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徐志成 （1980-）

男，江蘇東臺(tái)人，碩士研究生，從事智能優(yōu)化和魯棒控制等研究。

摘要：針對(duì)灌區(qū)用水計(jì)量模糊問題，開發(fā)了一種新型明渠流量?jī)x。該系統(tǒng)先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲得所需要的流量，然后結(jié)合GPRS通訊技術(shù)、J2EE技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的明渠流量?jī)x測(cè)量系統(tǒng)。論文分別從硬件和軟件兩方面介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和具體的實(shí)現(xiàn)。該產(chǎn)品已應(yīng)用在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，效果良好。

關(guān)鍵詞：明渠；流量?jī)x；GPRS；數(shù)據(jù)庫

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

    在農(nóng)田水利灌溉中，引用水流多是處于明渠的形式或不滿管流動(dòng)狀態(tài)；對(duì)其流量的測(cè)量，隨著人們對(duì)水資源合理利用意識(shí)的提高，也越來越受到重視。在國(guó)內(nèi)，明渠流量計(jì)也開始受到人們的關(guān)注，出現(xiàn)了各種形式的明渠流量計(jì)[1]。電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，使得明渠流量?jī)x的研究開始向?qū)崟r(shí)化、精確化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)。

    本文提出了將GPRS通訊技術(shù)與J2EE技術(shù)相結(jié)合的方案應(yīng)用到明渠流量?jī)x的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)化的明渠流量?jī)x系統(tǒng)。在底層硬件設(shè)計(jì)中，采用一種基于通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Ratio Service）[2]無線上網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集方案。在上層軟件設(shè)計(jì)中，采用美國(guó)Sun公司推出的J2EE（Java 2 Platform，Enterprise Edition）平臺(tái)[3]。將該系統(tǒng)應(yīng)用在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，效果良好。

2 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)的組成

    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

                              圖1   系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

    系統(tǒng)由五部分組成：GPRS數(shù)據(jù)采集模塊、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、web服務(wù)器、客戶端。

    GPRS數(shù)據(jù)采集模塊：它是系統(tǒng)的硬件主要部分。GPRS模塊上電后擁有一個(gè)動(dòng)態(tài)的IP地址，可以與通信服務(wù)器進(jìn)行Socket通信[4]。它的功能就是將檢測(cè)到的流量以十六進(jìn)制數(shù)據(jù)格式發(fā)送給通信服務(wù)器。GPRS終端也可以接受來之通信服務(wù)器的命令。

    通信服務(wù)器：它打開服務(wù)器的某一端口，監(jiān)聽并接受所有GPRS終端向該端口發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)包[5]，然后將數(shù)據(jù)包解析成流量等數(shù)據(jù)，寫進(jìn)數(shù)據(jù)庫中。通訊服務(wù)器的另一任務(wù)是向GPRS終端發(fā)送命令的任務(wù)，即向GRPS終端發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包。

    數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：通信服務(wù)器從GPRS終端獲得的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，同時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。

    web服務(wù)器：它連接著數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端。首先它向客戶端提供web服務(wù)。響應(yīng)來之客戶端的請(qǐng)求，并根據(jù)客戶端的請(qǐng)求向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)以html格式返回給客戶端，使得客戶端可以瀏覽它所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。web服務(wù)器還可以直接向通信服務(wù)器提出請(qǐng)求，通信服務(wù)器根據(jù)web服務(wù)器的請(qǐng)求向GPRS終端發(fā)送命令。

    客戶端：它采用瘦客戶端，只需要一個(gè)Internet瀏覽器即可。客戶端的任務(wù)就是向web服務(wù)器發(fā)出http請(qǐng)求，然后將web服務(wù)器返回的html格式文件顯示給用戶。

2.2 系統(tǒng)的功能

    系統(tǒng)的功能有：查看歷史數(shù)據(jù)，讀取實(shí)時(shí)或整點(diǎn)數(shù)據(jù)。

    查看歷史數(shù)據(jù)：客戶端根據(jù)自己的需求，要求查看歷史上某一段數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，該請(qǐng)求經(jīng)過web服務(wù)器轉(zhuǎn)送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)經(jīng)過web服務(wù)器轉(zhuǎn)接以html格式返回給客戶端。

    讀取實(shí)時(shí)或整點(diǎn)數(shù)據(jù)：客戶端要求讀取實(shí)時(shí)或整點(diǎn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，web服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求來通知通訊服務(wù)器，然后由通訊服務(wù)器通知GPRS數(shù)據(jù)采集模塊，GPRS數(shù)據(jù)采集模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向通訊服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)通訊服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包時(shí)，將數(shù)據(jù)包解析成流量參數(shù)寫到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，然后由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給web服務(wù)器，然后由web服務(wù)器將數(shù)據(jù)以html格式返回給客戶端。

3 GPRS通信模塊的設(shè)計(jì)及其功能

    第2.5代通訊技術(shù)GPRS(Geneal packet Radio Service) [6]是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱。作為第三代通訊技術(shù)的前奏，GPRS技術(shù)是在現(xiàn)有GSM技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新的分組交換的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，是由英國(guó)BTCellent公司在1983年提出的一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GSM技術(shù)主要以提供話音業(yè)務(wù)為主，而GPRS技術(shù)在移動(dòng)終端與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器之間提供了分組傳遞業(yè)務(wù)，這就是GPRS網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別[7]。

    GPRS把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有GSM系統(tǒng)，為移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一主要用于語音通信。GPRS采用分組交換技術(shù)，主要提供非語音的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，種連接，給移動(dòng)用戶提供高速無線IP和X.25服務(wù)。GSM網(wǎng)絡(luò)采用電路交換的方式，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

    本系統(tǒng)就是利用GPRS的分組無線業(yè)務(wù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到高速的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸現(xiàn)場(chǎng)的明渠流量計(jì)裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)的。

    在系統(tǒng)中，關(guān)鍵之一是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇。目前有兩種協(xié)議，即TCP協(xié)議和UDP協(xié)議[5]。UDP協(xié)議與TCP協(xié)議相比較，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：適用于小數(shù)據(jù)量的傳輸；使用方便，不需要建立連接，是一種無連接的通訊方式；傳輸數(shù)據(jù)的效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

    考慮到UDP上述特點(diǎn)以及流量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的高要求，本系統(tǒng)采用了UDP協(xié)議。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)有兩種工作方式：一是周期性地將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；二是實(shí)時(shí)地按照控制命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這就要求作為數(shù)據(jù)傳輸模塊和終端設(shè)備控制模塊的GPRS終端能夠?qū)崟r(shí)地解析、處理各種控制命令并向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)提供盡可能大的吞吐率。系統(tǒng)的硬件電路組成如圖2所示。

    主機(jī)采用了PHILIPS公司生產(chǎn)的單片機(jī)P89C51RD2芯片作為CPU，對(duì)外部的流量信號(hào)以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行采集和處理，需要保存的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后存儲(chǔ)于內(nèi)部大容量存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)GPRS接口、數(shù)據(jù)通信。圖中復(fù)位電路是為了保證系統(tǒng)程序在跑飛或卡死的時(shí)候系統(tǒng)能夠復(fù)位，是系統(tǒng)可靠性的保證之一。

                              圖2   系統(tǒng)的硬件電路組成

    系統(tǒng)具備GPRS接口，與GPRS發(fā)射端連接，把需要發(fā)射的數(shù)據(jù)傳給GPRS發(fā)射端，同時(shí)系統(tǒng)具有RS-232接口。上位機(jī)可以通過GPRS通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，同時(shí)也可以通過RS-232接口，以特定的格式將存儲(chǔ)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通過串口線傳入PC機(jī)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 B/S結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用以Web技術(shù)為基礎(chǔ)，以瀏覽器/服務(wù)器即B/S (Browser/Server)為體系結(jié)構(gòu)的方案[8]。B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)隨著Internet技術(shù)的興起，對(duì)傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實(shí)現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實(shí)現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)，形成所謂三層3-tier結(jié)構(gòu)。這樣就大大簡(jiǎn)化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量，降低了用戶的總體成本。在B/S模式下，服務(wù)器主要負(fù)責(zé)開發(fā)、維護(hù)網(wǎng)上的內(nèi)容與資源，負(fù)責(zé)信息的收集、存儲(chǔ)、發(fā)布，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護(hù)。客戶端直接利用現(xiàn)有的Internet連接，不需要特殊設(shè)置和安裝，使用標(biāo)準(zhǔn)的Internet瀏覽器，直接訪問專用Web服務(wù)器頁面，就可觀看監(jiān)測(cè)和分析現(xiàn)場(chǎng)流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并能查詢所需歷史數(shù)據(jù)。

5.2 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境與工具的選擇

    考慮到系統(tǒng)的移植性和跨平臺(tái)性，本系統(tǒng)選擇了SUN公司設(shè)計(jì)開發(fā)的J2EE平臺(tái)，使用JSP（Java Server Pages）作為B/S模式的開發(fā)工具。J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition）是一個(gè)適用于企業(yè)級(jí)計(jì)算的支持多層、分布式應(yīng)用的全新概念的Java平臺(tái)，它為搭建具有可伸縮性，靈活性、易維護(hù)性的企業(yè)信息系統(tǒng)提供了良好的機(jī)制，與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序模型相比有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。J2EE主要面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。它定義了一系列規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，使得Java程序員能夠共同的遵照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)大型面向網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目。它同時(shí)提供了龐大的開發(fā)庫，是面向電子商務(wù)開發(fā)的企業(yè)級(jí)應(yīng)用平臺(tái)。Java具有“編寫一次，到處運(yùn)行”的特性，能夠通過JDBC方便連接各類數(shù)據(jù)庫，調(diào)用各類API，同時(shí)在Internet應(yīng)用中保護(hù)數(shù)據(jù)的安全模式等等。總結(jié)該系統(tǒng)的平臺(tái)解決方案如下：

    計(jì)算模式：三層B/S模式；

    網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：Windows 2000 Server；

    數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：Oracle 8i；

    Web服務(wù)器：Apache Tomcat 5.0；

    數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)接口：JDBC驅(qū)動(dòng)[9]；

    主要的開發(fā)環(huán)境及工具：J2EE，Java，JSP，Javascript。

5.3 數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程管理

    數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括：現(xiàn)場(chǎng)流量參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、不合格數(shù)據(jù)、人員的管理，權(quán)限的管理等。

    數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理按照如下流程來實(shí)現(xiàn)：

    (1) 客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)的查詢或修改指令；

    (2) 服務(wù)端接收指令，向客戶端返回結(jié)果；

    (3) 客戶端接收結(jié)果，顯示查詢數(shù)據(jù)。

    系統(tǒng)中，當(dāng)客戶端請(qǐng)求查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)候，客戶端向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器每隔2秒就將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端接收并顯示該數(shù)據(jù)。該過程就是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理過程。傳統(tǒng)的技術(shù)是頁面不斷刷新，來獲取新的數(shù)據(jù)，以便讓用戶看到不斷變化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。但該方法的缺點(diǎn)一是當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，占用服務(wù)器資源的消耗大；二是用戶能明顯感到頁面的不斷刷新，對(duì)用戶視覺和聽覺都有很大影響。本系統(tǒng)采用了Microsoft開發(fā)的xmlhttp技術(shù)，它是Microsoft xml解析器(MSXML)中的一個(gè)客戶/服務(wù)通訊管道協(xié)議[10]。運(yùn)用xmlhttp可以簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程管理。由于其傳送的是XML格式的數(shù)據(jù)，大大減輕了對(duì)服務(wù)器的消耗，而且采用xmlhttp協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)頁面無刷新更新數(shù)據(jù)，使界面更加友好

6 總結(jié)

    本系統(tǒng)在硬件上采用了GPRS通信模塊，軟件上采用B/S模式，開發(fā)工具采用了Sun公司提供的的J2EE平臺(tái)，完成了系統(tǒng)了設(shè)計(jì)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、直觀地監(jiān)測(cè)和分析。較之其它系統(tǒng)來說，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、客戶端免維護(hù)、服務(wù)器端易維護(hù)、系統(tǒng)安全可靠、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，效果良好。

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