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(1.西安工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，西安 710048；2.國網(wǎng)陜西省電力公司)

引 言

隨著配電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，城市配電網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)控的覆蓋面不斷擴(kuò)大[1-2]，但是配電饋線終端FTU的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和維護(hù)十分不便[3]，主要原因是FTU一般架設(shè)在柱上，操作FTU自帶的人機(jī)交互接口(MMI)必須借助梯子等登高工具，采用便攜式電腦作為維護(hù)終端也需要登高才能進(jìn)行通信連接。針對(duì)這一情況，一些工程技術(shù)人員和廠商提出了無接觸維護(hù)方式[3-5]，采用專用PDA手持終端實(shí)現(xiàn)FTU的無線人機(jī)交互，在FTU操作箱附近對(duì)其進(jìn)行自檢、設(shè)置/修改其配置信息，大大改善了FTU維護(hù)的方便性。也有一些學(xué)者使用PDA實(shí)現(xiàn)了便攜式信息管理，豐富了PDA功能的實(shí)現(xiàn)思路和實(shí)現(xiàn)技術(shù)[6-7]。隨著智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，在手機(jī)上開發(fā)APP小程序?qū)崿F(xiàn)PDA的功能已十分常見[8-10]，從另一側(cè)面也說明本項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有技術(shù)可行性?？紤]到配電線路操作的敏感性，手機(jī)APP就可以對(duì)配電開關(guān)進(jìn)行分合操作，這種情況必須加以嚴(yán)格限制，防止造成不必要的停電事故。借鑒手機(jī)電子商務(wù)通過實(shí)時(shí)獲取驗(yàn)證碼的方式[8,11]對(duì)手機(jī)進(jìn)行綁定，在管理中心許可后，手機(jī)APP方可對(duì)FTU進(jìn)行控制操作，從而實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)人機(jī)交互功能的安全管理，既方便了FTU的現(xiàn)場(chǎng)無線維護(hù)，又不失手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)MMI的安全性。這里就項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 FTU中藍(lán)牙鏈路擴(kuò)展

1.1 基于藍(lán)牙技術(shù)的智能手機(jī)APP解決方案

藍(lán)牙技術(shù)[12]是一種目前廣泛使用的短距離無線通信技術(shù)，使用藍(lán)牙技術(shù)可以將智能手機(jī)、PDA手持終端、筆記本電腦等便于攜帶的智能設(shè)備與計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線通信連接。藍(lán)牙技術(shù)基于RF技術(shù)實(shí)現(xiàn)，支持半徑為10 m的無線通信距離，通信連接具有簡(jiǎn)潔、快速、方便等特點(diǎn)，因此非常受使用者歡迎。FTU饋線終端俗稱柱上控制器，大多安裝在配電網(wǎng)線路的電線桿上，是配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組件之一[4]。為了方便柱上FTU現(xiàn)場(chǎng)檢修和維護(hù)，本項(xiàng)目采用了智能手機(jī)+APP工具的解決方案[10]，為此需要在FTU主板上擴(kuò)展藍(lán)牙模塊，以便提供本解決方案的物理通信鏈路支撐。

1.2 FTU藍(lán)牙功能擴(kuò)展

為了實(shí)現(xiàn)FTU與智能手機(jī)之間的藍(lán)牙通信連接，這里選用了廣州匯承公司出品的HC-05型藍(lán)牙模塊[13-14]擴(kuò)展FTU的無線通信接口。該模塊基于藍(lán)牙2.0規(guī)范，具有-40～70 ℃寬溫范圍，滿足FTU現(xiàn)場(chǎng)使用的條件。使用FTU現(xiàn)有的異步串口，通過AT指令即可實(shí)現(xiàn)FTU與外部計(jì)算機(jī)的無線串口通信。

為了將HC-05模塊安裝在FTU主板上，這里采用了硬件模板升級(jí)的方式，更改原有的電路原理圖，擴(kuò)展本功能。HC-05藍(lán)牙模塊接入FTU中MCU的電路如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙模塊接入FTU的電路設(shè)計(jì)

根據(jù)HC-05技術(shù)手冊(cè)[13]，圖中串口通信線(BT_RXD和BT_TXD)接在MCU的UART1接口，模塊的控制線(BT_RST、BT_KEY和BT_LED)與MCU的GPIO引腳相連，從而實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)該模塊的管理和通信功能。

為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊的透?jìng)鞴δ埽枰褂肏C-05模塊中的4個(gè)AT指令：通信測(cè)試、修改名稱、修改波特率、修改配對(duì)密碼[14]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙模塊的維護(hù)管理，設(shè)置FTU中的藍(lán)牙模塊工作在自動(dòng)連接工作模式，并處于從工作模式。FTU中應(yīng)用軟件增加了專門操作命令，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊的通信參數(shù)管理。

1.3 FTU與APP的通信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)FTU與APP的數(shù)據(jù)交換，本文采用了類Modbus協(xié)議，即遵循Modbus協(xié)議中RTU幀的格式規(guī)范，擴(kuò)展功能碼，制定私密通信幀，防止無關(guān)人員編寫的手機(jī)APP與FTU進(jìn)行報(bào)文通信。此外，為了防止明文報(bào)文被偷聽，這里對(duì)Modbus協(xié)議幀中的數(shù)據(jù)域進(jìn)行了簡(jiǎn)單加密，即發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)域做加0x33h處理，接收端做減0x33h處理，防止非專門技術(shù)人員進(jìn)行報(bào)文監(jiān)聽。

針對(duì)人機(jī)交互的功能需求，擴(kuò)展了讀開關(guān)量狀態(tài)、讀模擬量采集碼、發(fā)控制輸出命令、設(shè)置定值等功能碼和幀格式，并在FTU應(yīng)用軟件中擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了這些通信業(yè)務(wù)，配合手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

2 智能手機(jī)人機(jī)交互APP設(shè)計(jì)

2.1 APP方案

為了使用智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)FTU的人機(jī)交互界面，所設(shè)計(jì)的APP小程序必須具有如下功能：與管理中心服務(wù)器的GSM通信，使用動(dòng)態(tài)口令進(jìn)行身份驗(yàn)證；FTU的人機(jī)交互界面；與FTU的人機(jī)交互通信，如圖2所示。

圖2 智能手機(jī)APP工具的功能

圖2中，F(xiàn)TU通過功能擴(kuò)展已實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙通信鏈路，并具有MMI通信業(yè)務(wù)的功能，手機(jī)APP采用擴(kuò)展的類Modbus協(xié)議與之通信，實(shí)現(xiàn)MMI界面實(shí)時(shí)更新功能；智能手機(jī)采用4G網(wǎng)絡(luò)通信，與管理中心服務(wù)器進(jìn)行加密通信，獲取驗(yàn)證碼，得到操作授權(quán)，而后手機(jī)進(jìn)入MMI界面，進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互工作；管理中心服務(wù)器具有用戶名、手機(jī)號(hào)綁定功能，自動(dòng)發(fā)送并檢測(cè)驗(yàn)證碼，向手機(jī)APP發(fā)送操作授權(quán)；手機(jī)APP獲得操作授權(quán)之后，如果10分鐘內(nèi)不再進(jìn)行MMI操作，則自動(dòng)取消授權(quán)，如需繼續(xù)操作，要重新獲得管理中心授權(quán)。

手機(jī)APP選用了基于 Android 平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)，使用 Eclipse 作為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)上述功能。

2.2 動(dòng)態(tài)口令驗(yàn)證

由于FTU能控制配網(wǎng)分段開關(guān)分合，其Flash中存儲(chǔ)的保護(hù)定值也是非常關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)FTU的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)需要在授權(quán)下謹(jǐn)慎為之。而智能手機(jī)是廣泛使用的移動(dòng)設(shè)備，使用其作為FTU的維護(hù)終端必須要有嚴(yán)格的安全措施。為了達(dá)到這一目標(biāo)，這里借鑒手機(jī)電子商務(wù)中動(dòng)態(tài)身份驗(yàn)證的方法，對(duì)智能手機(jī)的身份進(jìn)行驗(yàn)證，確保萬無一失。

動(dòng)態(tài)口令驗(yàn)證技術(shù)有多種類型，這里使用了挑戰(zhàn)/應(yīng)答方式(Challenge/Response)的身份驗(yàn)證技術(shù)，認(rèn)證服務(wù)通過手機(jī)短信方式實(shí)現(xiàn)，在企業(yè)信息管理系統(tǒng)中進(jìn)行身份驗(yàn)證，這種方法具有技術(shù)簡(jiǎn)單、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)[15]。

圖3 挑戰(zhàn)/請(qǐng)求方式的認(rèn)證過程

其驗(yàn)證過程如圖3所示。圖中，U為User，即用戶名；IP在手機(jī)驗(yàn)證時(shí)不使用；Umpn即User mobile phone number，手機(jī)號(hào)；R為驗(yàn)證碼，T為TEA加密算法，Code為靜態(tài)口令。APP啟動(dòng)過程中，用戶必須首先完成登錄，才能進(jìn)入MMI交互界面。

管理中心服務(wù)器采用GPRS+SIM模塊方式實(shí)現(xiàn)手機(jī)短信通信，服務(wù)器軟件負(fù)責(zé)用戶名和手機(jī)號(hào)綁定，并通過動(dòng)態(tài)驗(yàn)證碼進(jìn)行身份驗(yàn)證。手機(jī)APP和服務(wù)器軟件采用現(xiàn)有常用的TEA算法(Tiny Encryption Algorithm)實(shí)現(xiàn)短信內(nèi)容加密[15]，確保身份驗(yàn)證過程中的安全性。手機(jī)MMI界面如果10分鐘內(nèi)無有效操作，APP將自動(dòng)退出登錄狀態(tài)。

2.3 MMI人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面使用xml布局文件設(shè)計(jì)，包括操作菜單、主信息顯示、運(yùn)行狀態(tài)/告警指示三個(gè)區(qū)域，以用戶喜聞樂見的界面展示MMI的輸出畫面。

2.4 與FTU數(shù)據(jù)通信

手機(jī)APP采用藍(lán)牙方式與FTU通信。通信之前，先使用手機(jī)的“設(shè)定”功能，實(shí)現(xiàn)FTU藍(lán)牙設(shè)備的掃描和配對(duì)，配對(duì)成功之后方可使用手機(jī)的這一功能。

手機(jī)APP啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)用戶選擇，使用指定的藍(lán)牙配對(duì)與FTU進(jìn)行P2P通信。為了實(shí)現(xiàn)底層類Modbus協(xié)議通信，這里使用了藍(lán)牙Socket通信編程技術(shù)，并使用子線程和輸入/輸出流(InputStream/OutputStream)在底層實(shí)現(xiàn)報(bào)文交互。為了從所接收字節(jié)流中識(shí)別Modbus報(bào)文幀，線程按照Modbus幀格式中的ID、FUNC、LEN、BODY、CRC等字段構(gòu)建上下文相關(guān)的狀態(tài)機(jī)，自動(dòng)搜索報(bào)文，防止ID與報(bào)文字節(jié)值相同而發(fā)生幀失步的情況。子線程自動(dòng)檢測(cè)請(qǐng)求幀和響應(yīng)幀之間的時(shí)間差，判斷通信流程是否超時(shí)，并進(jìn)行通信自愈和告警。收到完整報(bào)文、CRC校驗(yàn)正確之后將報(bào)文幀轉(zhuǎn)交主線程解幀處理。報(bào)文發(fā)送則相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算報(bào)文長(zhǎng)度之后，調(diào)用write和flush成員函數(shù)發(fā)出信息。主線程根據(jù)解幀的結(jié)果，刷新實(shí)時(shí)顯示的界面或告知控制操作、定值修改的結(jié)果。

3 調(diào)試與檢測(cè)

在完成FTU藍(lán)牙功能擴(kuò)展和智能手機(jī)MMI應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)開發(fā)之后，在實(shí)驗(yàn)室和工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)TU的升級(jí)工程中手機(jī)MMI子項(xiàng)目各項(xiàng)功能都能正常運(yùn)行，滿足用戶技術(shù)規(guī)范書的要求。

結(jié) 語