网络化明渠流量仪的设计及实现--控制网



网络化明渠流量仪的设计及实现
企业：控制网 日期：2009-05-17
领域：仪器仪表 点击数：901







徐志成 （1980-）

男，江苏东台人，硕士研究生，从事智能优化和鲁棒控制等研究。

摘要：针对灌区用水计量模糊问题，开发了一种新型明渠流量仪。该系统先对现场测量获得所需要的流量，然后结合GPRS通讯技术、J2EE技术和数据库技术，开发了基于B/S结构的明渠流量仪测量系统。论文分别从硬件和软件两方面介绍了系统的总体结构和具体的实现。该产品已应用在节水灌溉系统中，效果良好。

关键词：明渠；流量仪；GPRS；数据库

Abstract: Aiming at the problem of inaccurate water measurement in irrigation, we design a
 new open channel flowmeter.Flow is first measured locally. Then combining with the GPRS
 communication technology, the J2EE technology, and database management technology, we 
develop an open channel flowmeter system based on Browser/Server structure. The paper 
introduces the structure of the measuring system and the method to realize this system. This
 product has been used in the water-saving irrigation system and worked well.

Key words: open channel; flowmeter; general packet radio service; database

1 引言

    在农田水利灌溉中，引用水流多是处于明渠的形式或不满管流动状态；对其流量的测量，随着人们对水资源合理利用意识的提高，也越来越受到重视。在国内，明渠流量计也开始受到人们的关注，出现了各种形式的明渠流量计[1]。电子技术、计算机技术和通讯技术的发展，使得明渠流量仪的研究开始向实时化、精确化、网络化方向发展成为现实。

    本文提出了将GPRS通讯技术与J2EE技术相结合的方案应用到明渠流量仪的设计系统中，构成了网络化的明渠流量仪系统。在底层硬件设计中，采用一种基于通用分组无线业务GPRS（General Packet Ratio Service）[2]无线上网技术的自动数据采集方案。在上层软件设计中，采用美国Sun公司推出的J2EE（Java 2 Platform，Enterprise Edition）平台[3]。将该系统应用在节水灌溉系统中，效果良好。

2 系统的整体结构及工作原理

2.1 系统的组成

    系统总体设计方案如图1所示。

                              图1   系统总体设计方案

    系统由五部分组成：GPRS数据采集模块、通信服务器、数据库服务器、web服务器、客户端。

    GPRS数据采集模块：它是系统的硬件主要部分。GPRS模块上电后拥有一个动态的IP地址，可以与通信服务器进行Socket通信[4]。它的功能就是将检测到的流量以十六进制数据格式发送给通信服务器。GPRS终端也可以接受来之通信服务器的命令。

    通信服务器：它打开服务器的某一端口，监听并接受所有GPRS终端向该端口发送的UDP数据包[5]，然后将数据包解析成流量等数据，写进数据库中。通讯服务器的另一任务是向GPRS终端发送命令的任务，即向GRPS终端发送UDP数据包。

    数据库服务器：通信服务器从GPRS终端获得的数据都存储在数据库服务器上，同时数据库服务器还需对数据进行备份。

    web服务器：它连接着数据库服务器和客户端。首先它向客户端提供web服务。响应来之客户端的请求，并根据客户端的请求向数据库服务器获取数据，然后再将数据以html格式返回给客户端，使得客户端可以浏览它所请求的数据。web服务器还可以直接向通信服务器提出请求，通信服务器根据web服务器的请求向GPRS终端发送命令。

    客户端：它采用瘦客户端，只需要一个Internet浏览器即可。客户端的任务就是向web服务器发出http请求，然后将web服务器返回的html格式文件显示给用户。

2.2 系统的功能

    系统的功能有：查看历史数据，读取实时或整点数据。

    查看历史数据：客户端根据自己的需求，要求查看历史上某一段数据的请求，该请求经过web服务器转送给数据库服务器，数据库服务器将数据经过web服务器转接以html格式返回给客户端。

    读取实时或整点数据：客户端要求读取实时或整点数据请求，web服务器根据请求来通知通讯服务器，然后由通讯服务器通知GPRS数据采集模块，GPRS数据采集模块通过GPRS网络向通讯服务器发送数据包。当通讯服务器收到数据包时，将数据包解析成流量参数写到数据库服务器中，然后由数据库服务器将数据发送给web服务器，然后由web服务器将数据以html格式返回给客户端。

3 GPRS通信模块的设计及其功能

    第2.5代通讯技术GPRS(Geneal packet Radio Service) [6]是通用分组无线业务的简称。作为第三代通讯技术的前奏，GPRS技术是在现有GSM技术基础上发展而来的一种新的分组交换的数据承载业务，是由英国BTCellent公司在1983年提出的一种基于GSM的移动分组数据业务。GSM技术主要以提供话音业务为主，而GPRS技术在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供了分组传递业务，这就是GPRS网络与GSM网络的最大区别[7]。

    GPRS把分组交换技术引入现有GSM系统，为移动用户和数据网络之间提供一主要用于语音通信。GPRS采用分组交换技术，主要提供非语音的数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25服务。GSM网络采用电路交换的方式，也适用于偶尔的大数据量传输。

    本系统就是利用GPRS的分组无线业务，通过无线网络连接到高速的IP网络传输现场的明渠流量计装置的测量数据的。

    在系统中，关键之一是网络协议的选择。目前有两种协议，即TCP协议和UDP协议[5]。UDP协议与TCP协议相比较，有以下几个优点：适用于小数据量的传输；使用方便，不需要建立连接，是一种无连接的通讯方式；传输数据的效率高，实时性强。

    考虑到UDP上述特点以及流量测量系统对实时性的高要求，本系统采用了UDP协议。

4 系统硬件设计

    系统有两种工作方式：一是周期性地将现场数据实时地传送到数据库服务器；二是实时地按照控制命令进行数据采集。这就要求作为数据传输模块和终端设备控制模块的GPRS终端能够实时地解析、处理各种控制命令并向数据传输服务提供尽可能大的吞吐率。系统的硬件电路组成如图2所示。

    主机采用了PHILIPS公司生产的单片机P89C51RD2芯片作为CPU，对外部的流量信号以及实时时钟进行采集和处理，需要保存的数据经过处理后存储于内部大容量存储器中，实现GPRS接口、数据通信。图中复位电路是为了保证系统程序在跑飞或卡死的时候系统能够复位，是系统可靠性的保证之一。

                              图2   系统的硬件电路组成

    系统具备GPRS接口，与GPRS发射端连接，把需要发射的数据传给GPRS发射端，同时系统具有RS-232接口。上位机可以通过GPRS通讯实现远程通讯，同时也可以通过RS-232接口，以特定的格式将存储器内部的数据通过串口线传入PC机。

5 系统软件设计

5.1 B/S结构

    系统的软件设计采用以Web技术为基础，以浏览器/服务器即B/S (Browser/Server)为体系结构的方案[8]。B/S（Browser/Server）结构随着Internet技术的兴起，对传统的C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，但是主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，形成所谓三层3-tier结构。这样就大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本。在B/S模式下，服务器主要负责开发、维护网上的内容与资源，负责信息的收集、存储、发布，不存在客户端程序的开发和维护。客户端直接利用现有的Internet连接，不需要特殊设置和安装，使用标准的Internet浏览器，直接访问专用Web服务器页面，就可观看监测和分析现场流量的实时数据，并能查询所需历史数据。

5.2 系统运行环境与工具的选择

    考虑到系统的移植性和跨平台性，本系统选择了SUN公司设计开发的J2EE平台，使用JSP（Java Server Pages）作为B/S模式的开发工具。J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition）是一个适用于企业级计算的支持多层、分布式应用的全新概念的Java平台，它为搭建具有可伸缩性，灵活性、易维护性的企业信息系统提供了良好的机制，与传统的互联网应用程序模型相比有着不可比拟的优势。J2EE主要面向网络应用。它定义了一系列规范的标准，使得Java程序员能够共同的遵照这个标准，开发大型面向网络的项目。它同时提供了庞大的开发库，是面向电子商务开发的企业级应用平台。Java具有“编写一次，到处运行”的特性，能够通过JDBC方便连接各类数据库，调用各类API，同时在Internet应用中保护数据的安全模式等等。总结该系统的平台解决方案如下：

    计算模式：三层B/S模式；

    网络操作系统：Windows 2000 Server；

    数据库服务器：Oracle 8i；

    Web服务器：Apache Tomcat 5.0；

    数据库驱动接口：JDBC驱动[9]；

    主要的开发环境及工具：J2EE，Java，JSP，Javascript。

5.3 数据库的远程管理

    数据库内容包括：现场流量参数的实时数据、历史数据、不合格数据、人员的管理，权限的管理等。

    数据库远程管理按照如下流程来实现：

    (1) 客户端发出数据的查询或修改指令；

    (2) 服务端接收指令，向客户端返回结果；

    (3) 客户端接收结果，显示查询数据。

    系统中，当客户端请求查看实时数据的时候，客户端向服务器发出请求，服务器每隔2秒就将实时数据发送给客户端，客户端接收并显示该数据。该过程就是一个典型的数据库远程管理过程。传统的技术是页面不断刷新，来获取新的数据，以便让用户看到不断变化的实时数据。但该方法的缺点一是当数据量较大时，占用服务器资源的消耗大；二是用户能明显感到页面的不断刷新，对用户视觉和听觉都有很大影响。本系统采用了Microsoft开发的xmlhttp技术，它是Microsoft xml解析器(MSXML)中的一个客户/服务通讯管道协议[10]。运用xmlhttp可以简单方便地实现数据库远程管理。由于其传送的是XML格式的数据，大大减轻了对服务器的消耗，而且采用xmlhttp协议，可以实现页面无刷新更新数据，使界面更加友好

6 总结

    本系统在硬件上采用了GPRS通信模块，软件上采用B/S模式，开发工具采用了Sun公司提供的的J2EE平台，完成了系统了设计。它可以对现场流量进行远程、实时、直观地监测和分析。较之其它系统来说，具有远程监控、客户端免维护、服务器端易维护、系统安全可靠、操作简单方便等优点。目前该系统已应用在节水灌溉系统中，效果良好。

参考文献

[1] 李刚. 浮力式明渠流量仪的研究[J]. 仪器仪表学报,2002，23(3):13-16.

[2] 张小强，杨放春. 一种基于GPRS技术的无线监控系统[J]. 中国数据通信,2004,6(11):92- 95.

[3] 杨争林，宋燕敏，沈利华. 基于J2EE的电力市场技术支持系统研究[J]. 电力系统自动化, 2004,28(8):365-39.

[4] 何进，谢松巍. 基于Socket的TCP/IP网络通讯模式研究[J]. 计算机应用研究,2001,18(8): 134-135.

[5] 芦东昕，张华强，王陈. 基于UDP的可靠数据传递技术研究[J]. 计算机工程,2003,29(22): 62-63. 

[6] 吕捷. GPRS技术[M]. 北京：北京邮电大学出版社,2001.

[7] 丁雄. 移动通信技术[M]. 北京：电子工业出版社,2004.

[8] 方木云，骆国刚. 基于B/S的三层结构的ERP库存软件系统开发[J]. 微机发展,2004,14(4): 31-34,37.

[9] 王秀义. 基于JDBC的数据库连接池及实现[J]. 计算机系统应用,2005(4):36-39.

[10] 陈培久，陈序广. 用xml与xmlhttp组件实现网页信息的传递[J]. 微机发展,2003,13(4):4-6, 10.
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