CN114167794A - 一种智能电表远程数据采集***及数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能电表远程数据采集***及数据采集方法，数据采集***包括智能电表、服务器及无线数传终端，无线数传终端与服务器通过网络通信协议通信，服务器内置关系数据库和内存数据库，并采用多线程并发服务器框架。本发明对数据库的存储进行了优化，采用内存数据库作为缓存，读取的电表数据先存储在内存数据库中，再由另一工作线程从内存数据库中的读取数据写入关系数据库，多工作线程协同并发处理，读写过程更加顺畅，数据库频繁读写不易卡顿，数据处理快速，不易丢失数据，可提高数据采集效率及可靠性；设置了完善的命令重发及重启机制，可保证数据采集的完整性及可靠性；支持多种通信协议，数据采集内容可灵活配置，使用灵活性高。
Description
技术领域
本发明涉及远程数据采集技术领域，特别是一种智能电表远程数据采集***及数据采集方法。
背景技术
目前，远程抄表已广泛应用。现有技术中，用于远程抄表的数据采集***一般包括智能电表终端、服务器及可编程的PLC设备，PLC设备采集智能电表实时数据(如用电量、电压、电流等)，然后通过无线网络传输到服务器的关系数据库中存储。此种数据采集***存在以下缺点：1)由于抄表数据量很大，一般以半小时为间隔会向所有的电表发送采集命令，可能有上千个电表同时采集，单表很快会有几千万条数据，采集上来的数据都会存入关系数据库中，以备后续的使用，而关系数据库读写较慢，会导致采集程序出问题，每次访问数据库读取数据非常耗时，数据存储过程中也经常会卡住，甚至造成数据丢失，由于PLC硬件配置不高，处理大量数据时处理速度很慢，导致采集效率低，可靠性差；2)由于网络、智能电表、通信都存在一定的不稳定性，因此采集时经常会出现数据丢失，现有技术的数据采集方法缺少在出现连接不稳定时的应对机制，数据采集的稳定性低，可靠性差；3)由于部分指令和控制由现场PLC设备端的程序实现，因此不便于在服务器端对数据采集内容或其它信息进行配置，使用灵活性差。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种智能电表远程数据采集***及数据采集方法，数据库读写过程更加顺畅，不易丢失数据，可提高数据采集效率及可靠性，支持多种通信协议，数据采集内容可灵活配置，功能完善，使用灵活性高。
本发明采用如下技术方案：
一种智能电表远程数据采集***，包括有智能电表、服务器及用于实现智能电表与服务器之间通信的无线数传终端，智能电表与无线数传终端通信连接，无线数传终端与服务器通过无线网络通信协议通信，所述服务器内置有关系数据库和内存数据库，并采用多线程并发服务器框架，关系数据库用于存储无线数传终端和智能电表的数据，内存数据库用于临时数据缓存。
进一步地，所述无线数传终端采用DTU；所述关系数据库采用mySQL数据库；内存数据库采用Redis数据库；所述多线程并发服务器框架采用开源的Netty框架。
一种基于上述的智能电表远程数据采集***的智能电表远程数据采集方法，服务器配置有：
读取无线数传终端和电表基础数据工作线程，至少用于执行从关系数据库中读取无线数传终端和电表基础数据并写入内存数据库中的任务；
无线数传终端数据采集与处理工作线程，至少用于执行给无线数传终端发送抄表命令，接收无线数传终端发送的数据并解析，以及将解析的电表实时数据写入内存数据库中的任务；
以及写电表实时数据工作线程，至少用于执行从内存数据库中循环读取所有电表的实时数据写入关系数据库中的任务；
读取无线数传终端和电表基础数据工作线程、无线数传终端数据采集与处理工作线程及写电表实时数据工作线程通过多线程并发服务器框架进行线程管理；服务器启动后，与无线数传终端建立通信连接，启动内存数据库服务，然后启动读取无线数传终端和电表基础数据工作线程，从关系数据库中读取无线数传终端和电表基础数据并写入内存数据库中；读取完成后，再启动无线数传终端数据采集与处理工作线程和写电表实时数据工作线程，多个线程并发处理，服务器多个线程分组给无线数传终端发送抄表命令，智能电表通过无线数传终端将电表实时数据发送至服务器，服务器接收电表实时数据并解析，将解析的电表实时数据写入内存数据库，同时由写电表实时数据工作线程从内存数据库中循环读取所有电表的实时数据写入关系数据库中。
进一步地，所述无线数传终端与智能电表通过DTL645或Modbus协议通信。
进一步地，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，服务器发送的抄表命令中包括需要采集的电表实时数据类型以及每种电表实时数据类型是否必须采集到的信息，需要采集的电表实时数据类型以及每种电表实时数据类型是否必须采集到的信息可通过服务器进行配置。
进一步地，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，如果发生某智能电表的数据未采集到，则等待设定时间后，再次发送请求，直至重复发送请求次数超过设定阈值后，则跳过此智能电表，切换到下一智能电表。
进一步地，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，服务器发送抄表命令后，如果无线数传终端有回应数据，但与该无线数传终端相连接的若干智能电表中未采集到数据的智能电表个数超过设定阈值时，则给该无线数传终端发送重启命令；如果某个无线数传终端下有未采到数据的智能电表，在无线数传终端空闲时，则再次给该无线数传终端发送抄表命令，直至重复发送命令次数超过设定阈值后结束；服务器中设置掉线统计和提醒线程，用于监控每个智能电表掉线时间，如果掉线时间超过设定的阈值，发送通知给管理员。
进一步地，所述读取无线数传终端和电表基础数据工作线程中，从关系数据库中读取的无线数传终端和电表基础数据至少包括与该服务器通信连接的所有无线数传终端的地址以及与所有无线数传终端相对应连接的所有智能电表的地址和类型。
进一步地，所述服务器设置为定时采集智能电表数据；也可通过外部请求执行智能电表数据实时采集任务，服务器接收到外部的实时采集任务请求时，如果需要更新所有无线数传终端和智能电表的基础数据，则关闭服务器与无线数传终端的网络连接并立即重启服务器，服务器启动时会从关系数据库中获取最新的无线数传终端和智能电表的基础数据；如果需要更新指定智能电表的实时数据，则启动新线程采集该指定智能电表的实时数据并更新到关系数据库内。
进一步地，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，服务器创建电表数据收发处理器、数据解码器及业务帧处理器；电表数据收发处理器用于实现基于TCP/IP协议的电表数据帧的收发；数据解码器用于对接收到的电表数据帧进行数据解析，构建完整帧数据；业务帧处理器用于实现完整帧数据的处理。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
第一，本发明对数据库的存储进行了优化，采用内存数据库作为缓存，读取的电表数据先存储在内存数据库中，再由另一工作线程从内存数据库中的读取数据写入关系数据库，在内存中存储数据，速度快，解决了数据库短时间内高频率存储过程中经常会卡住的问题，读写过程更加顺畅，数据库频繁读写不易卡顿，数据处理快速，不易丢失数据，可提高数据采集效率及可靠性，保证服务器的稳定性。
第二，服务器采用多线程并发服务器框架，可实现多工作线程协同并发处理，保证服务器的高并发，本发明的数据采集过程设置多个独立的工作线程，包括读取无线数传终端和电表基础数据工作线程、无线数传终端数据采集与处理工作线程、写电表实时数据工作线程以及掉线统计和提醒线程；服务器启动后，先启动读取无线数传终端和电表基础数据工作线程，基础数据读取完成后，再启动另外三个工作线程，可保证初始化好所有的无线智能终端和电表基础数据；同时，无线数传终端数据采集与处理工作线程和写电表实时数据工作线程并发处理，可大大提高数据采集效率；另外，服务器具体采用Netty框架，支持多种通信协议的解析，可根据需要选择配置，使用更灵活，使用Netty框架后服务器并发高、传输快、封装好。
第三，设置了完善的无线数传终端及智能电表命令重发及重启机制，出现网络、智能电表或通信不稳定时，可保证数据采集的完整性及可靠性。
第四，无线数传终端采用DTU,DTU仅实现透传功能，无控制逻辑，所有指令和控制均由服务器程序实现，便于在服务器端对数据采集内容、对应数据类型是否必须采集到或其它信息进行配置，使用控制灵活性高。
第五，除定时采集任务外，服务器还可通过外部请求执行智能电表数据实时采集任务，功能完善，不仅可以定时批量采集，还支持指定电表的实时采集。
附图说明
图1是本发明实施例1的智能电表远程数据采集***的整体结构框图；
图2是本发明实施例1的智能电表数据采集方法的功能架构图；
图3是本发明实施例1通信协议的帧格式示意图；
图4是图3中控制码格式示意图；
图5是本发明实施例1的服务器软件初始化流程图；
图6是本发明实施例1的读DTU和智能电表基础数据流程图；
图7是本发明实施例1的写电表实时数据流程图；
图8是本发明实施例1的DTU数据采集流程图；
图9是本发明实施例1的Netty帧数据读取流程图；
图10是本发明实施例1的DTU电表实时数据解析流程图；
图11是本发明实施例1的DTU发送抄表命令流程图；
图12是本发明实施例1的DTU命令超时处理流程图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
参照图1，本发明的一种智能电表远程数据采集***，包括有智能电表、服务器及用于实现智能电表与服务器之间通信的无线数传终端，智能电表与无线数传终端通过DTL645协议有线通信连接，无线数传终端与服务器通过5G无线网络通信协议通信。所述服务器内置有关系数据库和内存数据库，并采用多线程并发服务器框架，关系数据库用于存储无线数传终端和智能电表的基础数据及采集的电表使用数据，内存数据库用于临时数据缓存。无线数传终端采用DTU；关系数据库采用mySQL数据库；内存数据库采用Redis数据库；多线程并发服务器框架采用开源的Netty框架。
参照图1至图12，本发明的一种基于上述的智能电表远程数据采集***的智能电表远程数据采集方法，服务器配置有读取无线数传终端和电表基础数据工作线程、无线数传终端数据采集与处理工作线程以及写电表实时数据工作线程。读取无线数传终端和电表基础数据工作线程，用于执行从mySQL数据库中读取DTU和电表基础数据并写入Redis数据库中的任务；无线数传终端数据采集与处理工作线程，用于执行给DTU发送抄表命令，接收DTU发送的数据并解析，以及将解析的电表实时数据写入Redis数据库中的任务；写电表实时数据工作线程，用于执行从Redis数据库中循环读取所有电表的实时数据写入mySQL数据库中的任务；读取无线数传终端和电表基础数据工作线程、无线数传终端数据采集与处理工作线程及写电表实时数据工作线程通过多线程并发服务器框架进行线程管理。
参照图2至图10，服务器软件初始化时，服务器启动后，与DTU建立通信连接，启动Redis数据库服务，然后启动读取无线数传终端和电表基础数据工作线程，从mySQL数据库中读取DTU和电表基础数据并写入Redis数据库中，DTU和电表基础数据包括与该服务器通信连接的所有DTU的地址和类型以及与所有DTU相对应连接的所有智能电表的地址和类型。无线数传终端在与服务器建立连接后，要上报自己的名称，如果服务器发现上报的名称不在从数据库中读取的无线数传终端列表中时，视为不正常连接，直接关闭与无线数传终端的连接。读取完成后，再启动无线数传终端数据采集与处理工作线程和写电表实时数据工作线程，多个线程并发处理。服务器多个线程分组给DTU发送抄表命令，抄表命令可根据通信协议的帧格式自行组装，DTU连接服务器后会首先发送DTU的地址，利用此DTU地址，查询此DTU相连接的电表地址和类型等基础参数，然后给每个电表发送命令(如查询用电量、电流、电压等)。智能电表通过DTU将电表实时数据发送至服务器，服务器接收电表实时数据并解析，将解析的电表实时数据(如用电量、电流、电压等)写入Redis数据库。同时，由写电表实时数据工作线程从Redis数据库中循环读取所有电表需要更新的实时数据(用电量、电压、电流等)写入mySQL数据库中，并删除Redis中的记录；如果没有数据会睡眠一段时间。
参照图8，无线数传终端数据采集与处理工作线程中，服务器创建电表数据收发处理器、数据解码器及业务帧处理器；电表数据收发处理器用于实现电表数据帧的收发；数据解码器用于对接收到的电表数据帧进行数据解析，构建完整帧数据；业务帧处理器用于实现完整帧数据的处理。
mySQL数据库中的电表数据采集类型表中包括需要采集的电表实时数据类型以及每种电表实时数据类型是否必须采集到等信息，需要采集的电表实时数据类型以及每种电表实时数据类型是否必须采集到的信息可通过mySQL数据表进行配置。服务器根据需要采集的电表实时数据类型以及每种电表实时数据类型是否必须采集到等信息进行抄表和存储。
参照图11和图12，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，如果发生某智能电表的数据未采集到，则等待设定时间后，再次发送请求，直至重复发送请求次数超过设定阈值后，则跳过此智能电表，切换到下一智能电表,利用索引可以快速切换到下一个电表命令开始位置。如果服务器发送抄表命令后，如果DTU有回应数据，但与该DTU相连接的若干智能电表中未采集到数据的智能电表个数超过设定阈值时，则给该DTU发送重启命令。如果某个DTU下有未采到数据的电表，在DTU空闲时，则再次给该DTU发送抄表命令，直至重复发送命令次数超过设定阈值后结束。
服务器中设置掉线统计和提醒线程，用于监控每个智能电表掉线时间，如果掉线时间超过设定的阈值，发送短信和邮件给管理员，管理员收到消息后进行问题的查找和处理。
服务器设置为定时采集智能电表数据。也可通过外部请求执行智能电表数据实时采集任务，实时采集任务通过调用服务器提供的基于HTTP协议的接口，服务器接收到外部的实时采集任务请求时，如果需要更新DTU和智能电表最新的基础数据，则关闭服务器与DTU的网络连接，并立即重启服务器，服务器启动时会从mySQL数据库中获取最新的DTU和智能电表的基础数据；如果需要获取指定智能电表的实时数据，如果服务器中多个数据采集线程正在采集数据，则与指定智能电表相连的DTU的采集线程采集完正在采集的一个智能电表后线程暂停，线程暂停成功后启动新线程采集指定智能电表的实时数据，并启动内存数据库更新到关系数据库的线程，将智能电表的实时数据更新到mySQL数据库内，完成后继续暂停的采集线程。
另外，mySQL数据库可能会掉线无法访问，导致无法读取DTU相关数据，获取的电表实时数据也无法写入到mySQL数据库中。此异常需要写入日志文件。解析DTU数据，如果出现数据校验失败，需要写入日志文件。对于非法的数据传输，比如可能出现的非DTU网络数据攻击，则关闭连接。如果给电表发送了命令，DTU一直没有回应导致超时，重试多次也没有回应数据，异常写入日志文件。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：所述无线数传终端通过各个供应商自定义的Modbus通信协议采集智能电表数据。无线数传终端与服务器通过4G无线网络通信协议通信。
上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种智能电表远程数据采集***，其特征在于，包括有智能电表、服务器及用于实现智能电表与服务器之间通信的无线数传终端，智能电表与无线数传终端通信连接，无线数传终端与服务器通过无线网络通信协议通信，所述服务器内置有关系数据库和内存数据库，并采用多线程并发服务器框架，关系数据库用于存储无线数传终端和智能电表的数据，内存数据库用于临时数据缓存。
2.如权利要求1所述的一种智能电表远程数据采集***，其特征在于，所述无线数传终端采用DTU；所述关系数据库采用mySQL数据库；内存数据库采用Redis数据库；所述多线程并发服务器框架采用开源的Netty框架。
3.一种基于权利要求1或2所述的智能电表远程数据采集***的智能电表远程数据采集方法，其特征在于，服务器配置有：
读取无线数传终端和电表基础数据工作线程，至少用于执行从关系数据库中读取无线数传终端和电表基础数据并写入内存数据库中的任务；
无线数传终端数据采集与处理工作线程，至少用于执行给无线数传终端发送抄表命令，接收无线数传终端发送的数据并解析，以及将解析的电表实时数据写入内存数据库中的任务；
以及写电表实时数据工作线程，至少用于执行从内存数据库中循环读取所有电表的实时数据写入关系数据库中的任务；
读取无线数传终端和电表基础数据工作线程、无线数传终端数据采集与处理工作线程及写电表实时数据工作线程通过多线程并发服务器框架进行线程管理；服务器启动后，与无线数传终端建立通信连接，启动内存数据库服务，然后启动读取无线数传终端和电表基础数据工作线程，从关系数据库中读取无线数传终端和电表基础数据并写入内存数据库中；读取完成后，再启动无线数传终端数据采集与处理工作线程和写电表实时数据工作线程，多个线程并发处理，服务器多个线程分组给无线数传终端发送抄表命令，智能电表通过无线数传终端将电表实时数据发送至服务器，服务器接收电表实时数据并解析，将解析的电表实时数据写入内存数据库，同时由写电表实时数据工作线程从内存数据库中循环读取所有电表的实时数据写入关系数据库中。
4.如权利要求3所述的一种智能电表远程数据采集方法，其特征在于，所述无线数传终端与智能电表通过DTL645或Modbus协议通信。
5.如权利要求3所述的一种智能电表远程数据采集方法，其特征在于，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，服务器发送的抄表命令中包括需要采集的电表实时数据类型以及每种电表实时数据类型是否必须采集到的信息，需要采集的电表实时数据类型以及每种电表实时数据类型是否必须采集到的信息可通过服务器进行配置。
6.如权利要求3所述的一种智能电表远程数据采集方法，其特征在于，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，如果发生某智能电表的数据未采集到，则等待设定时间后，再次发送请求，直至重复发送请求次数超过设定阈值后，则跳过此智能电表，切换到下一智能电表。
7.如权利要求3或6所述的一种智能电表远程数据采集方法，其特征在于，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，服务器发送抄表命令后，如果无线数传终端有回应数据，但与该无线数传终端相连接的若干智能电表中未采集到数据的智能电表个数超过设定阈值时，则给该无线数传终端发送重启命令；如果某个无线数传终端下有未采到数据的智能电表，在无线数传终端空闲时，则再次给该无线数传终端发送抄表命令，直至重复发送命令次数超过设定阈值后结束；服务器中设置掉线统计和提醒线程，用于监控每个智能电表掉线时间，如果掉线时间超过设定的阈值，发送通知给管理员。
8.如权利要求3所述的一种智能电表远程数据采集方法，其特征在于，所述读取无线数传终端和电表基础数据工作线程中，从关系数据库中读取的无线数传终端和电表基础数据至少包括与该服务器通信连接的所有无线数传终端的地址以及与所有无线数传终端相对应连接的所有智能电表的地址和类型。
9.如权利要求3所述的一种智能电表远程数据采集方法，其特征在于，所述服务器设置为定时采集智能电表数据；也可通过外部请求执行智能电表数据实时采集任务，服务器接收到外部的实时采集任务请求时，如果需要更新所有无线数传终端和智能电表的基础数据，则关闭服务器与无线数传终端的网络连接并立即重启服务器，服务器启动时会从关系数据库中获取最新的无线数传终端和智能电表的基础数据；如果需要更新指定智能电表的实时数据，则启动新线程采集该指定智能电表的实时数据并更新到关系数据库内。
10.如权利要求3所述的一种智能电表远程数据采集方法，其特征在于，所述无线数传终端数据采集与处理工作线程中，服务器创建电表数据收发处理器、数据解码器及业务帧处理器；电表数据收发处理器用于实现基于TCP/IP协议的电表数据帧的收发；数据解码器用于对接收到的电表数据帧进行数据解析，构建完整帧数据；业务帧处理器用于实现完整帧数据的处理。
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