合闸、终端死机等) 或者发出错误指令可能 会给用电户造成不可挽回的巨大损失。 尽管国内、国际上已经有不少公司针对电力市场开发了基于g p r s 的电力 集抄系统，但是基本上所有的系统都是在硬件终端产品设计上投入巨大精力， 而对于主站软件系统的研发基本上都采取一种够用就好的态度，没有真正 针对电力系统各种不同类型的用户提出一种适应各种复杂情况的软件方案，没 有将计算机软件发展的先进理念与技术应用到软件的开发过程中。 本课题就是在考察各种不同电力系统用户的基础上，针对不同供电公司对 于g p r s 集抄系统的不同需求，结合对现场运行各种可能复杂问题的分析研究， 设计出一套完整的、可实际运行的g p r s 集抄系统主站软件和基于a r m 平台的 终端软件。 1 4 本文的研究内容与创新点 本文首先对基于g p r s 的集抄系统主站架构进行了充分探讨，提出一个基 于分布式的系统架构模型，既能满足采用i m e m e t 公网方式用户又能满足采用 v p n 虚拟网方式的用户，同时也能满足有些电力系统用户限制上网的特殊情况。 该模型亦采用多层架构设计，符合当前电力系统对于数据安全分区的要求。 本文重点是探讨主站软件各组成部分( 通讯服务器、前置机、w e b 及应用 服务器、客户端等四个子系统) 的主要功能、设计方案，对于每个子系统存在 的技术难点及解决方法进行了详细说明及论述。对于终端软件系统，详细说明 了终端软件的工作流程、设计思路，对于终端软件设计的技术难点和解决方法 3 山东大学硕士学位论文 也进行了详细说明。 本文的主要创新点： 1 ) 将分层模式应用在系统架构设计中，提出基于多层架构的通讯方案。该 方案既能解决只有动态i p 地址的终端与客户端的通讯问题，又能解决 很多电业局客户端不能直接上i n t e r n e t 无法和终端通讯的问题。 2 ) 提出抽象终端与抽象指令的概念，彻底解决了一套主站管理多种不同类 型终端的适应性问题。 3 ) 将操作系统、数据结构中的缓存、队列等技术应用到系统设计中，采用 通讯连接池、指令排队技术等来解决多用户、多终端同步操作问题。 4 ) 将先进的w e bs e r v i c e 、r e m o t i n g 3 等软件技术引入到集抄系统中，实现 真正的分布式系统架构设计。 5 ) 将操作系统基本原理与终端实际相结合，设计一套合理的f l a s h 动态存 储方案及坏区替换技术，解决f l a s h 动态存储和读写次数有限的问题。 1 5 本文的结构 第一章对课题、论文的背景、主要工作内容、创新点进行简要介绍。 第二章提出一种适应多种不同电力系统用户需求的集抄系统架构设计方 案，介绍了系统各组成部分的主要功能，并对方案的实用性、可行性进行了说 明。 第三章对于主站软件系统的各个组成部分( 通讯服务器、前置机、w e b 及应用服务器、客户端等四个子系统) 进行了详细论述，对于各子系统使用的 算法进行了详细说明。 第四章对于终端的主要功能进行了简要介绍，对于终端软件的具体要求进 行了说明，根据要求设计了一套可行的流程方案，并对于方案所解决的各种技 术难点问题进行了详细描述。 第三、四章是本文的重点。 第五章介绍了在电力集抄系统中应用到的当前比较先进的软件思想和技 术，包括：设计模式【4 】、w 曲s e r v i c e 、r e m o t i n g 等。 结束语对全文进行了总结，并对未来工作提出一些设想。 4 山东大学硕士学位论文 第二章基于g p r s 的电力集抄系统架构设计 2 1 电力集抄系统背景说明 2 1 1 电力集抄系统用途说明 各地电业局( 供电公司或电业公司) 需要对所管辖区域的用电及电力分配 等进行管理。一般市、县级电业局抄表工作可以分为：大用户、居民、变电站 等三类。大用户抄表一般是指对当地的工厂、企业等用电大户的电表抄收。居 民抄表即对普通居民住宅电表的抄收。变电站抄表是电业局对所属变电站关口 表进行抄收。整个集抄系统由软件系统和硬件终端设备组成。硬件终端负责对 电表进行抄收，根据不同类型可以分为变电站终端、居民终端、负控终端( 大 用户) 等多种，g p r s 集抄终端采用g p r s 进行通讯传输，内置g r p s 通信模块。 一般g p r s 终端除具备抄表功能外，往往还具备一些其它监测功能，如防窃电、 负荷控制等。几种抄表系统的示意图如图2 1 所示。( 图中m 表示安装电表。一 个终端可以抄收1 块或多块电表，可以集中或单独安装，终端未在图中表示。) 2 1 2 集抄系统应用现状 图2 1 电力集抄系统应用示意图 我国各地区电力发展水平参差不齐，工业较发达地区、沿海地区电力系统 资金充裕，可以在集抄系统建设上投入大量资金，配置高档服务器、架设通讯 山东大学硕士学位论文 专线。而一些经济发展相对落后的地区，能够投入集抄系统建设的资金相对较 少，基本都是采用多个应用系统跑在一台服务器上，同时一般也没有充足资金 进行专网建设，集抄系统往往直接运行在公网i n t e r n e t 上。有些电力系统用户对 于内部人员上外网不加限制，而另外一些用户则严格限制上网计算机，这样就 导致集抄客户端需要充分考虑到客户端计算机是否能够直接连接公网。因此， 系统架构的设计要充分考虑现场的实际情况，至少要能符合下列要求。 1 ) 网络架构既要能支持v p n ，同时也要能支持公网i n t e r n e t 模式。 2 _ ) 既能满足拥有上网专线的用户需要，又要满足用户没有固定i p 地址而采 用动态分配i p 地址上网的情况。 3 ) 要支持多个管理客户端程序同时运行。 4 ) 要满足有些管理用户客户端无法访问互联网、但却必须实现对终端管理 的特殊情况( 说明：有些电业局限制员工上网，不能上网就无法操作终 端，此时前置机可作为操作代理) 。 5 ) 多客户端同时控制多终端情况下，要能实现g p r s 通讯流量最少，达到 给用户节约费用的目的。 2 2 软件系统分层架构设计 考虑到以上的各种情况，结合当前比较流行的n 层架构模式f 5 1 ，软件系统 分为以下几个组成部分：通讯服务器系统、前置机系统、w e b 服务及应用服务 器系统、客户端系统。具体结构图如下： 6 山东大学硕士学位论文 圆圈圈口口 图2 2 软件系统分层架构示意图 通讯服务器直接负责和现场各种终端通讯( 现场终端不一定都是采用g p i 岱 通讯，还有可能是g s m 短信、基于t c p i p 网络等多种通讯方式) 。前置机负责 把客户端的命令转换成具体终端指令发送给通讯服务器，并接收通讯服务器转 发回来的命令执行结果。应用服务器以组件形式封装业务逻辑和数据操作提供 给客户端使用，同时承担定时任务的执行和结果保存的工作，故架构设计中应 用服务器需要直接和前置机通讯。 上面的软件架构可以适应v p n 和公网两种情况。对于公网的情况，通讯服 务器需要有公网的静态i p 地址，这样才能保证和终端、前置机通讯。前置机安 装双网卡，一个网卡需要能够访问i n t e m e t 公网但不是必须要有静态i p 地址， 另一个网卡直接连接电业局内部网络。这样不管有多少个客户端、不管这些客 户端是否能够访问公网，只要前置机一个计算机能够访问公网其它客户端计算 机就可以通过前置机进行g p r s 终端抄收与控制。从这个角度上将，前置机对 客户端提供了代理访问公网通讯服务器的功能。 对于采用v p n 的情况，由于静态v p ni p 地址比较容易分配，因此，既可 以给通讯服务器和前置机各分配一个静态地址，也可以将通讯服务器、前置机 两套软件系统合并在一个物理服务器上运行，对于客户端、应用服务器和数据 库来讲，不论公网还是v p n 都是一样的。 为了进一步提高系统的安全性，也可以把应用服务器和数据库服务器单独 组网，应用服务器配置双网卡，这样保证数据库服务器只有应用服务器一台计 7 山东大学硕士学位论文 算机可以访问，其它任何计算机都物理上无法连接。其它如客户端等都是通过 远程w e bs e r v i c e 、r e m o t i n g 等技术来调用应用服务器上相关服务组件来操作数 据库，彻底将对于数据库的操作封装起来，系统整体安全性得到极大提高。 下面对系统各部分所完成功能进行简要说明。 2 2 1 通讯服务器 通讯服务器( c o m m u n i c a r l o ns e r v e r ) 主要功能有： 1 ) 接收并维护和现场g p r s 终端的数据连接。 2 ) 接收前置机发出的命令，将命令转发给相应终端。 3 ) 接收终端上报的数据和命令执行的结果，并转发给前置机。 4 ) 提供基于w e b 的终端在线状况查询。 通讯服务器需要实时和终端保持连接，因此在基于公网i n t e r n e t 的模式下， 通讯服务器需具有静态公网i p 地址或全球唯一域名，终端和前置机通过i p 地址 或域名与通讯服务器进行通讯。对于基于v p n 的网络模式，通讯服务器需要具 备v p n 内静态i p 地址即可。 2 2 2 前置机 前置机系统对客户端提供一个虚拟的终端指令集，使得客户端不需要考虑 类型众多的终端的物理指令问题，由前置机软件将虚拟终端指令翻译成物理终 端指令发送给通讯服务器实际执行。前置机系统和通讯服务器系统功能组成整 个集抄系统的通信任务。具体来说前置机系统主要功能有： 1 ) 接收客户端虚拟指令，将虚拟指令转换成终端操作的物理指令，然后将 物理指令发送到终端。 2 ) 对于客户端发过来的大量指令进行排队处理，按照优先级、指令类型等 排队。 3 ) 接收终端主动上报的报警、抄收数据等。将接收到的报警、数据发送给 客户端、应用服务器。提供多级缓存机制，一方面保证数据不会重复抄 收，另一方面保证在前置机和客户端、应用服务器网络故障情况下数据 不丢失。 4 ) 建立和保持同通讯服务器、应用服务器的连接。 5 ) 监测并维护客户端状态。 山东大学硕士学位论文 2 2 3 w e b 及应用服务器 w e b 及应用服务器系统包括：应用服务器系统、w e b 服务两部分。应用服 务器基于三层结构模式对表现层、业务逻辑和数据操作进行封装，以组件形式 通过w e bs e r v i c e 、r e m o t i n g 等形式提供给客户端和前置机系统使用。其主要实 现的功能有： 1 ) 基础数据类的封装。如：电表类、终端类、实时数据类、定时数据类、 报警类等。 2 ) 实现异种数据库操作的封装。向下可支持s q ls e r v e r