FTP数据传输在远程无线抄表及监控系统的设计与实现

发布于:2021-07-18 15:48:08

测试系统与组件

电 子 测 量 技 ELECT RON IC M EASU REM ENT

术 T ECH N OLOGY

第 30 卷 第 8 期 2007 年 8 月

FTP 数据传输在远程无线抄表及 监控系统的设计与实现
欧 勇 吴言荪 刘殿素
重庆 400044) ( 重庆大学电气工程学院

摘 要 : 针对远 程无线抄表系统数据传输稳定性、 可靠性的 要求, 同时也便于 控制中心对 数据的 管理与共 享, 本文提 出了基于 FT P 协议的远程数据传输方式, 并基于此建 立了远程 无线数 据采集 及监控 系统。本文 简要介 绍了 FT P 工 作原理、 无线通信模块的 F T P 数据传输方式及相应的命令, 分别从 硬件和软件两方面论述了该系统的 结构和原 理, 并 给出了部分程序 框图。实 际应用表明, 基于本文提出的数据传输方式建立的无 线抄表系统, 结构简单、 性能稳定、 数据 采集和 传输稳定可靠, 具有一定的应用前景。 关键词 : F T P ; GPR S; T CP/ I P; 客户端; 服务器 中图分 类号: T P216 文献标识码: A

Design and implement of FTP date transmission in remote wireless data acquisition and monitoring system
O u Y ong Wu Yansun L iu Diansu
( College of Elect rical Engineerin g, Chongqing U niversit y, Chongqing 400044)

Abstract: In or der to meet requires o f stabilizatio n and credible date transfer in remote w ir eless data acquisitio n and mo nitor ing sy stem, and facilitate to administer on running and sharing data in monito ring center, t his paper pr esents the w ay o f remote wireless data transmission bases on FT P, and fo rm remote wireless data acquisition and mo nitor ing sy st em . FT P o per ating principles, o per atio n modes and co mmands o n the w ireless communication mo dule are discussed. T he har dw are composit ion and the so ftwar e desig n ar e described, and some prog r am f low framew or k is also presented. T he applicat ions co nfirm that the system possesses feat ur es o f simple structure, hig h stability, and data acquisit ion and t ransm ission hav e high stability and cr edibilit y, ther efore it has a w ide application fo reg round. Keywords: FT P; GP RS; T CP/ IP; client; serv er

0 引



城市、 农村供电具有环境复杂、 点多面广、 负荷分散等 特点, 长期以来, 由于受到居民电网管理体制不完善、 投资 体制不健全以及居民电网处于大电网末端等因素的影响, 居民电网在建设发展、 技术装备和供电能力等方面的整体 水*比较落后。因此, *年来, 盗窃居民用电的犯罪案件 屡有发生, 不仅给国家和有*笠翟斐芍卮笏鹗, 严重干 扰供用电秩序, 而且破坏电网安全和民用电网改造成果。 如何有效、 有力、 快捷、 可靠地搞好居民电网防盗工作, 已 经成为我国电网管理中的一个重要课题。 随着移动通信技术的发展, 公用无线信道的全球移动 通 信 系 统 ( global syst em for mobile communication, GSM ) 、 通用分组无线业务( GPRS) 通信方式, 以其无须投 资建设无线网络、 通信覆盖范围大、 安装施工十分方便等

优点, 已经在配电自动化系统和嵌入式电能量遥测系统中 得到应用, 被越来越多的用户所青睐 [ 1] 。 随着当今电网自动化程度的高速发展, 移动通信技术 也在远程自动抄表及其监 控系统中得到了广泛 的应用。 自动抄表及其监控系统已成为提高现代化电网供用电管 理水*的重要手段, 配电网中的远程自动抄表系统 A MRS ( autom at ic m eter -reading system ) 是指不需要工作人员到 达现场就能完成各站点电量抄表过程, 并且具有实时大数 据文件抄收、 数据准确等特点。 现有的一些数据传输方式一般采用存储介质或电子 邮件等方式。然而存储介质方式不利于远距离传输, 并且 需要专门的人员来做这件事情, 不能很好地发挥网络远距 离传输等优点; 电子邮件方式虽然搭上了网络的快车, 解 决了远距离传输问题, 但也有不足之处, 它对有大量用户 的集中式传输不太适用。在上传数据时, 由于多个站点几

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乎是同时进行操作的, 容易使网络的负荷太重, 严重时会 使网络发生阻塞, 甚至瘫痪而丢失数据。 基于此, 本文提出了一种简便而又有效的方法进行大 文件数据的传输数据方式, 并在第一时间及时快速地将解 释结论反馈给用户。设计了一个基于 FTP 传输协议的网 络数据传输系统, 能够很好地解决上述问题。 对于 FT P 服务器, 则是在互联网上提供存储空间的计 算机, 它们依照 FT P 协议提供服务。当它们运行时, 用户 就可以连接到服务器进行文件上传下载, 也可以将自己的 文件上传到 FT P 服务器中, 进行远程数据存储, 以及较大 文件的存储。因为 FTP 是专门的文件传输协议, 其文件传 输速度比其他协议要快的多。因此, FT P 的存在, 大大方 便了用户之间远程交换文件资料的需要, 充分地体现了互 联网资源共享的功能[ 2] 。

务特点就是/ 最大限度提高吞吐量0, 整个文件的传输是连 续的, 它保证 FTP 的传输高性能 [ 5] 。 FT P 是基于客户端/ 服务器 ( client/ server) 方式来 提 供文件传输服务的。一个 FT P 服务器进程可同时为多个 客户进程提供服务, 即用户所在的一方是客户方, 客户方 翻译用户发出的命令, 向提供 FT P 服务的文件服务器传送 适当的请求。服务器端则一直运行着守护程序, 遵循 TCP 协议, 服务进程在指定的通信端口监听客户发来的 FT P 请 求, 当服务器确认该用户为合法时, 就开始为其客户进程 提供文件传输服务了。因此 FT P 协议在客户和服务器之 间通过 T CP 来建立连接, 并利用 T CP 提供的可靠传输在 不同的站点间传输文件。 尽管目前通过 H T T P( hype text t ransf er protocol) 方 式也可以传送文件, 但 FT P 仍然是跨*台直接传送文件的 主要方式。一般来说, 通过 FT P 传输文件要比使用其他协 议( 如 H TT P) 更加有效, 这主要有 2 个原因 [ 6] : 首先, FT P 协议专用于传输文件, 它不像 H T T P 还有 其他的一些功能。FT P 的唯一的工作就是确保文件正确 的传输, 除了效验发送和接收的文件是否一致以外, 它不 会像 H T TP 那样停下来解释文件的内容。 其次, 在通常情况下, FT P 事务处理是 FTP 服务器的 唯一工作。

1 FTP 的主要工作原理
文件传输协议( file t ransfer protocol, FTP) 是 Int ernet 上文件传输的通用方法。在万维网出现以前, 用户使用命 令行方式传输文件, 最通用的应用程序是 FTP。虽然目前 多数用户选择使用 E ail 和 Web 传输文件, 但是 FT P 以 -m 其独特的优势仍然被广泛使用。FT P 是 T CP/ IP 协议( 是 一个广域网设计的标准协议套件) 的应用, 它工作在 OS I 模型的第七层, TCP 模型的第四层, 即应用层上, 因此差错 恢复和流量控制功能是内建的, 在 RFC959 中定义。FTP [ 3] 使用 TCP 协议传输而不是 UDP 协议 。 FT P 协议是基于 T CP/ IP 协议的应用层协议之一, 在 进行文件传输中, FT P 的客户和服务器之间要建立 2 个连 接: 一个是控制连接, 另一个是数据连接[ 4] 。在整个 FTP 处理过程中, 控制连接起传输控制信息的作用, 它始终保 持主动状态。控制连接在执行 FT P 命令时由客户端发起 通往 FTP 服务器的连接, 控制连接并不传输数据, 只用来 传输控制数据传输的 FT P 命令集及其响应。控制连接建 立后并不立即建立数据连接, 而是服务器通过一定的方式 来验证客户的身份, 以决定是否可以建立数据传输。数据 连接是用来传输用户的数据, 而且数据连接是全双工的, 允许同时进行双向的数据传输, 即客户和服务器都可能是 数据的发送者。在数据连接存在的时间内, 控制连接肯定 是存在的, 一旦控制连接断开, 数据连接就会自动关闭。 FT P 的目的是尽可能提高网络上文件的传输速度, 是 现有网络传输中效率最高的协议, 它将命令和数据分开, 采用不同的传输协议。控制连接以通常的客户服务器方 式建立, 并始终等待客户与服务器之间的通信。该连接将 命令从客户传给服务器, 并传回服务器的应答。由于命令 通常是由用户发出的, 所以 FTP 对控制连接的服务类型就 是/ 最大限度地减小迟延0, 采用的是 T elnet 协议; 每当一 个文件在客户与服务器之间传输时, 就创 建一个数据连 接。由于该连接用于传输目的, 所以 FT P 对数据连接的暇

2 远程无线数据采集及监控系统的组成
系统主要由现场单元、 GPRS 网络、 监控中心和移动终 端 4 部分组成, 如图 1 所示。

图 1 系统结构框图

现场单元( 客户端) 负责数据的采集和发送; GPRS 网 络是系统的通信媒介, 通过它进行数据的传输; 监控中心 ( 服务器端) 用来接收现场单元发送的抄表数据和图像数 据, 并分别进行处理; 移动终端( 即常用的手机) 用于发送 系统的控制命令和接收系统返回的信息。

3 现场单元硬件的设计
现场单元如图 2 所示, 主要由电能表、 摄像模块、 无线 通信模块和控制单元等 4 部分组成。其中: 电能表用来提 供电力用户的计量数据; 摄像模块用来获取现场图片; 无 线通信模块用来与 GPRS 网络通信, 负责传输现场单元的

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各种电能表计量数据和图片数据; 控制单元( C8051 系列低 功耗微控制器) 是现场单元的核心部分, 它负责协调电能 表、 摄像模块、 无线通信模块的资源, 使它们有条不紊地工 作, 从而实现现场单元的抄表和监视功能。

当 FT P 的控制连接建立后, 且客户端提出要目录列 表、 传输文件的请求时, 客户端发出 PORT 指令与服务器 进行协商, FT P 服务器使用一个标准的端口 20 作为服务 器端的数据连接端口与客户建立数据连接。在主动传输 方式下, FT P 的数据连接和控制连接的方向是相反的, 也 就是说, 是服务器向客户端主动发起一个用于数据传输的 连接。 ( 2) 被动传输方式 当 FT P 的控制连接建立后, 且客户端提出要目录列 表、 传输文件的请求时, 客户端发送 PASV 指令是服务器 处于被动传输方式, FTP 服务器等待客户与其联系。FTP 服务器在非 20 端口的其他数据传输端口上监听客户的请 求。在被动传输方式下, FT P 的数据连接和控制连接的方 向是一致的, 也就是说, 是客户端向服务器发起一个用于 数据传输的连接。 4. 1 无线通信模块的基本设置 [8] A T+ iISP1 = * 99* * * 1 # / / 设置 供应商的电 话 号码 A T+ iDNS1= 211. 136. 18. 171 / / 定义域名服务器的 IP 地址 A T+ iU SRN = WAP / / 定义连接的用户名 A T+ iPWD= WAP / / 定义连接密码 A T+ iMIS= / A T + CGDCONT = 1, ip, CM NET 0 / / GPRS 模块的初始参数, 请咨询各地的 GPRS 运营商获得 设置参数 A T+ iXRC= 0 / / 拓展结果代码 A T+ iM T YP= 2 / / 媒体类型值 4. 2 命令模式下 FTP 协议的命令[ 8] ( 1) 与服务器建立 FT P 连接: A T+ IFOPN: < server> [ , < port > ] : < user> , < pass> [ , < accunt> ] 返回: I/ XXX 其中, < Server> 为监控中心的 IP 地址或域名, 但一 定要是域名解析服务器能解析的名称。< Port > 为端口 号( 可选项) , 建议设置为一般端口, 即 1024 及以上。< user> 为服务器上的注册用户名, 也可以是匿名的用户名, < pass > 为用 户 名的 密 码, < accunt > 为可 选 的注 释。 XXX 为返回的句柄号。 ( 2) 在服务器上建立新的文件目录: A T+ IFM KD: XXX, < Path> 其中, < Pat h> 为文件目录名。XXX 为建立连接时返 回的句柄号。 ( 3) 在服务器上改变当前 FT P 的工作目录: A T+ IFCWD: XXX, < Path> 其中, < Pat h> 为新的文件目录名。XXX 为建立连接 时返回的句柄号。 ( 4) 在服务器上打开文件用于存储数据:

图2

现场单元结构框图

4 无线通信模块的 FTP 数据传输方式
GPRS 是 通用 分 组 无 线 业 务 ( general packet radio service) 的英文简称, 是一种基于 GSM ( global system for mobile communication) 的无线分组交换技术, 提供端到端 的、 广域的无线 IP 连接。和 GSM 相比, GPRS 具有/ 实时 在线0、按量计费0、快捷登录0、 高速传输0 以及/ 自如切 / / / 换0的优点。因此, GPRS 既适用于间断的、 突发性的或频 [ 7] 繁的、 少量的数据传输, 又适用于偶尔的大数据量传输 。 本系统采用的无线通信模块是内嵌 T CP/ IP 协议的 GPRS Modem, 它分 为 GPRS 模 块 和 IP 模块 2 部 分。 GPRS 模块采用工业级的 SIEM ENS M C35, 兼容 M C35 的 所有 AT 命令集; IP 模块内嵌 T CP/ IP 协议栈; 软件接口 为 AT + I 命令集, 2 个模块相对独立, 但所有的标准 AT 命 令均通过 IP 模块透明地传给 GPRS 模块执行。 本设计需要利用 T CP/ IP 协议来完成 GPRS 业务数据 的处理。T CP/ IP 协议可以用一个分成 4 个层次的模型来 描述: 数据链路层、 互联网层、 传输层和应用层。其分层模 型及协议如表 1 所示。
表 1 TCP/ IP 协议结构 层次 应用层 传输层 互联网层 数据链路层 常用协议 H T T P、 elnet、 T P、 T P 、 M P T F SM SN T CP、 DP U I P、 RP 、 AR P、 P 、 M P A R ICM IG Ethernet、 . 25、 IP 、 PP X SL P

该无线通信模块具有基于 FT P 协议传输文件的功能 和相应的命令, FTP 的命令数量非常之多, 功能也极为强 大, 协议底层也很复杂, 再加上 FT P 使用的是稳定的 T CP 协议, 有很高的传输质量, 所以 FT P 也注定了是大文件传 输、 大吞吐量的数据交换的首选途径。FT P 一般是以客户 机/ 服务器模式存在的, 在数据连接和命令连接的基础上 传输文件数据。 FT P 的数据传输方式是针对 FT P 数据连接而言的, 主要分为主动传输和被动传输 2 种。 ( 1) 主动传输方式

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A T+ IFST O: XXX, < Path> [ , < SZ> ] 其中, < Pat h> 为文件名。< SZ> 为传送的数据的大 小, 是可选项。XXX 为建立连接时返回的句柄号。 ( 5) 在服务器上打开文件用于追加数据: A T+ IFAPN: XXX, XXX, < Path> [ , < S Z> ] 其中, < Pat h> 为文件名。< SZ> 为传送的数据的大 小, 是可选项。XXX 为建立连接时返回的句柄号。 ( 6) 上传数据: A T+ IFSND: XXX, < SZ> : < St ream ,> 其中, < SZ> 为准确的数据流量的大小。< St ream , > 为数据流。XXX 为建立连接时返回的句柄号。 ( 7) 关闭文件: A T+ IFCLF: XXX 其中, XXX 为建立连接时返回的句柄号。 ( 8) 关闭 FT P 连接: A T+ IFCLS: XXX 其中, XXX 为建立连接时返回的句柄号。

被动传输方式一般可以解决此类问题, 因为在被动传输方 式下, 数据连接是由客户端发起的。 由于 FTP 提供的文件传输是将一个完整的文件从一 个系统中复制到另一个系统中。要使用 FT P, 就需要有登 录服务器的注册账号, 或者通过允许匿名的 FTP 的服务器 来使用。监控中心必须具有公网 IP 地址及相应的服务器 软件。在这里采用 S erv 作为监控中心的代理服务器软 -U 件, 监控中心应该在现场单元连接前处于监听状态; 现场 单元与监控中心通信前必须知道监控中心的 IP 地址( 或域 名) 和监听端口并建立网络连接。 Serv 服务器和客户程序是现在被广泛运用的 FTP -U 服务器端代理服务器软 件, Serv 是支持被动传输方 式 -U 的。支持 3x/ 9x/ M E/ N T/ 2000 等全 Window s 系列。可以 设定多个 FTP 服务器、 限定登录用户的权限、 登录主目录 及空间大小以及用户目录的自动创建等功能。FTP S erv U 具有较高的安全性: 它用 SS L 加密数据、 支持 ODBC、 具 有带宽限制、 目录和文件的权限管理、 限制、 IP 用户的实时 监*鳌 用户的所有操作记录, 能为所有的包括每一个人 和每一个组定制安全设置等功能。Serv 作为代理服务 -U 器完全可 以满足 监控中心 和各个 站点实 现数据 共享 的 需要。

5 系统的安全性
由于电力抄表数据是关系到国家和居民用户的切身 利益, 所以电网的数据保密和安全性尤为关键, 建立防火 墙已成为现代网络安全的保护重要手段。 防火墙技术是采用一种将内网和公网分开的方法, 它 是一种隔离技术, 可以对每个通过它的数据包进行收、 发 双方的身份检查, 可以根据预定的安全性确定这个数据包 是否能通过该防火墙, 从而有效地阻止黑客访问该网络。 目前比较成熟的防火墙技术主要有 2 种: ( 1) 包过滤技术是在网络的适当位置截获那些想进入 该网络的数据并对其进行检查、 分析, 阻止不符合要求的 数据通过, 从而达到网络安全的目的。它是一种廉价、 有 效、 容易重新配置和具有一定灵活性的网络级安全技术。 但是它也存在着局限性, 如数据包过滤的规则难设置、 有 些协议不适合于包过滤等。 ( 2) 代理服务器是一种透明度高并能实现内外网络之 间的相互隔离的一种防火墙技术, 是一个运行在防火墙主 机上的应用程序。它位于内部用户和外部服务之间, 它将 需要跨越该防火墙的所有链路在此分为两段, 充当网关和 提供连接, 也称应用级网关。 远程抄表的各个站点都可以作为监控中心主机的子 站, 这样便于建立局域网。所以就选择代理服务器作为防 火墙最为合适。 通常情况下, 防火墙允许 所有内部向外 部的连接通 过, 但是对于外部向内部发起的连接却存在很多限制。在 这种情况下, 客户可以正常地和服务器建立控制连接, 如 果使用主动传输方式, A T + IFST O( 上传) 、 + IFRCV AT ( 下载) 等数据传输命令就不能成功执行, 因为防火墙会阻 塞从外部服务器向内部客户发起数据传输连接。而使用

6 现场单元的软件设计
软件设计首先要完成系统初始化, 主要包括串口设置 和 GPRS 模块的初始 化。初始化结 束就进入核 心程序。 本设计的软件主程序流程如图 3 所示。

图3

主程序流程

本设计软件分为以下几个方面的内容:

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( 1) 抄表子程序: 当系统收到手机发来的抄表命令短 信或者是无线通信模块自发自收短 信时, 就去抄收电表 数据。 ( 2) 照相子程序: 当系统收到手机发来的摄像命令短 信或者是现场有动静( 系统中有热释电传感器感应) 的时 候, 就抓拍当前现场照片。 ( 3) 数据传输子程序: 系统完成抄表、 摄像后就上传数 据给监控中心。 ( 4) 删除短信子程序: 当系统接收的短信条数超过设 置的条数时, 就删除短信。短 信条数取决于 通信模块的 SIM 卡的存储容量。 本设计中现场单元( 客户端) 采集数据后, 主动向监控 中心( 服务器端) 建立连接, 在被动传输方式下进行数据传 送。本文主要提到了采用 FT P 传输数据, 其程序流程图如 图 4 所示。

7 实验结果
采用基于 FT P 数据传输方式的远程无线数据采集及 监控系统对远程电表进行数据的采集和监控。现场装置 是以 Excel 格式( 如图 5 所示) 传送到监控中心。由于抄送 的数据量很大, 在本文中只举例某天的某一时段对电表进 行一次定时抄收电表数据。同时也可以拍摄现场的动静 照片并传送到监控中心。为了实现控制中心对数据、 图像 的管理, 建立了后台数据库如图 6、 8 所示。 7、

图4

数据传输子程序

图5

现场电表数据

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该系统已经在现场连续稳定的运行 1 年多, 在大量的 数据采集分析和前人丰富的经验基础指导下, 达到了预期 的目标。本系统利用单片机通过正确的 AT 命令和 GPRS 命令集对无线通信模块进行控制, 采用 FTP 的被动传输方 式, 实现了无线数据采集及其监控的功能。具有外围器件 少、 电路简单、 系统成本低等优点。传输数据这部分的功 能由单片机控制无线通信模块, 采用 FT P 协议来实现, 在
图 6 电力抄表信息管理系统

实时大数据文件抄收时, 具有数据准确、 稳定性好、 控制方 便等优点。 该系统操作直观清晰, 运行成本低, 且大部分元器件 都为国产, 制造成本低, 并在电力抄表中得到了应用, 取得 了良好的效果。
参 考 文 献 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 徐魁, 蒋瑀瀛. 基于 GSM / GP RS 通 信的 抄表 系统[ J] . 电力系统自动化, 2004, 28( 17) : 94 96. 邵艳玲, 袁东锋. 文件服务器在高校 教学中的应用 [ J] . 电脑知识与技术: 学术交流, 2005( 9) : 95 96. 黄 超. W indow s 网 络 编程 [ M ] . 北 京: 人 民 邮电 出 版 社, 2003. 谢希 仁. 计 算 机 网 络 [ M ] . 北 京: 电 子 工 业 出 版 社, 1999. [ 5] 钟宁益, 万继光 , 顾鹏. 一种高性能 的网络文件 访问协 议的研究 与 实现 [ J] . 计 算 机应 用 研究, 2004, 21( 3) : 202 204. [ 6] [ 7] [ 8] 从日权, 商宏图, 左坚. W indow s Serv er 2003 网 络构架 [ M ] . 北京: 机械工业出版社, 2005. 吕捷. G PRS 技 术 [ M ] . 北 京: 北 京 邮 电 大 学 出 版 社, 2001. A T i 用户指南[ Z ] . 作 者 简 介

图 7 现场图片

欧勇, 男, 1977 年出生, 硕士研究生, 主 要研究方向为智能仪器与自动化测试。 E ail: oytj007@ yahoo. com . cn -m

图 8 设备参数信息

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