基于IPv6和物联网的计量器具在线监管系统

朱 敏

（湄洲湾职业技术学院信息中心，福建莆田 351119）

引言

伴随着“科技要发展、计量需先行”口号的提出，进入21世纪以来，我国计量器具仪表技术的发展速度可谓是日新月异，随着国际贸易经济的不断发展，因计量器具不精确、收费不合理、缺乏标准化监管体系等一系列因素引起的经济纠纷，给我国进出口贸易、市场服务体系发展形成了一道隐形的屏障。因此，需建立一套完整的计量器具监管系统，为贸易结算和经济核算提供强有力的支持。

对此，李文辉在《测绘计量检定协同工作云平台的设计及应用》[1]提出针对测绘计量器具的鉴定方法。将工作云平台和云服务器作为测绘计量检定的实现载体；通过B/S架构，将原本线下的检定业务转移到线上来，利用仪器检定大数据模型实现对测绘计量器具的精准检定。但是该方法的吞吐量较低，不能够满足当前应用的需求，无法保证实际应用的工作效率。田园在《基于大数据的数字化电能计量误差分析》[2]针对数字化电能计量器具提出监管方法及误差分析。对电能误差的来源和形式进行分析，并在分布式存储和大数据计算技术的基础上，建立基于Hadoop构架、Spark内存计算框架的电能计量监管模型与误差诊断平台；通过提取计量数据信号，确定其误差来源，对误差特征值进行计算，并利用朴素贝叶斯算法实现对误差类型的诊断。但是该方法对于检定到的计量器具误差并没有进行溯源追踪，无法从根本上解决被篡改问题。

因此，本文提出基于IPv6 和物联网的计量器具在线监管系统设计方案。监管系统由硬件和软件两部分组成，每个部分均由若干个模块构成，实现了计量器具从生产、销售、使用一系列的监管，以提高计量器具监管的效率。

1 基于IPv6和物联网的计量器具在线监管系统

对于计量器具的监管，应从生产、销售、使用等全生命周期进行监管，才能从根本上避免非法篡改。本文以IPv6和物联网为网络支撑，设计了一套计量器具在线监管系统。本文设计的计量器具在线监管系统实现了查询、分析、监管、预警等功能。由于IPv6 和物联网的加入，大大扩充了网络地址资源，即使同时处理的用户并发数较多也能保证系统的稳定性。不仅如此，IPv6还提供了多种通用接口[3-4]，增加系统与其他设备的连接，扩充系统功能。

2 系统硬件设计

2.1 计量器具数据采集模块

计量器具数据采集本文通过RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术）来实现。RFID 的主要构成包含4 部分，分别是：阅读层、边缘层、集成层以及应用层。基本结构图如图1所示。

图1 RFID基本结构图

在RFID中，位于第一层的是阅读层，通过触发器控制实现计量器具数据的读取，读取速度最快可达120～400 次/s。位于第二层的是边缘层，由于边缘服务器的存在，该层中包含所有计量器具的编码地址以及使用地址。随着阅读层的更新，该层也会作出相应的更新，及时删除、添加信息，保证系统数据的可靠性。位于第三层的是集成层，也是RFID中最重要的层次，主要作用是完成人机信息交互，对篡改数据的计量器具进行标记并采集，便于实现监管。

对于RFID 技术，本文选择的是nRF24L01单片射频收发器件，工作频率为2.4～2.5 GHz，工作速度最高为2 Mbps，包含了125 个射频通信频道，每个频道通过程序完成多点通信配置，整体由GFSK[5]（Gauss frequency Shift Keying，高斯频移键控）进行调制。nRF24L01消耗的功率非常低，工作电流为22 μA、电压为1.9～3.6 V。具有超强的抗干扰性能，保证数据采集过程中不被其他因素干扰，影响后续的监管。

2.2 计量器具数据校验模块

计量器具数据校验模块的主要作用是将RFID 采集到的数据与标准数据之间计算相位差和比值差。校验模块包含数据输入、数据处理等多个子模块，以标准数据为参考，对采集到的数据进行校验核对。校验模块工作流程如图2所示。

图2 计量器具校验模块工作流程图

校验模块采用的是IEC61850-9-1标准应用服务单元，通过频率校验分析采集数据的基波分量和谐波分量[6-7]，再利用数字同步检测算法计算其与标准数据之间的相位差、比差以及相位误差，得到数据的比差，完成校验。

2.3 计量器具溯源模块

计量器具溯源模块的主要作用是追踪被篡改数据的计量器具，由Savant 来实现。Savant 是IPv6 与校验模块的中间件，在校验模块处理好计量器具数据后，传送至Savant中，进行计量器具的跟踪定位。

Savant 中包含了各个计量器具所使用的环境、位置、状态以及服务器IP 地址等信息。该模块中下层节点的信息可被上层节点获取，并展开相应的管理，但是下层节点不可获取上层节点数据。Savant中的所有节点与RFID 中的阅读器进行连接，尤其是边界节点[8]，以此实现对RFID 采集到的数据迅速作出反应。因此，为了进一步增强在线监管系统的整体响应效率，该模块中还引入了即时数据库，将各个节点信息与RFID 采集数据看作是缓存数据，以此减少存储模块的数据存储量。Savant 模块在IPv6 网络的支持下，与其他设备接口实现数据交互，并在JMS 消息机制的基础上实现信息传输，用于满足计量器具溯源的需求。计量器具溯源模块流程如图3所示。

图3 计量器具溯源模块流程图

在Savant 与IPv6 之间建立一种特殊联系，对溯源的计量器具建立与之相对应的溯源文件，便于监管系统对于数据的查看，不用对所有计量器具进行检阅，直接查看溯源文件即可。这在一定程度上提高了在线监管系统的监管效率，同时还能及时查看计量器具的详细溯源信息。

2.4 计量数据存储模块设计

在计量器具在线监管系统中，应用存储局部网[9-10]（Storage Area Network，SAN）架构对系统中的数据进行集中存储，使系统具有更高的性能和更快的响应速度。

SAN 是与服务器网络分离、独立存在的高速存储局部网，以高速光纤通道为传输介质，以Fibre Channel作为存储访问协议应用协议。SAN将多个LAN/WAN集成在一起，在存储局部网与监管系统之间建立一种特殊的连接，使数据直接存储在局部网中，不占用计算机系统内存。因此，在运行监管系统时不会对计算机其他软件的运行产生较大的影响，同时也实现了数据的集中管理和无线扩展。SAN这种分散式的存储方式具有以下优点：

（1）满足数据存储的爆发式增长；

（2）便于对数据的集中管理，在一定程度上减少了数据管理的成本费用；

（3）具有高稳定性和高可靠性，与传统系统磁盘存储方式相比，本文提出的存储方式要更可靠和更稳定一些；

（4）可同时满足多个服务器的数据存储需求，并且保证快速的存储效率；

（5）对存储的数据进行集中备份和恢复；

（6）可实现多个计算机之间集群系统的存储需求；

（7）满足数据快速扩展的需求；

（8）可实现本地服务器与远程存储之间的连接需求；

（9）可支持的数据访问形式多样。

2.5 报警模块

报警模块的主要作用是当监管系统发现被篡改数据的计量器具后，发出相应的报警提醒，便于市场管理人员或工作人员及时查看并处理。报警模块本文采用的是JSP 自动报警装置。首先，自动遍历整个系统数据库，找出其中与标准数据不相符的数据，并将结果展现在可视化终端上。

报警装置共分为三个警情等级：计量器具正常未被篡改为一级，亮灯颜色为绿色；计量器具与监管系统未正常连接为二级，亮灯颜色为黄色；计量器具数据被篡改为三级，亮灯颜色为红色。工作人员根据不同的亮灯颜色，选择相应的处理方案即可。报警模块工作流程如图4所示。

图4 报警模块工作流程图

3 系统软件设计

3.1 计量器具误差分析模块

计量器具误差分析模块与校验模块相对应，主要作用是计算采集数据与标准数据之间的比值误差。比值误差产生的原因有很多，例如RFID 采集误差、软件分析引起的误差或者校验过程中产生的误差等等。RFID采集数据与标准数据之间的比值误差计算公式如下式所示：

式中，J表示采集数据与标准数据之间额定值的比例关系，A1表示采集数据的输出幅值，A0表示标准数据的输出幅值。

3.2 计量器具驱动模块

由于计量器具的种类多样，工作人员需要面对各种各样的表计和计量器具。根据计量器具使用环境的不同，每种器具的监管方式也存在不同。为了提高工作人员的工作效率、避免因计量器具种类繁多而出现的错误监管，本文软件部分设计了驱动模块，将各种计量器具统一起来，在切换监管方式时变得更加容易，无需更改主程序，充分利用IPv6和物联网带来的便捷性。

驱动模块就是将所有计量器具的通信模块整合打包，形成一个与主体分离的程序，然后通过DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换机制）数据通道与校验模块建立数据传输。DDE 是由用户程序发起的。当用户想给运行中的监管系统发送数据消息，包含这些数据消息的DDE 服务器就会立刻响应，由此展开会话。DDE 传输的数据消息中应直接表明客户想要的一般数据、或者程序的名称、主体以及项目名称等。

4 实验测试

为了验证本文设计的计量器具在线监管系统在实际应用中是否具有合理性与可行性，设计了多个实验测试内容，从不同性能角度对其进行测试。

采用MATLAB软件平台模拟了一个小型的市场体系，如图5所示。

图5 实验模拟市场体系

通过图5 可知，该模拟体系共有8 个摊位，每个摊位均采用标准称，通过IPv6连接互联网，并与本文系统和市场监督部门连接。因本文系统具备计量器具有数据篡改报警提醒功能，当摊位上称的标准数据发生改变后，会在相应的摊位发出警报，提醒市场监督人员及时查看。人为修改摊位2、5 上标准称的数值，断开摊位3、6 的连接，验证本文系统是否可以实现精准监管，测试结果如表所示。

通过观察表1 可知，对于被篡改的计量器具数据，本文系统实现了精准监管，没有出现任何的偏差，确保市场体系中标准称的不可篡改和可溯源。同时，本文系统还减少了人工参与，降低计量器具监管成本费用。当报警器发出红灯提醒时，市场监管人员应及时查看处理，按照相关要求作出处罚，真正做到责任落实。

表1 本文系统测试结果

对本文系统以及引言中提到测绘计量检定方法和电能计量器具监管方法进行对比压力测试。压力测试主要是针对软件的一项测试内容，可用来评估软件在极端重负载环境下，是否依然具有良好的稳定性和可靠性，确保整个系统不会崩溃。测试在某大型菜市场展开，选用Apache Bench 性能测试软件。随着用户并发数的不断增加，验证三种算法的吞吐率以及平均请求等待时长，结果如图6所示。

图6 三种算法压力测试结果对比

从图6中可以很明显地看出，随着用户并发数量越来越多，三种算法的吞吐率和平均请求等待时长均出现了一定的上升趋势，但是本文系统的吞吐率始终高于其他两种方法，在用户并发数为900 个时，吞吐率最高可达到11 次/s，平均请求等待时长始终低于其他两种方法，能够始终低于0.1 ms。说明本文系统在处理一定数量的用户并发数时，可同时处理多个事务，减少等待的时间，在保证系统高效运行的同时提高使用者的满意度。

对本文系统与测绘计量检定方法和电能计量器具监管方法占用系统的CPU 情况进行对比测试，结果如图7所示。

图7 三种算法占用系统CPU对比结果

通过观察图7可以看出，随着三种算法运行时间的不断推进，本文系统占用的CPU内存始终都是最少的，始终不超过25%，测绘计量检定方法次之，电能计量器具监管方法最多。这说明了本文系统在高效监管若干个用户并发数时，占用的系统内存不会影响其他软件的正常运行。

5 结论

现有方法在对计量器具进行监管时，常常由于计量器具种类繁多、信息采集效果不理想等因素，导致监管效率低、精度差。为此，本文提出基于IPv6和物联网的计量器具在线监管系统设计方案。监管系统分为硬件和软件两部分，每个部分独立存在但又相互配合，在数据采集、校验、溯源到存储的一系列流程中，以最优架构完成系统的整体构建。并通过与其他方法展开对比实验测试，结果表明，本文系统可占用最少的CPU，同时取得最优秀、最理想的监管效果。