基于IPv6和物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)量器具在線監(jiān)管系統(tǒng)

朱 敏

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息中心，福建莆田 351119）

引言

伴隨著“科技要發(fā)展、計(jì)量需先行”口號(hào)的提出，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)計(jì)量器具儀表技術(shù)的發(fā)展速度可謂是日新月異，隨著國(guó)際貿(mào)易經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，因計(jì)量器具不精確、收費(fèi)不合理、缺乏標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)管體系等一系列因素引起的經(jīng)濟(jì)糾紛，給我國(guó)進(jìn)出口貿(mào)易、市場(chǎng)服務(wù)體系發(fā)展形成了一道隱形的屏障。因此，需建立一套完整的計(jì)量器具監(jiān)管系統(tǒng)，為貿(mào)易結(jié)算和經(jīng)濟(jì)核算提供強(qiáng)有力的支持。

對(duì)此，李文輝在《測(cè)繪計(jì)量檢定協(xié)同工作云平臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用》[1]提出針對(duì)測(cè)繪計(jì)量器具的鑒定方法。將工作云平臺(tái)和云服務(wù)器作為測(cè)繪計(jì)量檢定的實(shí)現(xiàn)載體；通過(guò)B/S架構(gòu)，將原本線下的檢定業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到線上來(lái)，利用儀器檢定大數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪計(jì)量器具的精準(zhǔn)檢定。但是該方法的吞吐量較低，不能夠滿足當(dāng)前應(yīng)用的需求，無(wú)法保證實(shí)際應(yīng)用的工作效率。田園在《基于大數(shù)據(jù)的數(shù)字化電能計(jì)量誤差分析》[2]針對(duì)數(shù)字化電能計(jì)量器具提出監(jiān)管方法及誤差分析。對(duì)電能誤差的來(lái)源和形式進(jìn)行分析，并在分布式存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立基于Hadoop構(gòu)架、Spark內(nèi)存計(jì)算框架的電能計(jì)量監(jiān)管模型與誤差診斷平臺(tái)；通過(guò)提取計(jì)量數(shù)據(jù)信號(hào)，確定其誤差來(lái)源，對(duì)誤差特征值進(jìn)行計(jì)算，并利用樸素貝葉斯算法實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差類型的診斷。但是該方法對(duì)于檢定到的計(jì)量器具誤差并沒(méi)有進(jìn)行溯源追蹤，無(wú)法從根本上解決被篡改問(wèn)題。

因此，本文提出基于IPv6 和物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)量器具在線監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。監(jiān)管系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，每個(gè)部分均由若干個(gè)模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量器具從生產(chǎn)、銷售、使用一系列的監(jiān)管，以提高計(jì)量器具監(jiān)管的效率。

1 基于IPv6和物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)量器具在線監(jiān)管系統(tǒng)

對(duì)于計(jì)量器具的監(jiān)管，應(yīng)從生產(chǎn)、銷售、使用等全生命周期進(jìn)行監(jiān)管，才能從根本上避免非法篡改。本文以IPv6和物聯(lián)網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)支撐，設(shè)計(jì)了一套計(jì)量器具在線監(jiān)管系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的計(jì)量器具在線監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了查詢、分析、監(jiān)管、預(yù)警等功能。由于IPv6 和物聯(lián)網(wǎng)的加入，大大擴(kuò)充了網(wǎng)絡(luò)地址資源，即使同時(shí)處理的用戶并發(fā)數(shù)較多也能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不僅如此，IPv6還提供了多種通用接口[3-4]，增加系統(tǒng)與其他設(shè)備的連接，擴(kuò)充系統(tǒng)功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)量器具數(shù)據(jù)采集模塊

計(jì)量器具數(shù)據(jù)采集本文通過(guò)RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別技術(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。RFID 的主要構(gòu)成包含4 部分，分別是：閱讀層、邊緣層、集成層以及應(yīng)用層。基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 RFID基本結(jié)構(gòu)圖

在RFID中，位于第一層的是閱讀層，通過(guò)觸發(fā)器控制實(shí)現(xiàn)計(jì)量器具數(shù)據(jù)的讀取，讀取速度最快可達(dá)120～400 次/s。位于第二層的是邊緣層，由于邊緣服務(wù)器的存在，該層中包含所有計(jì)量器具的編碼地址以及使用地址。隨著閱讀層的更新，該層也會(huì)作出相應(yīng)的更新，及時(shí)刪除、添加信息，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性。位于第三層的是集成層，也是RFID中最重要的層次，主要作用是完成人機(jī)信息交互，對(duì)篡改數(shù)據(jù)的計(jì)量器具進(jìn)行標(biāo)記并采集，便于實(shí)現(xiàn)監(jiān)管。

對(duì)于RFID 技術(shù)，本文選擇的是nRF24L01單片射頻收發(fā)器件，工作頻率為2.4～2.5 GHz，工作速度最高為2 Mbps，包含了125 個(gè)射頻通信頻道，每個(gè)頻道通過(guò)程序完成多點(diǎn)通信配置，整體由GFSK[5]（Gauss frequency Shift Keying，高斯頻移鍵控）進(jìn)行調(diào)制。nRF24L01消耗的功率非常低，工作電流為22 μA、電壓為1.9～3.6 V。具有超強(qiáng)的抗干擾性能，保證數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不被其他因素干擾，影響后續(xù)的監(jiān)管。

2.2 計(jì)量器具數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K

計(jì)量器具數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K的主要作用是將RFID 采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間計(jì)算相位差和比值差。校驗(yàn)?zāi)K包含數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)子模塊，以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為參考，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)核對(duì)。校驗(yàn)?zāi)K工作流程如圖2所示。

圖2 計(jì)量器具校驗(yàn)?zāi)K工作流程圖

校驗(yàn)?zāi)K采用的是IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用服務(wù)單元，通過(guò)頻率校驗(yàn)分析采集數(shù)據(jù)的基波分量和諧波分量[6-7]，再利用數(shù)字同步檢測(cè)算法計(jì)算其與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的相位差、比差以及相位誤差，得到數(shù)據(jù)的比差，完成校驗(yàn)。

2.3 計(jì)量器具溯源模塊

計(jì)量器具溯源模塊的主要作用是追蹤被篡改數(shù)據(jù)的計(jì)量器具，由Savant 來(lái)實(shí)現(xiàn)。Savant 是IPv6 與校驗(yàn)?zāi)K的中間件，在校驗(yàn)?zāi)K處理好計(jì)量器具數(shù)據(jù)后，傳送至Savant中，進(jìn)行計(jì)量器具的跟蹤定位。

Savant 中包含了各個(gè)計(jì)量器具所使用的環(huán)境、位置、狀態(tài)以及服務(wù)器IP 地址等信息。該模塊中下層節(jié)點(diǎn)的信息可被上層節(jié)點(diǎn)獲取，并展開(kāi)相應(yīng)的管理，但是下層節(jié)點(diǎn)不可獲取上層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。Savant中的所有節(jié)點(diǎn)與RFID 中的閱讀器進(jìn)行連接，尤其是邊界節(jié)點(diǎn)[8]，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID 采集到的數(shù)據(jù)迅速作出反應(yīng)。因此，為了進(jìn)一步增強(qiáng)在線監(jiān)管系統(tǒng)的整體響應(yīng)效率，該模塊中還引入了即時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息與RFID 采集數(shù)據(jù)看作是緩存數(shù)據(jù)，以此減少存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。Savant 模塊在IPv6 網(wǎng)絡(luò)的支持下，與其他設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并在JMS 消息機(jī)制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息傳輸，用于滿足計(jì)量器具溯源的需求。計(jì)量器具溯源模塊流程如圖3所示。

圖3 計(jì)量器具溯源模塊流程圖

在Savant 與IPv6 之間建立一種特殊聯(lián)系，對(duì)溯源的計(jì)量器具建立與之相對(duì)應(yīng)的溯源文件，便于監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)的查看，不用對(duì)所有計(jì)量器具進(jìn)行檢閱，直接查看溯源文件即可。這在一定程度上提高了在線監(jiān)管系統(tǒng)的監(jiān)管效率，同時(shí)還能及時(shí)查看計(jì)量器具的詳細(xì)溯源信息。

2.4 計(jì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

在計(jì)量器具在線監(jiān)管系統(tǒng)中，應(yīng)用存儲(chǔ)局部網(wǎng)[9-10]（Storage Area Network，SAN）架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)，使系統(tǒng)具有更高的性能和更快的響應(yīng)速度。

SAN 是與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)分離、獨(dú)立存在的高速存儲(chǔ)局部網(wǎng)，以高速光纖通道為傳輸介質(zhì)，以Fibre Channel作為存儲(chǔ)訪問(wèn)協(xié)議應(yīng)用協(xié)議。SAN將多個(gè)LAN/WAN集成在一起，在存儲(chǔ)局部網(wǎng)與監(jiān)管系統(tǒng)之間建立一種特殊的連接，使數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在局部網(wǎng)中，不占用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存。因此，在運(yùn)行監(jiān)管系統(tǒng)時(shí)不會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)其他軟件的運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集中管理和無(wú)線擴(kuò)展。SAN這種分散式的存儲(chǔ)方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的爆發(fā)式增長(zhǎng)；

（2）便于對(duì)數(shù)據(jù)的集中管理，在一定程度上減少了數(shù)據(jù)管理的成本費(fèi)用；

（3）具有高穩(wěn)定性和高可靠性，與傳統(tǒng)系統(tǒng)磁盤存儲(chǔ)方式相比，本文提出的存儲(chǔ)方式要更可靠和更穩(wěn)定一些；

（4）可同時(shí)滿足多個(gè)服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，并且保證快速的存儲(chǔ)效率；

（5）對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中備份和恢復(fù)；

（6）可實(shí)現(xiàn)多個(gè)計(jì)算機(jī)之間集群系統(tǒng)的存儲(chǔ)需求；

（7）滿足數(shù)據(jù)快速擴(kuò)展的需求；

（8）可實(shí)現(xiàn)本地服務(wù)器與遠(yuǎn)程存儲(chǔ)之間的連接需求；

（9）可支持的數(shù)據(jù)訪問(wèn)形式多樣。

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的主要作用是當(dāng)監(jiān)管系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)被篡改數(shù)據(jù)的計(jì)量器具后，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提醒，便于市場(chǎng)管理人員或工作人員及時(shí)查看并處理。報(bào)警模塊本文采用的是JSP 自動(dòng)報(bào)警裝置。首先，自動(dòng)遍歷整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，找出其中與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)不相符的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果展現(xiàn)在可視化終端上。

報(bào)警裝置共分為三個(gè)警情等級(jí)：計(jì)量器具正常未被篡改為一級(jí)，亮燈顏色為綠色；計(jì)量器具與監(jiān)管系統(tǒng)未正常連接為二級(jí)，亮燈顏色為黃色；計(jì)量器具數(shù)據(jù)被篡改為三級(jí)，亮燈顏色為紅色。工作人員根據(jù)不同的亮燈顏色，選擇相應(yīng)的處理方案即可。報(bào)警模塊工作流程如圖4所示。

圖4 報(bào)警模塊工作流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)量器具誤差分析模塊

計(jì)量器具誤差分析模塊與校驗(yàn)?zāi)K相對(duì)應(yīng)，主要作用是計(jì)算采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的比值誤差。比值誤差產(chǎn)生的原因有很多，例如RFID 采集誤差、軟件分析引起的誤差或者校驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差等等。RFID采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的比值誤差計(jì)算公式如下式所示：

式中，J表示采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間額定值的比例關(guān)系，A1表示采集數(shù)據(jù)的輸出幅值，A0表示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的輸出幅值。

3.2 計(jì)量器具驅(qū)動(dòng)模塊

由于計(jì)量器具的種類多樣，工作人員需要面對(duì)各種各樣的表計(jì)和計(jì)量器具。根據(jù)計(jì)量器具使用環(huán)境的不同，每種器具的監(jiān)管方式也存在不同。為了提高工作人員的工作效率、避免因計(jì)量器具種類繁多而出現(xiàn)的錯(cuò)誤監(jiān)管，本文軟件部分設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)模塊，將各種計(jì)量器具統(tǒng)一起來(lái)，在切換監(jiān)管方式時(shí)變得更加容易，無(wú)需更改主程序，充分利用IPv6和物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的便捷性。

驅(qū)動(dòng)模塊就是將所有計(jì)量器具的通信模塊整合打包，形成一個(gè)與主體分離的程序，然后通過(guò)DDE（Dynamic Data Exchange，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制）數(shù)據(jù)通道與校驗(yàn)?zāi)K建立數(shù)據(jù)傳輸。DDE 是由用戶程序發(fā)起的。當(dāng)用戶想給運(yùn)行中的監(jiān)管系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)消息，包含這些數(shù)據(jù)消息的DDE 服務(wù)器就會(huì)立刻響應(yīng)，由此展開(kāi)會(huì)話。DDE 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)消息中應(yīng)直接表明客戶想要的一般數(shù)據(jù)、或者程序的名稱、主體以及項(xiàng)目名稱等。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的計(jì)量器具在線監(jiān)管系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是否具有合理性與可行性，設(shè)計(jì)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容，從不同性能角度對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

采用MATLAB軟件平臺(tái)模擬了一個(gè)小型的市場(chǎng)體系，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M市場(chǎng)體系

通過(guò)圖5 可知，該模擬體系共有8 個(gè)攤位，每個(gè)攤位均采用標(biāo)準(zhǔn)稱，通過(guò)IPv6連接互聯(lián)網(wǎng)，并與本文系統(tǒng)和市場(chǎng)監(jiān)督部門連接。因本文系統(tǒng)具備計(jì)量器具有數(shù)據(jù)篡改報(bào)警提醒功能，當(dāng)攤位上稱的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)生改變后，會(huì)在相應(yīng)的攤位發(fā)出警報(bào)，提醒市場(chǎng)監(jiān)督人員及時(shí)查看。人為修改攤位2、5 上標(biāo)準(zhǔn)稱的數(shù)值，斷開(kāi)攤位3、6 的連接，驗(yàn)證本文系統(tǒng)是否可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)管，測(cè)試結(jié)果如表所示。

通過(guò)觀察表1 可知，對(duì)于被篡改的計(jì)量器具數(shù)據(jù)，本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)監(jiān)管，沒(méi)有出現(xiàn)任何的偏差，確保市場(chǎng)體系中標(biāo)準(zhǔn)稱的不可篡改和可溯源。同時(shí)，本文系統(tǒng)還減少了人工參與，降低計(jì)量器具監(jiān)管成本費(fèi)用。當(dāng)報(bào)警器發(fā)出紅燈提醒時(shí)，市場(chǎng)監(jiān)管人員應(yīng)及時(shí)查看處理，按照相關(guān)要求作出處罰，真正做到責(zé)任落實(shí)。

表1 本文系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)本文系統(tǒng)以及引言中提到測(cè)繪計(jì)量檢定方法和電能計(jì)量器具監(jiān)管方法進(jìn)行對(duì)比壓力測(cè)試。壓力測(cè)試主要是針對(duì)軟件的一項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容，可用來(lái)評(píng)估軟件在極端重負(fù)載環(huán)境下，是否依然具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，確保整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)崩潰。測(cè)試在某大型菜市場(chǎng)展開(kāi)，選用Apache Bench 性能測(cè)試軟件。隨著用戶并發(fā)數(shù)的不斷增加，驗(yàn)證三種算法的吞吐率以及平均請(qǐng)求等待時(shí)長(zhǎng)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 三種算法壓力測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從圖6中可以很明顯地看出，隨著用戶并發(fā)數(shù)量越來(lái)越多，三種算法的吞吐率和平均請(qǐng)求等待時(shí)長(zhǎng)均出現(xiàn)了一定的上升趨勢(shì)，但是本文系統(tǒng)的吞吐率始終高于其他兩種方法，在用戶并發(fā)數(shù)為900 個(gè)時(shí)，吞吐率最高可達(dá)到11 次/s，平均請(qǐng)求等待時(shí)長(zhǎng)始終低于其他兩種方法，能夠始終低于0.1 ms。說(shuō)明本文系統(tǒng)在處理一定數(shù)量的用戶并發(fā)數(shù)時(shí)，可同時(shí)處理多個(gè)事務(wù)，減少等待的時(shí)間，在保證系統(tǒng)高效運(yùn)行的同時(shí)提高使用者的滿意度。

對(duì)本文系統(tǒng)與測(cè)繪計(jì)量檢定方法和電能計(jì)量器具監(jiān)管方法占用系統(tǒng)的CPU 情況進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種算法占用系統(tǒng)CPU對(duì)比結(jié)果

通過(guò)觀察圖7可以看出，隨著三種算法運(yùn)行時(shí)間的不斷推進(jìn)，本文系統(tǒng)占用的CPU內(nèi)存始終都是最少的，始終不超過(guò)25%，測(cè)繪計(jì)量檢定方法次之，電能計(jì)量器具監(jiān)管方法最多。這說(shuō)明了本文系統(tǒng)在高效監(jiān)管若干個(gè)用戶并發(fā)數(shù)時(shí)，占用的系統(tǒng)內(nèi)存不會(huì)影響其他軟件的正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

現(xiàn)有方法在對(duì)計(jì)量器具進(jìn)行監(jiān)管時(shí)，常常由于計(jì)量器具種類繁多、信息采集效果不理想等因素，導(dǎo)致監(jiān)管效率低、精度差。為此，本文提出基于IPv6和物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)量器具在線監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。監(jiān)管系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，每個(gè)部分獨(dú)立存在但又相互配合，在數(shù)據(jù)采集、校驗(yàn)、溯源到存儲(chǔ)的一系列流程中，以最優(yōu)架構(gòu)完成系統(tǒng)的整體構(gòu)建。并通過(guò)與其他方法展開(kāi)對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可占用最少的CPU，同時(shí)取得最優(yōu)秀、最理想的監(jiān)管效果。