建筑能耗数据采集与传输系统设计及实现.doc

1、DOI:10.13614/ki.11-1962/tu.2013.04.002第 29 卷第 4 期2013 年 4 月建筑科学BUILDING SCIENCEVol. 29，No. 4 Apr 2013文 章编号1002-8528( 2013) 04-0049-04建筑能耗数据采集与传输系统设计及实现赵亮，张吉礼，梁若冰( 大连理工大学 建设工程学部 ，大 连 116024)摘 要 针对国家机关办公建筑和大型公共建筑的能耗监测需求 ，本文设计研发了一款基于 STM32 处理器的数据采集 与传输系统 ，该系统由数据采集模块 、数据存储模块和数据传输模块 3 个部分组成 ，支持对建筑用电量 、用

2、水量 、用 热量等能耗 数据的信息采集 ，通过以太网将数据上传至数据中心服务器 。目前 ，该 系统已经投入使用 ，结果表明系统工作稳定可靠 ，能 够 完成能耗数据采集与传输的工作。关 键词 数据采集; 能耗监测; 建筑节能; 网络通信中 图分类号 TU17文 献标识码 ADesign and Implementation of Acquisition and Transmission System of Building Energy Consumption DataZHAO Liang，ZHANG Ji-li，LIANG Ruo-bing( Faculty of Infrastructure

3、 Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)Abstract In this paper，aiming at the demands of building energy consumption monitoring in government office buildings and large public buildings，a data acquisition and transmission system based on STM32 microcontroller was introduced T

4、his system consisted of data collection module，data store module and data transmission module，which could collect the energy consumption of electric，water and heat，and transmit them to the data center server At present，this system had been applied in some buildings，the results indicated that it coul

5、d completely satisfy the requirements of energy consumption acquisition and transmissionKeywords data acquisition，energy consumption monitoring，building energy efficiency，network communication0引言2011 年英国石油公司公布 的世 界能源统计年 鉴显示，我国能源消费 量占全球的 20. 3% ，首 次超 过了占全球能源消费量 19% 的美国1。 至此，我 国 已成为世界上能源消耗最大的国家，所 承受的节

6、能 减排压力之大不言而喻。随着我国城市化的快速发 展以及工业化进程的加快，建筑能耗逐年增加，能源 需求不断加大与能源相对不足的矛盾日益加重。目 前，建筑在使用过 程中的运行能耗已经超过了国民 经济总能耗的 27% ，建筑 与工业、交 通并列，成 为我 国能源消耗 的 3 大“耗 能 大 户 ”2 -4 。 因 此，建 筑 节 能已成为解决能源供应不足和提高能源利用效率的 重要途径之一，对 促进全社会节能减排有着重要意 义。而实现建筑节能的首要条件是掌握建筑用能情收 稿日期 2012 -11 -09作 者简介 赵 亮( 1983 -) ，男 ，在读博士研究生 联 系方式 zliangdut qq

7、 com况，进一 步 发 现 耗 能 突 出 的 问 题5。 在 此 背 景 下， 建筑能耗监测平台应运而生。1系统方案设计1. 1系统需求分析针对国家机关 办公建筑和大型公共建筑能耗 监测系统技 术 导 则 以 及高 等 学 校 校 园 建 筑 节 能 监管系统导则 中对数据采集器的需求分 析6 ，本 系统设计实现的数据采集器具备如下功能。1) 数据采集: 支持定时采集，周 期可以从 1 min 到 1 h 灵活配置; 支持同时对 64 台计量装置设备进 行数据采集; 支持同时对不同种类的计量装置进行 数据采集，包 括 电 能 表 ( 含 单 相 电 能 表、三 相 电 能 表、多功能电能表

8、) 、水表、燃气表、热( 冷) 量表等。2) 数据存储: 配置 2 GB 容量的 SD 卡存储 器， 可存储 1 个月的能耗数据信息。3) 数据传输: 支 持 同 时 向 2 个 数 据 中 心 ( 服 务 器) 发送数 据，因 传 输 网 络 故 障 等 原 因 造 成 传 输 中50建 筑 科 学第 29 卷断时，待恢复网络传输功能后，利用断点续传可将数 据进行重新传输。1. 2系统实现本 系 统 采 用 STM32F103VET6 作 为 核 心 处 理 器，该芯片是 STM32 系 列 的 增 强 型 芯 片，内 部 集 成 较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路。工作频 率为 72 M

9、Hz，具有 5 路 USART 串行通信接口、64 K 字节 SRAM 存储器，512 K 字节 Flash 程序存储器， 具有 I2C、SPI、SDIO 等多种通用串行通信接口，具有 较强的 抗 干 扰 能 力，在 工 业 现 场 得 到 了 广 泛 的 应 用7。采用 W5100 作为网络驱动芯片，该 芯片集成 了全硬件的 TCP / IP 协 议 栈，是一款多功能的单片 网 络 接 口 芯 片8。 具 备 SPI 通 信 接 口，方 便 与 STM32 控制连接，可支持 4 个独立端口同时运行，满 足国家导则 的 要 求。 存 储 模 块 采 用 SD 卡 实 现，通 过高速的 SDIO

10、 通信接口与 STM32 处理器进行数据 存取。数据采集器系统硬件结构模型如图 1 所示，主 要分为 STM32 核 心 控 制 模 块、数 据 采 集 模 块、数 据 存储模块、网络传输模块、硬件看门狗模块等几个部 分。其中核心控制模块由系统复位电路 、时钟电路、 JTAG 调试电路以及串口监测电路组成。图 1 数据采集器硬件结构图 1. 3系统工作流程依照国家导则，数据采集器与 数据中心之间的 通信流程如图 2 所示。数据中心服务器需要提供 1 个独立的公 网 IP 地 址 以 及 相 应 的 TCP 通 信 端 口。 首先，服务器开启数据采集软件程序，打开端口进行 TCP 监听; 数据采

11、集器开始工作后主动向数据中心 发起 TCP 连接，成 功 建 立 连 接 之 后，服 务 器 对 该 数 据采集器进行身份验证，身份验证通过后，数据中心 向数据采集器下发配置包，其中包括对应该采集器 的末端仪表地址、编 号、定时采集 周期等相关信息。数据采集器解析配置包之后 ，进行数据采集、数据存 储、网络传输的循环过程。数据采集器工作过程中， 定时向数据中心发送心跳数据包监测网络连接的状 态，一旦发现连接断开，则进行重新连接。应用层数 据包使用 XML 格式进行编码，以文本形式进行数 据 远传。图 2 数据采集器和数据中心通信流程图 2系统关键技术分析2. 1数据采集模块数据采集模块采用 R

12、S485 总线接口，计 量仪表 的通信协议主要是 Modbus-RTU 协议。 RS485 总线 具有结构简易、成本低廉、方便与现场仪表对接等特 点9。Modbus 通信协 议 的 优 点 是 信 号 传 输 稳 定 可 靠、容错能力强、软件编程较容易实现。采集模块首 先查找配置包中的各模块的通信地址 ，按 照地址进 行循环读取。采集程序流程如图 3 所示，为 了保证 系统 RS485 网络的正常工作，通 信过程中必须进行 超时检测。 一 般 取 超 时 时 间 T 为 系 统 正 常 通 信 时 间的 3 5 倍，当系统超时后，如果从端没有反应，则 退出本次采集，重 新发送该模块的采集指令进

13、行再 次采集程序，延时一段时间后，重新对该模块进行采 集，同时 超时计数器加 1，当 计数器 累 加 到 3 时，判 定该支路模块为物理故障 ，放弃对其进行采集，记录 该支路信息，跳 过 该 模 块，采 集 地 址 加 1，继 续 其 余第 4 期赵 亮 ，等 : 建筑能耗数据采集与传输系统设计及实现 51模块的采集工作。图 3 数据采集流程图 2. 2 数据存储模块按照数据 采 集 器 最 多 挂 载 100 个 计 量 模 块 计 算，这里以 电 量 仪 表 为 例 ( 电量 仪表的测量参数最 多) ，具体格式如下: MeterModule _ 01AF _ CMName = “14010

14、0 Fn20201A001” F_UA xxxx / F_UA F_UB xxxx / F_UB F_UC xxxx / F_UC F_IA xxxx / F_IA F_IB xxxx / F_IB F_IC xxxx / F_IC F_ZP xxxx / F_ZP F_ZQ xxxx / F_ZQ F_COSF xxxx / F_COSF F_PA xxxx / F_PA F_PB xxxx / F_PB F_PC xxxx / F_PC F_OrigValue xxxxxxxx / F_OrigValue / MeterModule_01A 测量参数包括累计电量、三相电压、三相电流等 共计

15、 13 项，334 Bytes。 取 1 min 为最小采集周期， 则每天的 数 据 总 量 为 24 h 60 min 334 Bytes 100，约为 45. 9 MB，1 个 月 的 存 储 所 需 空 间 为 31 45. 9 MB = 1 423 MB。本系统采用 2 GB 的 SD 卡作 为存储介质，可 以 满 足 1 个 月 的 存 储 需 求。 STM32 处理器可以通过 SPI 或者 SDIO 两种通信方式与 SD 卡进行通 信。 本 系 统 中 采 用 的 是 SDIO 总 线 模 式，分为主机( HOST) 端和设备端( DEVICE) 两端，所 有 的通信都 是 由 H

16、OST 端 发 出 命 令 开 始 的。 DEVICE 端只要能解析 HOST 的 命 令，就 可 以 同 HOST 进 行 通信。本系 统 在 SD 卡 中 建 立 1 31 个 文 件 夹，代 表每个月的 1 31 日，每 天的数据存入对应的文件 夹中。2. 3 网络模块网络模块主要负责接收服务器下发的配置信息 以及将能耗数据上传。网络模块软件程序主要分为 以下几个部分。1) 初始化: 对 W5100 的 MAC 地 址、默 认 IP 地 址、默 认 网 关 地 址 设 定，初 始 化 SOCKET0 和 SOCKET1，并设置为 TCP 客户端工作模式。2) 客户端 配 置: 数 据 采

17、 集 器 工 作 之 前，需 要 对 其网络信息进 行 重 新 配 置，主 要 包 括 建 筑 ID、数 据 采集器 ID、配置真实的 IP 地址、网关 地址、1 号服务 器的 IP 地址、1 号服务器通信端口，2 号服务器的 IP 地址、2 号服务器的通信端口。3) 接 收 数 据: 数 据 接 收 采 用 中 断 方 式，当 W5100 接收缓冲区收到数据之后，会 产生 1 个中断 信号，通过处理 器的中断处理程序进行解析。 根据 接收的 XML 文件中 TYPE 类型进行解析，协 议分为 以下几类: 配置包、心 跳包、故 障包、能 耗数据包、应 答包。4) 发送 数 据: 能 耗 数 据

18、 发 送 的 流 程 如 图 4 所 示，首先根据当前 时间信息进入相应的目录读取文 件，然后分别发送 文件名、文 件大小，通 知数据中心 做好接 收 准 备，之 后 开 始 发 送 能 耗 数 据 包。 尽 管 TCP 提供的是面向连接的、可靠的数据流传输，但 实 际应用中因服务器与客户端之间距离较远 ，网 络质 量参差不齐，为了保证数据传输的稳定可靠，程序中 启用多重( 3 次) 发送机制。5) 断点续传: 当网络堵塞或者服务器掉电等原 因导致数据上传失败时，首 先记录传输失败时对应 的时间节点，待网络传 输功能恢复之后，从 SD 卡中 按照时间节点读取能耗数据包，重 新发送至数据中 心。

19、2. 4 稳定性可靠性设计由于本系统的工作环境多位于强电配电间 ，电 磁干扰、辐 射 干 扰 较 强，现 场 的 RS485 总 线 传 输 距 离相对较长，因此 必须采取一定的抗干扰措施以保 证系统稳定可靠地运行。52建 筑 科 学第 29 卷图 4 能耗数据传输流程图 从硬件、软 件 以 及 现 场 布 线 等 方 面 予 以 考 虑。 硬件方面首先对电路板电源电路进行滤波 、去 耦处 理，加入过流保护装 置。 RS485 电路采用 DC-DC 电 源隔离，A、B 通 信 线 上 接 入 瞬 态 抑 制 二 极 管，使 系 统具备自恢复功能。最后将数据采集器安装在 1 个 近乎封闭的金属盒

20、内，使其具有较好的电磁屏蔽功 能。软件方面主要是采用重复采集技术 、重 复发送 技术、断点续传 等技术。 现场采用优质屏蔽双绞线 作为 RS485 通 信 传 输 线 缆，总 线型结构布线方式， 当总线传输距离过 长，在 相 应 的 节 点 处 加 入 RS485 中继器加强总线信号。3系统应用目前该数据采集与网络传输系统已经在辽宁省 机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台以及山 西省太原理工大学建筑能耗监测平台投入应用 ，经 过 2 年多的连续运行，可 知该系统稳定可靠。 在辽 宁省选取的 50 栋建筑中共安装 56 块数据采集器， 在太原理工大学项目中共安装 40 余块数据采集器。 图 5

21、 为辽宁省项目中能耗监测平台的数据展示图。图 5 建筑能耗监测系统实时数据图 4结论本系统采用工业级 ARM 芯 片 作 为 处 理 器，实 现对建筑内 电 量、水 量 等 用 能 信 息 的 采 集、存 储 工 作，采用硬件集成以太网协议 的网络芯片 W5100 实 现数据的网络传输功能，支持多个目标上传，实现了 数据的断点续传等功能。实际工程项目表明该数据 采集器能够满足建筑内各用能信息的数据采集 、存 储以及网络传输等要求。参考文献1 Company B Statistical Review of World Energy 2011 R 2011 2 Na Wei，Wu Yong，Son

22、g Yan，et al Government management and implementation of national real-time energy monitoring system for China large-scale public building J Energy Policy，2009 ，37 ( 6 ) : 2087 2091 3 Chen Yong-pan，Mu Xian-min，Zhang Ji-li，et al Development of monitoring system of building energy consumption C / / Pro

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