[導(dǎo)讀] 針對(duì)灌區(qū)用水計(jì)量模糊問(wèn)題，開(kāi)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(kù)技術(shù)，開(kāi)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。
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(lái)越受到重視。在國(guó)內(nèi)，明渠流量計(jì)也開(kāi)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(kāi)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(wú)線業(yè)務(wù)GPRS（GeneralPACketRatioService）[2]無(wú)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（Java2Platform，EnterpriseEdition）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。
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(kù)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(lái)之通信服務(wù)器的命令。
通信服務(wù)器：它打開(kāi)服務(wù)器的某一端口，監(jiān)聽(tīng)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(xiě)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(kù)服務(wù)器上，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(lái)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(kù)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(guò)web服務(wù)器轉(zhuǎn)送給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(lái)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(guò)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(xiě)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，然后由數(shù)據(jù)庫(kù)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（GenealpacketRadioService）[6]是通用分組無(wú)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(lái)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(yǔ)音通信。GPRS采用分組交換技術(shù)，主要提供非語(yǔ)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(wú)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(wú)線業(yè)務(wù)，通過(guò)無(wú)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(wú)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(kù)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(guò)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。
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(guò)GPRS通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，同時(shí)也可以通過(guò)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(guò)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(guò)WWW瀏覽器來(lái)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(kāi)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(kāi)發(fā)和維護(hù)?？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(zhǔn)的Internet瀏覽器，直接訪問(wèn)專用Web服務(wù)器頁(yè)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(kāi)發(fā)的J2EE平臺(tái)，使用JSP（JavaServerPages）作為B/S模式的開(kāi)發(fā)工具。J2EE（Java2PlatformEnterpriseEdition）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(kāi)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(kāi)發(fā)庫(kù)，是面向電子商務(wù)開(kāi)發(fā)的企業(yè)級(jí)應(yīng)用平臺(tái)。Java具有“編寫(xiě)一次，到處運(yùn)行”的特性，能夠通過(guò)JDBC方便連接各類數(shù)據(jù)庫(kù)，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?？偨Y(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)：Windows2000Server；
數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：Oracle8i；
Web服務(wù)器：ApacheTomcat5.0；
數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)接口：JDBC驅(qū)動(dòng)[9]；
主要的開(kāi)發(fā)環(huán)境及工具：J2EE，Java，JSP，Javascript。
5.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的遠(yuǎn)程管理
數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)遠(yuǎn)程管理按照如下流程來(lái)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(guò)程就是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程管理過(guò)程。傳統(tǒng)的技術(shù)是頁(yè)面不斷刷新，來(lái)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(yè)面的不斷刷新，對(duì)用戶視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)都有很大影響。本系統(tǒng)采用了Microsoft開(kāi)發(fā)的xmlhttp技術(shù)，它是Microsoftxml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(kù)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(yè)面無(wú)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(kāi)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(lái)說(shuō)，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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