李志遠(yuǎn)，胡廣朋，王永強(qiáng)

（江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

在對(duì)變電站環(huán)境監(jiān)控的過程中要對(duì)變電站環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌控。環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集是通過不同的探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)，如溫濕度采集器、風(fēng)速采集器和水浸等設(shè)備。對(duì)探測(cè)器的數(shù)據(jù)采集是通過RS-485和GPIO口來完成，采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)根據(jù)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析提取然后再根據(jù)應(yīng)用協(xié)議將數(shù)據(jù)打包。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能還要將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行谋O(jiān)控平臺(tái)，數(shù)據(jù)的傳輸是通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來完成。將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)街行谋O(jiān)控平臺(tái)之后再通過應(yīng)用協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析從而得到實(shí)時(shí)的變電站環(huán)境數(shù)據(jù)。

1 TCP/IP協(xié)議介紹

TCP/IP的全稱是傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議[1]，其協(xié)議族是許多不同層次的許多協(xié)議的組合。在Linux操作系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議普遍被認(rèn)為是由四層協(xié)議組成的協(xié)議系統(tǒng)而且每一層負(fù)責(zé)不同的通信功能。這4個(gè)層分別為：應(yīng)用層（Telnet、FTP、e-mail），運(yùn)輸層（TCP、UDP），網(wǎng)絡(luò)層（IP、ICMP、IGMP），鏈路層（包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及接口卡）如表1所示。

2 Linux環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)編程

2.1 Socket介紹

套接字（英文名socket）[2]作為網(wǎng)絡(luò)傳輸層供應(yīng)給應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)編程接口是最為通用的應(yīng)用接口。在兩臺(tái)主機(jī)之間進(jìn)行通信時(shí)，通過傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而數(shù)據(jù)一般都是在應(yīng)用層獲取，將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通過傳輸層傳送就要用socket來實(shí)現(xiàn)。在Linux操作系統(tǒng)中是通過其內(nèi)核來完成應(yīng)用層數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件接口的不斷傳輸,應(yīng)用層中的操作對(duì)象就是socket的文件描述符。在通信時(shí)將通信的目的IP地址、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議以及端口號(hào)結(jié)合起來與對(duì)應(yīng)的socket相匹配，這樣就可以在應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸時(shí)將不同的程序應(yīng)用進(jìn)程區(qū)分開從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

圖1 Socket在數(shù)據(jù)傳輸中的作用Fig.1 Socket role in data transmission

Socket編程采用的是C/S模式來進(jìn)行應(yīng)用程序的編譯，其不僅能在本地網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信也可以接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信。Socket是一種交互式通訊機(jī)制，如圖1所示發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程都有各自的套接字來對(duì)自己的端口進(jìn)行描述。通過交互式的通訊機(jī)制可以使數(shù)據(jù)的傳輸更加準(zhǔn)確和更有目的性。

2.2 網(wǎng)絡(luò)編程主要函數(shù)

Linux網(wǎng)絡(luò)編程中最普遍的是Socket編程[4]，而Socket的類型分為兩種即面向連接的網(wǎng)絡(luò)編程和面向無連接的網(wǎng)絡(luò)編程。其中面向連接的編程時(shí)以TCP協(xié)議為基礎(chǔ)的編程，面向無連接的編程時(shí)以UDP協(xié)議為基礎(chǔ)的編程[3]。在用TCP客戶與服務(wù)端進(jìn)程之間產(chǎn)生事件時(shí)，服務(wù)器首先要啟動(dòng)，然后客戶啟動(dòng)來連接服務(wù)器?？蛻艚o服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求之后服務(wù)器來處理這個(gè)請(qǐng)求，收到請(qǐng)求后給客戶發(fā)回響應(yīng)，這過程一直持續(xù)下去知道結(jié)束，客戶關(guān)閉連接。當(dāng)事件結(jié)束時(shí)服務(wù)器發(fā)送一個(gè)EOF通知，服務(wù)器緊接著關(guān)閉連接的服務(wù)端[5]。以下介紹為完成一個(gè)事件各函數(shù)的時(shí)間順序。

1)socket（）函數(shù)：在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)I/O時(shí)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程首先要做的是調(diào)用socket函數(shù)用來指定期望的通信協(xié)議類型。

2)connect（）函數(shù)：面向連接的套接字客戶端通過調(diào)用connect（）函數(shù)在套接字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中保存本地信息和遠(yuǎn)端信息，從而建立與遠(yuǎn)程服務(wù)端的一個(gè)TCP連接。

3)listen（）函數(shù)：此函數(shù)的作用是讓套接字處于被動(dòng)的監(jiān)聽模式，為該套接字建立一個(gè)保存到達(dá)的服務(wù)請(qǐng)求的輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列，隊(duì)列的使用直到有程序?qū)λM(jìn)行處理。

4)accept（）函數(shù)：函數(shù)作用是讓服務(wù)器接收客戶端的連接請(qǐng)求，當(dāng)建立好輸入隊(duì)列之后服務(wù)器就調(diào)用此函數(shù)等待客戶的連接請(qǐng)求。

5)sendto（）函數(shù)：sendto（）函數(shù)在 Linux 系統(tǒng)中的作用是將數(shù)據(jù)由指定的socket套接字傳給對(duì)方的主機(jī)，在套接著上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

6)close（）函數(shù)：數(shù)據(jù)傳輸操作結(jié)束之后可以通過調(diào)用close（）函數(shù)釋放套接字，用來停止在要停止的套接字上的所有數(shù)據(jù)的傳輸。

圖2 連接服務(wù)編程模型Fig.2 Connected services programming model

無連接的網(wǎng)絡(luò)編程模式主要協(xié)議是UDP協(xié)議的編程[6]，UDP在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)不提供可靠性。它只是將應(yīng)用程序要傳給IP協(xié)議層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，并不能保證這些數(shù)據(jù)能否到達(dá)要發(fā)送的目的地。由于這種不確定性，在協(xié)議連接時(shí)就不需要像TCP那樣需要3次握手來確保數(shù)據(jù)能傳輸?shù)街付康牡厮运木幊棠Ｊ揭蚕鄬?duì)簡單。如圖3所示。

圖3 無連接服務(wù)編程模型Fig.3 Connectionless service progtamming model

3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分析

電力網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)在不同應(yīng)用設(shè)備協(xié)議之間傳輸?shù)臉屑~，從應(yīng)用上將分為對(duì)上和對(duì)下兩個(gè)部分。對(duì)下是對(duì)各變電站監(jiān)控設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)的提取，對(duì)上是將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的監(jiān)控平臺(tái)上。這些數(shù)據(jù)是通過不同的協(xié)議來打包封裝的，經(jīng)網(wǎng)關(guān)封裝好的數(shù)據(jù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（TCP/IP協(xié)議）通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)具體應(yīng)用協(xié)議將數(shù)據(jù)解析之后發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)，然后將數(shù)據(jù)顯示在友好界面上從而方便監(jiān)控人員對(duì)變電站環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸方式Fig.4 Data transmission

網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)至平臺(tái)的傳輸協(xié)議的格式中要用1byte來標(biāo)明協(xié)議的版本，之所以標(biāo)明協(xié)議版本是因?yàn)樵谡麄€(gè)的電力網(wǎng)關(guān)中存在著很多的傳輸協(xié)議為了避免之間不必要的沖突影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正確傳輸。長度是網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序用來在TCP/IP傳輸數(shù)據(jù)時(shí)所傳數(shù)據(jù)能夠被正確解釋。子協(xié)議的類型指的是不同設(shè)備的協(xié)議，包括保留位、告警數(shù)據(jù)、普通數(shù)據(jù)、命令應(yīng)答等協(xié)議類型。如表2所示。

表2 網(wǎng)關(guān)發(fā)送至平臺(tái)傳輸協(xié)議Tab.2 Send to a transport protocol gateway platform

子協(xié)議類型:

各設(shè)備在網(wǎng)關(guān)向平臺(tái)發(fā)送信息的子協(xié)議定義如表3所示。

表3 GPIO口協(xié)議Tab.3 GPIO port protocol

數(shù)據(jù)位的不定長度是由于不同設(shè)備的的功能不同傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度不同而定的。

在RS-232與RS-485端口下的數(shù)據(jù)采集是電力網(wǎng)關(guān)的主要采集通道，如表4所示。

表4 RS-485、RS-232通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式Tab.4 RS-485RS-232 communication protocols and data formats

在電力網(wǎng)關(guān)中主要的環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)包括空調(diào)、風(fēng)速采集以及溫濕度。它們的子協(xié)議在0106協(xié)議類型的下，通過它們的狀態(tài)數(shù)據(jù)來掌控變電站的具體環(huán)境情況。不同的設(shè)備的功能不同導(dǎo)致其數(shù)據(jù)的傳輸?shù)母袷揭灿兴煌运鼈兊臓顟B(tài)定義的格式也不同，以下是幾種不同設(shè)備的不同狀態(tài)定義。如表5、表6所示。

表5 0100600空調(diào)狀態(tài)協(xié)議Tab.5 0100600 conditioning status protocol

表6 0100601風(fēng)速狀態(tài)協(xié)議及溫濕度數(shù)據(jù)協(xié)議Tab.6 0100601 wind speed and temperature and humidity data state protocal agreement

01006的狀態(tài)定義:

將設(shè)備采集到的環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)提取之后用以上協(xié)議打包，然后發(fā)送到監(jiān)控平臺(tái)。監(jiān)控平臺(tái)在根據(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)解析，從而提取出環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，完成監(jiān)控系統(tǒng)的功能。如表7、表 8所示。

表7 010602燈光控制器狀態(tài)協(xié)議Tab.7 010602 lighting controller status agreement

表8 010603tm主機(jī)數(shù)據(jù)協(xié)議Tab.8 010603 tm host data protocol

之所以將SF6/O2分成兩個(gè)組成部分是為了能更好的檢測(cè)出SF6/O2氣體，探測(cè)器采用的是一主機(jī)多探頭的設(shè)備。探頭檢測(cè)出到SF6/O2氣體的濃度之后將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)經(jīng)過主機(jī)收集到氣體的濃度之后再做相應(yīng)的分析處理，將數(shù)據(jù)歸類打包后在發(fā)送給平臺(tái)。主機(jī)協(xié)議中包括探頭的數(shù)量、探頭的設(shè)備NO號(hào)以及從探頭中采集到的數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

電力網(wǎng)關(guān)主要運(yùn)用在無人變電站。通過實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)無人變電站環(huán)境下的不斷試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的分析來看，所選用的ARM9處理器和Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下的程序運(yùn)行可靠，軟硬件結(jié)合良好，數(shù)據(jù)的傳輸效率高，其中RS485數(shù)據(jù)失真率在2%以內(nèi)，GPIO口傳輸失真率在1%以內(nèi)。產(chǎn)品達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

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