引言
　　 　　
　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，遠程抄表技術(shù)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(jù)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(jù)集中器,、通信網(wǎng)絡以及抄表程序四個部分組成,。計量儀表完成信息轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲功能,，并支持通過本地通信網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)集中器進行數(shù)據(jù)交換,。數(shù)據(jù)集中器完成數(shù)據(jù)匯聚功能，并能與抄表程序進行遠程數(shù)據(jù)交換,。抄表程序則借助通信網(wǎng)絡從數(shù)據(jù)集中器獲取計量數(shù)據(jù),，并存入數(shù)據(jù)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(jù)查詢、統(tǒng)計等操作都是典型的數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng),，差別也不大,。相比之下，通信網(wǎng)絡以及與之緊密相關(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,，同時也是技術(shù)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(gòu)技術(shù)" title="可重構(gòu)技術(shù)">可重構(gòu)技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。軟件方面,，它在數(shù)據(jù)集中器中利用一個嵌入式Web服務器來負責數(shù)據(jù)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(gòu)技術(shù)和基于IP核的設計方法，在單個FPGA芯片上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(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，因而能夠適應各種硬件環(huán)境,。
　　
遠程抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
　　
　　基于Web的遠程抄表系統(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)

　　它由三個部分組成，分別是抄表客戶端程序,、數(shù)據(jù)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(jù)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(wǎng)到達數(shù)據(jù)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(jù)還是執(zhí)行相關(guān)控制操作),、電表編號以及附加數(shù)據(jù)。當用戶填完表單后,，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服務器,。隨后，相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)參數(shù)抽取出來,，送給數(shù)據(jù)集中器的控制模塊,。控制模塊將對命令參數(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(jù)。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(jié)果,。當執(zhí)行抄表操作時，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(jù)插入到預先設計好的HTML文件模板中,，隨后將其通過因特網(wǎng)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(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RS485總線從電表處采集數(shù)據(jù),，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(jié)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(jù)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(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(jù)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(chǎn)品,，它們是用Verilog語言所描述的硬件模塊，允許用戶根據(jù)需要對各種參數(shù)進行配置,，如數(shù)據(jù)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(chǎn)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(jù)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(jù)集中器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu),，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(nèi)部總線與Nios CPU相連，這樣就構(gòu)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,。基于IP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(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芯片來實現(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，前者負責接收和發(fā)送數(shù)據(jù),，后者完成信號電平的轉(zhuǎn)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(wǎng)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(jù)交換,。

軟件設計
　　
數(shù)據(jù)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(jù)集中器與各個電表之間,。目前,，國內(nèi)各廠家生產(chǎn)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(jù)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(jù)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(wǎng)上廣泛使用的Web技術(shù)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(wǎng),，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(jù)在因特網(wǎng)上的可靠傳輸,。用戶對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)集中器的軟件設計
　　
　　數(shù)據(jù)集中器在抄表系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用,，它一方面要通過因特網(wǎng)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(jù)。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(diào)度和任務間通信,。這五個任務分別是：
　　
　　(1)網(wǎng)絡通信接口：負責在因特網(wǎng)上收發(fā)數(shù)據(jù),。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(jù)發(fā)送功能是通過調(diào)用TCP/IP傳輸層服務函數(shù)nr_ pLugs_send ()實現(xiàn)的,，而數(shù)據(jù)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(diào)函數(shù)實現(xiàn)的,。當傳輸層收到一個有效應用層數(shù)據(jù)時,，該函數(shù)被調(diào)用，應用層數(shù)據(jù)的指針被當作實參傳入,，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：負責以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,，動態(tài)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)參數(shù)格式轉(zhuǎn)換,。由于因特網(wǎng)是一個公共網(wǎng)絡,，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),，因此需要進行安全性檢查,。主要采用數(shù)據(jù)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(jù),，以及完成各種控制操作，其功能相當于分層網(wǎng)絡模型中的數(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(jié)束后,，再將數(shù)據(jù)手工地轉(zhuǎn)錄到數(shù)據(jù)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(jù)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(guān)鍵技術(shù)問題：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服務器,，另外一個是從接收到的HTML文件中抽取用電數(shù)據(jù),。對于第一個問題，我們首先通過分析網(wǎng)絡抓包程序(Sniffer程序)所捕獲的HTTP數(shù)據(jù)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(jù)格式和時序關(guān)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(jù)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(jù)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(jù)查詢和統(tǒng)計,、系統(tǒng)維護等，都屬于常見的數(shù)據(jù)庫應用程序,。由于篇幅關(guān)系,，不再一一介紹了。
　　
結(jié)束語
　　
　　本文在分析現(xiàn)有遠程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎上,，提出了一種新的基于Web和硬件可重構(gòu)技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，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(guān)鍵部分——數(shù)據(jù)集中器，已經(jīng)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,。