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狀態(tài)；對其流量的測量，隨著人們對水資源合理利用意識的提高，也越來越受到重視。在國內(nèi)，明渠流量計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[1]。電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，使得明渠流量儀的研究開始向?qū)崟r化、精確化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展成為現(xiàn)實。

 

    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)用到明渠流量儀的設(shè)計系統(tǒng)中，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)化的明渠流量儀系統(tǒng)。在底層硬件設(shè)計中，采用一種基于通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（GeneralPACketRatioService）[2]無線上網(wǎng)技術(shù)的自動數(shù)據(jù)采集方案。在上層軟件設(shè)計中，采用美國Sun公司推出的J2EE（Java2Platform，EnterpriseEdition）平臺[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)計方案如圖1所示。

 

 

 

    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動態(tài)的IP地址，可以與通信服務(wù)器進行Socket通信[4]。它的功能就是將檢測到的流量以十六進制數(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)都存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，同時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還需對數(shù)據(jù)進行備份。

 

    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)來之客戶端的請求，并根據(jù)客戶端的請求向數(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)器提出請求，通信服務(wù)器根據(jù)web服務(wù)器的請求向GPRS終端發(fā)送命令。

 

    客戶端：它采用瘦客戶端，只需要一個Internet瀏覽器即可?？蛻舳说娜蝿?wù)就是向web服務(wù)器發(fā)出http請求，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)，讀取實時或整點數(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)的請求，該請求經(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。

 

    讀取實時或整點數(shù)據(jù)：客戶端要求讀取實時或整點數(shù)據(jù)請求，web服務(wù)器根據(jù)請求來通知通訊服務(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，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)計及其功能

 

    第2.5代通訊技術(shù)GPRS（GenealpacketRadioService）[6]是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱。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BTCellent公司在1983年提出的一種基于GSM的移動分組數(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)在移動終端與計算機通信網(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)場的明渠流量計裝置的測量數(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，有以下幾個優(yōu)點：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，實時性強。

 

    考慮到UDP上述特點以及流量測量系統(tǒng)對實時性的高要求，本系統(tǒng)采用了UDP協(xié)議。

 

    4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

 

    系統(tǒng)有兩種工作方式：一是周期性地將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時地傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；二是實時地按照控制命令進行數(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。

 

    主機采用了PHILIPS公司生產(chǎn)的單片機P89C51RD2芯片作為CPU，對外部的流量信號以及實時時鐘進行采集和處理，需要保存的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后存儲于內(nèi)部大容量存儲器中，實現(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候系統(tǒng)能夠復(fù)位，是系統(tǒng)可靠性的保證之一。

 

 

 

    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，同時系統(tǒng)具有RS-232接口。上位機可以通過GPRS通訊實現(xiàn)遠程通訊，同時也可以通過RS-232接口，以特定的格式將存儲器內(nèi)部的數(shù)據(jù)通過串口線傳入PC機。

 

    5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

 

    5.1 B/S結(jié)構(gòu)

 

    系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用以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，對傳統(tǒng)的C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實現(xiàn)，形成所謂三層3-tier結(jié)構(gòu)。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本。在B/S模式下，服務(wù)器主要負責(zé)開發(fā)、維護網(wǎng)上的內(nèi)容與資源，負責(zé)信息的收集、存儲、發(fā)布，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護?？蛻舳酥苯永矛F(xiàn)有的Internet連接，不需要特殊設(shè)置和安裝，使用標(biāo)準的Internet瀏覽器，直接訪問專用Web服務(wù)器頁面，就可觀看監(jiān)測和分析現(xiàn)場流量的實時數(shù)據(jù)，并能查詢所需歷史數(shù)據(jù)。

 

    5.2 系統(tǒng)運行環(huán)境與工具的選擇

 

    考慮到系統(tǒng)的移植性和跨平臺性，本系統(tǒng)選擇了SUN公司設(shè)計開發(fā)的J2EE平臺，使用JSP（JavaServerPages）作為B/S模式的開發(fā)工具。J2EE（Java2PlatformEnterpriseEdition）是一個適用于企業(yè)級計算的支持多層、分布式應(yīng)用的全新概念的Java平臺，它為搭建具有可伸縮性，靈活性、易維護性的企業(yè)信息系統(tǒng)提供了良好的機制，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。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，使得Java程序員能夠共同的遵照這個標(biāo)準，開發(fā)大型面向網(wǎng)絡(luò)的項目。它同時提供了龐大的開發(fā)庫，是面向電子商務(wù)開發(fā)的企業(yè)級應(yīng)用平臺。Java具有“編寫一次，到處運行”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，同時在Internet應(yīng)用中保護數(shù)據(jù)的安全模式等等?？偨Y(jié)該系統(tǒng)的平臺解決方案如下：

 

    計算模式：三層B/S模式；

 

    網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：Windows2000Server；

 

    數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：Oracle8i；

 

    Web服務(wù)器：ApacheTomcat5.0；

 

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

 

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

 

    5.3 數(shù)據(jù)庫的遠程管理

 

    數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括：現(xiàn)場流量參數(shù)的實時數(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)庫遠程管理按照如下流程來實現(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)客戶端請求查看實時數(shù)據(jù)的時候，客戶端向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器每隔2秒就將實時數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端接收并顯示該數(shù)據(jù)。該過程就是一個典型的數(shù)據(jù)庫遠程管理過程。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時數(shù)據(jù)。但該方法的缺點一是當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時，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Microsoftxml解析器（MSXML）中的一個客戶/服務(wù)通訊管道協(xié)議[10]。運用xmlhttp可以簡單方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫遠程管理。由于其傳送的是XML格式的數(shù)據(jù)，大大減輕了對服務(wù)器的消耗，而且采用xmlhttp協(xié)議，可以實現(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，完成了系統(tǒng)了設(shè)計。它可以對現(xiàn)場流量進行遠程、實時、直觀地監(jiān)測和分析。較之其它系統(tǒng)來說，具有遠程監(jiān)控、客戶端免維護、服務(wù)器端易維護、系統(tǒng)安全可靠、操作簡單方便等優(yōu)點。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，效果良好。

 

    參考文獻

 

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