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，并由此進入大數(shù)據(jù)時代。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)的實現(xiàn)與應(yīng)用打下基礎(chǔ)，此舉對于設(shè)計便捷、實用、智能的家庭電力參數(shù)傳輸通道具有現(xiàn)實意義[3]。

1 基本平臺的搭建

為了對傳輸通道進行測試與試驗，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程公有云后臺系統(tǒng)（后簡稱遠程系統(tǒng)）中進行存儲。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電器的使用情況，通過各類采集模塊對電力參數(shù)進行測量，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)。現(xiàn)選用智能電表進行電力參數(shù)獲取，原因如下：

(1) 市面上常見的智能插座常使用手機軟件進行控制， 主要用于普通用戶對個別電器用電計劃的控制，對于嵌入式系統(tǒng)的支持相對較弱。使用藍牙開發(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)送到遠程系統(tǒng)中。遠程系統(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

詳細考慮基本功能平臺在實際使用時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，在遠程系統(tǒng)的傳輸通道搭建完成之后與正式進行數(shù)據(jù)傳輸之前，遠程系統(tǒng)應(yīng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶ο筮M行身份驗證。

(2) 雖然 ATK-ESP8266WiFi模塊與遠程系統(tǒng)的 Java Socket 接口中都已經(jīng)對 TCP進行了封裝， 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，即遠程系統(tǒng)作為互聯(lián)網(wǎng)開放的端口， 會不斷被各類網(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，因此另一方需及時響應(yīng)、釋放相應(yīng)資源、提示用戶。此外，一方非正常斷線時，可能導(dǎo)致重要指令丟失的情況出現(xiàn)。

2.2 身份驗證策略制定

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

(1) 本地系統(tǒng)與遠程系統(tǒng)共享一個由隨機字符組成的密鑰。

(2) 本地系統(tǒng)記錄某一個時間點，并使用密鑰對時間點信息、用戶信息進行單向散列算法，得到驗證碼。

(3) 本地系統(tǒng)將記錄的時間點、用戶信息、驗證碼發(fā)送到遠程系統(tǒng)。

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

(5) 若兩個加密結(jié)果相同，則用戶驗證成功；若加密結(jié)果不同，則用戶驗證失敗，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)阻塞時可能發(fā)生）與多條完整的合法數(shù)據(jù)（網(wǎng)絡(luò)阻塞時可能發(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)進行拼接，從前向后進行指令解析；

(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)]有及時響應(yīng)，那么另一方將可能不斷地傳輸數(shù)據(jù)，浪費資源， 甚至導(dǎo)致指令丟失?？刹捎眯奶M行定期驗證方法解決該問題，其具體過程如下：

(1) 兩方相互定時向?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，抑或是遠程系統(tǒng)的服務(wù)器宕機。

(3) 若沒有接收到對方數(shù)據(jù)，則本地系統(tǒng)應(yīng)定時嘗試與遠程系統(tǒng)連接。遠程系統(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)自身要定時向遠程系統(tǒng)發(fā)送本地電力參數(shù)，故該指令可作為心跳包使用。但遠程系統(tǒng)沒有類似功能，因此應(yīng)設(shè)計心跳包，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)波動重啟，但重啟之后又再次成功連接到遠程服務(wù)器 ；在本地管理系統(tǒng)重啟期間，遠程系統(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)機制與超時重傳機制，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)送方在一定時間內(nèi)沒收到指令，則應(yīng)重傳。

3 傳輸指令的設(shè)計

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數(shù)據(jù)，或改變接收方的運行狀態(tài)。這類指令對系統(tǒng)的運行有很大影響，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)計使用基于字符的指令。指令的起始與結(jié)束都有一個換行符。指令的基本格式包括 2 個部分，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 身份驗證測試

假設(shè)本地系統(tǒng)與遠程系統(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)前時間（假設(shè)記錄為 201612211530），將以上三個字符串拼接成一個字符串，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 1DF8DEB 20161C8045F3667A8B95F44FA。編碼完成后，本地系統(tǒng)向遠程系統(tǒng)發(fā)送身份驗證 CTRL 請求，參數(shù)類型為IDENTITY，參數(shù)內(nèi)容為 123456789+201612211530+1DF8DEB20161C8045F36 67A8B95F44FA。

遠程系統(tǒng)獲取該指令后，通過 + 對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行分割， 獲取用戶id 與時間戳，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） 分別對遠程系統(tǒng)與本地系統(tǒng)進行編程，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)進行拼接，將拼接完成的數(shù)據(jù)通過換行符進行分割。依次對每行數(shù)據(jù)通過空格進行分割，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） 對遠程系統(tǒng)的測試可以通過JavaSocket模擬本地系統(tǒng)來傳輸數(shù)據(jù)與異常指令。遠程系統(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

對于模擬遠程系統(tǒng)的宕機，可以通過強行關(guān)閉服務(wù)器或關(guān)閉遠程系統(tǒng)后臺程序進程來實現(xiàn)。進行相關(guān)操作后，查看本地系統(tǒng)是否進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際的電力參數(shù)傳輸通道，經(jīng)測試，能實時獲取數(shù)據(jù)，并能應(yīng)對常見異常情況。