一種家庭電力參數(shù)傳輸通道的設(shè)計(jì)

張一楊+秦會(huì)斌

摘 要：為了將電力大數(shù)據(jù)帶入普通家庭、提供實(shí)時(shí)可靠的本地家庭電力參數(shù)，文中結(jié)合嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，不僅分析了數(shù)據(jù)傳輸過程中可能出現(xiàn)的問題，對每個(gè)問題提出了解決方案并進(jìn)行了試驗(yàn)，還設(shè)計(jì)了本地嵌入式系統(tǒng)與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的傳輸策略與傳輸指令格式，并提出了傳輸策略與傳輸指令的測試方法。

關(guān)鍵詞：電力大數(shù)據(jù)；傳輸策略；傳輸指令；電力參數(shù)

中圖分類號：TP311；TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-03

0 引 言

隨著2013年我國《中國電力大數(shù)據(jù)發(fā)展白皮書》的發(fā)布[1]，標(biāo)志著我國正式將大數(shù)據(jù)納入國家戰(zhàn)略，并由此進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。電力大數(shù)據(jù)旨在通過獲取用戶的日常電力數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘算法分析用戶的用電習(xí)慣與用電規(guī)律，對電力系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行有效評估與預(yù)測，為電力系統(tǒng)決策提供依據(jù)[2]。

電力大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)是通過智能電網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)獲取的普通用戶的基本電力參數(shù)。為方便普通家庭獲取本地電力數(shù)據(jù)，為家庭能量管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用打下基礎(chǔ)，此舉對于設(shè)計(jì)便捷、實(shí)用、智能的家庭電力參數(shù)傳輸通道具有現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 基本平臺的搭建

為了對傳輸通道進(jìn)行測試與試驗(yàn)，首先需要搭建基本平臺，其基本功能是獲取本地電力參數(shù)，并將電力參數(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程公有云后臺系統(tǒng)（后簡稱遠(yuǎn)程系統(tǒng)）中進(jìn)行存儲。本地獲取電力參數(shù)的方式有很多，如通過智能插座獲取單個(gè)電器的使用情況，通過各類采集模塊對電力參數(shù)進(jìn)行測量，通過智能電表及其對應(yīng)的DL/T645-2007通訊規(guī)約協(xié)議讀取本地電力數(shù)據(jù)?，F(xiàn)選用智能電表進(jìn)行電力參數(shù)獲取，原因如下：

（1）市面上常見的智能插座常使用手機(jī)軟件進(jìn)行控制，主要用于普通用戶對個(gè)別電器用電計(jì)劃的控制，對于嵌入式系統(tǒng)的支持相對較弱。使用藍(lán)牙開發(fā)則開發(fā)成本相對較高。

（2）雖然各類采集模塊采集到的數(shù)據(jù)比較精確，但其管理系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高，對普通家庭的侵入性非常高，因此不適用于普通家庭。

（3）智能電表隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，在普通家庭中的普及度非常高，且數(shù)據(jù)讀取過程十分方便，普通嵌入式系統(tǒng)即可滿足需求，開發(fā)成本低。

通過智能電表獲取電力參數(shù)后，需要對無線傳輸方式進(jìn)行選擇?？紤]到普通家庭中路由器的普及程度高，因此選用WiFi作為數(shù)據(jù)傳輸方式，將本地電力參數(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)中。遠(yuǎn)程系統(tǒng)與本地嵌入式系統(tǒng)（后簡稱本地系統(tǒng)）建立長連接，讀取本地系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)并解析后存入數(shù)據(jù)庫中，作為電力大數(shù)據(jù)應(yīng)用的原始數(shù)據(jù)。

現(xiàn)選用DDZY791型單相費(fèi)控電能表，通過RS 485總線與以STM32F1為核心的嵌入式系統(tǒng)搭建有線連接，定時(shí)讀取數(shù)據(jù)，之后通過ATK-ESP8266 WiFi模塊與本地路由器連接，建立與部署在騰訊云的后臺系統(tǒng)的長連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。為了更好的對本地系統(tǒng)的異常情況進(jìn)行響應(yīng)、提高后臺系統(tǒng)的性能，后臺系統(tǒng)使用基于Java NIO的Netty框架實(shí)現(xiàn)[4]。

2 傳輸策略的制定

2.1 傳輸過程中存在的問題

詳細(xì)考慮基本功能平臺在實(shí)際使用時(shí)遇到的問題是制定傳輸策略的基礎(chǔ)，但可能存在如下問題：

（1）WiFi傳輸?shù)陌踩韵鄬^低，因此，在遠(yuǎn)程系統(tǒng)的傳輸通道搭建完成之后與正式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，遠(yuǎn)程系統(tǒng)應(yīng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶ο筮M(jìn)行身份驗(yàn)證。

（2）雖然ATK-ESP8266 WiFi模塊與遠(yuǎn)程系統(tǒng)的Java Socket接口中都已經(jīng)對TCP進(jìn)行了封裝，且兩者間建立了TCP長連接，但此舉并不能保證雙方接收的數(shù)據(jù)都是合法數(shù)據(jù)。有兩種情況需要考慮，即遠(yuǎn)程系統(tǒng)作為互聯(lián)網(wǎng)開放的端口，會(huì)不斷被各類網(wǎng)絡(luò)爬蟲掃描，接收到各類HTTP數(shù)據(jù)；無論是本地系統(tǒng)還是遠(yuǎn)程系統(tǒng)，都可能遭遇網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況，收到不完整的數(shù)據(jù)或多條數(shù)據(jù)。

（3）在傳輸過程中可能存在一方非正常斷線，因此另一方需及時(shí)響應(yīng)、釋放相應(yīng)資源、提示用戶。此外，一方非正常斷線時(shí)，可能導(dǎo)致重要指令丟失的情況出現(xiàn)。

2.2 身份驗(yàn)證策略制定

在傳輸過程中，僅需令遠(yuǎn)程系統(tǒng)對本地系統(tǒng)進(jìn)行身份鑒別，無需嵌入式系統(tǒng)對遠(yuǎn)程系統(tǒng)進(jìn)行身份驗(yàn)證。因此可以使用單項(xiàng)認(rèn)證協(xié)議來制定用戶身份驗(yàn)證策略[5]。身份驗(yàn)證策略主要過程如下：

（1）本地系統(tǒng)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)共享一個(gè)由隨機(jī)字符組成的密鑰。

（2）本地系統(tǒng)記錄某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，并使用密鑰對時(shí)間點(diǎn)信息、用戶信息進(jìn)行單向散列算法，得到驗(yàn)證碼。

（3）本地系統(tǒng)將記錄的時(shí)間點(diǎn)、用戶信息、驗(yàn)證碼發(fā)送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)。

（4）遠(yuǎn)程系統(tǒng)根據(jù)相同單向散列算法，使用密鑰對時(shí)間點(diǎn)、用戶信息加密，查看加密結(jié)果是否與收到的驗(yàn)證碼信息相同。

（5）若兩個(gè)加密結(jié)果相同，則用戶驗(yàn)證成功；若加密結(jié)果不同，則用戶驗(yàn)證失敗，將結(jié)果返還本地系統(tǒng)。

2.3 非法數(shù)據(jù)應(yīng)對策略制定

根據(jù)以上分析，非法數(shù)據(jù)的類型有完全非法數(shù)據(jù)（如網(wǎng)絡(luò)爬蟲數(shù)據(jù)）、不完整的合法數(shù)據(jù)（網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)可能發(fā)生）與多條完整的合法數(shù)據(jù)（網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)可能發(fā)生）。非法指令可以通過指令格式的制定輕易辨別，因此無需過多介紹。接收到不完整與多條完整數(shù)據(jù)則是Socket編程中常見的問題。此類問題的主要解決方案如下：

（1）創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)緩存，在每次獲取數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)與緩存中的剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，從前向后進(jìn)行指令解析；

（2）獲得第一條正常指令的起始位置后，丟棄起始位置前的數(shù)據(jù)；

（3）當(dāng)緩存中的剩余數(shù)據(jù)不能作為一條完整指令時(shí)則停止解析，并將剩余指令保存在緩存中，等待與后續(xù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

2.4 非正常斷線應(yīng)對策略制定

非正常斷線帶來的主要問題在于若一方斷線后，另一方?jīng)]有及時(shí)響應(yīng)，那么另一方將可能不斷地傳輸數(shù)據(jù)，浪費(fèi)資源，甚至導(dǎo)致指令丟失?？刹捎眯奶M(jìn)行定期驗(yàn)證方法解決該問題，其具體過程如下：

（1）兩方相互定時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)送心跳包數(shù)據(jù)。

（2）如果其中一方在一段時(shí)間內(nèi)沒有接收到來自對方的心跳包，那么表明兩者間的通信斷開或本地系統(tǒng)所在的網(wǎng)絡(luò)斷開，抑或是遠(yuǎn)程系統(tǒng)的服務(wù)器宕機(jī)。

（3）若沒有接收到對方數(shù)據(jù)，則本地系統(tǒng)應(yīng)定時(shí)嘗試與遠(yuǎn)程系統(tǒng)連接。遠(yuǎn)程系統(tǒng)則釋放本地系統(tǒng)的資源，等待對方再次建立連接。

本系統(tǒng)特有的情況是，本地系統(tǒng)自身要定時(shí)向遠(yuǎn)程系統(tǒng)發(fā)送本地電力參數(shù)，故該指令可作為心跳包使用。但遠(yuǎn)程系統(tǒng)沒有類似功能，因此應(yīng)設(shè)計(jì)心跳包，定期向本地系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。

在非正常斷線中，還存在一些極限情況，即本地管理系統(tǒng)由于網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)重啟，但重啟之后又再次成功連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器；在本地管理系統(tǒng)重啟期間，遠(yuǎn)程系統(tǒng)向本地系統(tǒng)發(fā)送了指令，但本地系統(tǒng)并未接收，導(dǎo)致指令丟失。對于指令丟失問題，可借鑒TCP連接中的響應(yīng)機(jī)制與超時(shí)重傳機(jī)制，即接收方在成功接收后應(yīng)返回一條響應(yīng)指令給發(fā)送方，表明已收到指令；若數(shù)據(jù)發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)沒收到指令，則應(yīng)重傳。

3 傳輸指令的設(shè)計(jì)

3.1 指令類型

根據(jù)上文提出的問題，指令類型可以分為以下幾類：

（1）普通數(shù)據(jù)傳輸指令（DATA）：該指令用于傳輸數(shù)據(jù)，若丟失對系統(tǒng)運(yùn)行沒有影響，則接收方無需返回響應(yīng)。

（2）請求指令（REQ）：該指令用于請求獲取對方某參數(shù)。

（3）控制指令（CTRL）：用于發(fā)送方請求接收方的某項(xiàng)數(shù)據(jù)，或改變接收方的運(yùn)行狀態(tài)。這類指令對系統(tǒng)的運(yùn)行有很大影響，接收方成功接收后，需要返回響應(yīng)指令。

（4）響應(yīng)指令（RESP）：用于響應(yīng)控制、請求指令。

3.2 指令格式

為了減少開發(fā)人員的學(xué)習(xí)成本，簡化指令，本次設(shè)計(jì)使用基于字符的指令。指令的起始與結(jié)束都有一個(gè)換行符。指令的基本格式包括2個(gè)部分，每部分通過空格分割。指令基本格式如圖1所示。

指令類型包括圖1指令基本格式DATA，REQ，CTRL與RESP。參數(shù)類型用于說明需要傳輸、控制、響應(yīng)的參數(shù)類型。

若本地系統(tǒng)向遠(yuǎn)程系統(tǒng)傳輸?shù)漠?dāng)前電壓為220.2，則指令（省略首尾換行符）為DATA VOLTAGE 220.2。若遠(yuǎn)程系統(tǒng)向本地系統(tǒng)請求獲取當(dāng)前電能表示數(shù)，則指令為（省略首尾換行符）REQ ENERGY。本地電能表示數(shù)為1523.63 kW·h，則響應(yīng)指令為（省略首尾換行符）RESP ENERGY 1523.63。

4 測試方法

4.1 身份驗(yàn)證測試

假設(shè)本地系統(tǒng)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)共享的密鑰為key，則使用本地系統(tǒng)電表的電表號作為用戶id（假設(shè)本次測試使用的電表號為123456789），記錄系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間（假設(shè)記錄為201612211530），將以上三個(gè)字符串拼接成一個(gè)字符串，使用空格分割。將拼接完成的字符串使用32位MD5算法編碼，結(jié)果為1DF8DEB20161C8045F3667A8B95F44FA。編碼完成后，本地系統(tǒng)向遠(yuǎn)程系統(tǒng)發(fā)送身份驗(yàn)證CTRL請求，參數(shù)類型為IDENTITY，參數(shù)內(nèi)容為123456789+201612211530+1DF8DEB20161C8045F3667A8B95F44FA。

遠(yuǎn)程系統(tǒng)獲取該指令后，通過“+”對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分割，獲取用戶id與時(shí)間戳，并根據(jù)本地存儲的密鑰，重新構(gòu)建信息字符串，并進(jìn)行MD5編碼，查看結(jié)果是否與獲取的編碼結(jié)果相同，若相同則返回指令RESP IDENTITY SUCCESS。本地收到確認(rèn)數(shù)據(jù)后開始傳輸本地電力參數(shù)。

4.2 非法數(shù)據(jù)測試

（1）分別對遠(yuǎn)程系統(tǒng)與本地系統(tǒng)進(jìn)行編程，創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收緩存。每次接收到數(shù)據(jù)后就與原有數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，將拼接完成的數(shù)據(jù)通過換行符進(jìn)行分割。依次對每行數(shù)據(jù)通過空格進(jìn)行分割，查詢分割結(jié)果是否與上述指令格式相符，若不符合則拋棄。若最后一行數(shù)據(jù)不以換行符結(jié)束，則將數(shù)據(jù)保存在接收緩存中，等待下一次數(shù)據(jù)接收。

（2）對遠(yuǎn)程系統(tǒng)的測試可以通過Java Socket模擬本地系統(tǒng)來傳輸數(shù)據(jù)與異常指令。遠(yuǎn)程系統(tǒng)在日志中打印所有正常指令，接收完所有數(shù)據(jù)后查看日志，比對是否與期望的指令相同。

（3）對本地系統(tǒng)的測試，可以令遠(yuǎn)程系統(tǒng)發(fā)送各類異常指令，并通過串口將解析完成的數(shù)據(jù)傳送至電腦或液晶屏上顯示，查看解析完成的數(shù)據(jù)是否與期望相符。

4.3 非正常斷測試

對于模擬遠(yuǎn)程系統(tǒng)的宕機(jī)，可以通過強(qiáng)行關(guān)閉服務(wù)器或關(guān)閉遠(yuǎn)程系統(tǒng)后臺程序進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行相關(guān)操作后，查看本地系統(tǒng)是否進(jìn)行重啟即可測試本地系統(tǒng)的工作情況。

可通過斷開本地嵌入式系統(tǒng)電源來模擬本地系統(tǒng)連接斷開。關(guān)閉電源后，可通過查看遠(yuǎn)程系統(tǒng)當(dāng)前保持的長連接數(shù)量來判斷是否釋放了相應(yīng)資源。

5 結(jié) 語

目前，電力大數(shù)據(jù)還處于起步階段，各類相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用還不成熟。本文為給電力大數(shù)據(jù)提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)，將電力大數(shù)據(jù)帶入普通家庭而提出了一種考慮家庭實(shí)際的電力參數(shù)傳輸通道，經(jīng)測試，能實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，并能應(yīng)對常見異常情況。

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