基于MDA的能源监测与评测系统设计

李 军

(武汉职业技术学院 电子信息工程学院，武汉 430074)

基于MDA的能源监测与评测系统设计

李 军

(武汉职业技术学院 电子信息工程学院，武汉 430074)

利用模型驱动架构(MDA)以及自动生成方法，针对企业用户的不同需求，为用户建立一种用例式的能源监测与评测系统。详细论述了系统软、硬件的设计方法，结果表明，该系统能确保企业对能源的合理使用和控制管理，提高能源审计效率。

模型驱动架构;能源审计;监测系统

能源数据具有标准化、专业化、科学化、时效性强的特点，采集难度较高。因此，企业能源监测系统必须满足专业性强、实时性好、可进行远程资料交换、可用性强的需求。另一方面，因企业千差万别，其能源类型、能源转换过程、能耗评估指标都存在着鲜明的区别，因此企业能源监测分析系统必须能灵活定制、可扩展功能、使用和操作方便等。利用MDA模型以及自动生成方法，为用户建立一种用例式的能源监测与评测系统的实施方法［1］。

图1 系统软件开发模式

1 系统软件开发模式

MDA(Model Driven Architecture，模型驱动架构)是一种新的用于编写规范和开发应用程序的途径。它把建模语言用作一种编程语言而不仅仅是设计语言，并以一种全新的方式将IT技术的一系列新的趋势性技术整合到一起。这些技术包括基于组件的开发、设计模式、中间件、说明性约束、抽象、多层系统、企业应用整合以及契约式设计等［2-4］。

在MDA模式的软件体系结构下，首先明确软件开发的模型、相关的数据组织方式以及和智能仪表的通信方式和契约，为建立软件体系结构以及CASE方法建立基本理论基础;接着对能源审计的业务流程进行详细分析，针对这些特点，提出一种根据以用户角色划分的CASE概念，然后建立一种软件体系结构与之相对应，如图1所示。

2 软件组件系统的实现

本系统的实现由4组子系统构成。

2.1 审计定制子系统

审计定制子系统包含了用户系统权限的分配和定制类别的生成。在定制系统的初期通过管理员的设置可以提供系统用户相关的使用权限和使用功能。使得用户在拥有的权限内进行细致的分工并进行操作。该子系统可以方便用户和管理员根据企业或用户的不同情况来定制系统实现的审计方式。用户可以方便地通过列表或要素查询来建立审计的相关领域选择以及扩展基础配置。通过管理员为用户实现的基础配置，用户可以将相关领域中包含的一些审计特点进行综合，并生成定制审计步骤、审计人员以及审计组织结构。管理员主要通过该系统定制客户需要的审计方式和相关规则，分配用户所需的级别和任务的实现方式，帮助客户定制相关的审计模式，从而使特定的用户可以直接使用管理员定制的审计方案和审计的流程。

2.2 数据采集子系统

数据的采集主要是为用户提供需要获取能源监控设备的实时信息，在通信接口中封装了现代工业场合应用比较普遍的Modbus协议和微软推出的OPC接口标准，以帮助用户在不同的场合兼容更多采集设备采集流程中数据被转化为标准的数据集，最终数据集会存储到定制的能源数据库当中，可以方便地提供数据的浏览和回放。回放方式采用的是提取数据集后动态地加载到内存中，以提高整体的访问效率和操作性。按国家相关标准［5-6］的要求，数据采集终端及监测网络的技术参数为:终端装置平均无故障时间30 000 h，快速准确采集、传输、显示数据，准确无误地记录公用动力能源系统、电力系统、配电设备、热力设备、燃料设备的全部参数，各参数测量误差不大于±1﹪。实时数据刷新时间响应小于1 s，测量误差不大于±0.5﹪，测量乱码率不大于0.1﹪。1路三相电能采集输入接口、2个能源计量仪表脉冲输入接口、2路标准工业模拟信号输入接口;具备数据通信接口，能与网络设备接口;具有大尺寸LCD屏幕和6个输入键，可实时显示数据采集状态;具有标准SD卡接口，可实现终端设备离网状态下的数据存储。

2.3 能源管理子系统

对于用户采集的数据笔者提供了比较先进的管理方式，所有的能源消耗和能源的使用都可以从数据采集子系统中方便地获取。在能源审计的初期，用户需要审计的信息以任务的方式保存到相应的数据文件中。数据文件中包含了用户定制的系统审计方案的要素信息和审计内容实现的细节，不同权限的用户通过修改、删除、挂起等操作可以方便地将相关的变化映射到处理的过程中，文件的最终生成包含了版本的信息和历史的修改记录。

2.4 能源分析子系统

分析的数据将以采集子系统中提取的数据集为数据评估和分析的基础，用户可以根据拥有的权限生成各种专题图实施最后的评估。其中的表现形式将以直观的饼状图、柱状图、趋势图显示。评估的报告将保存到数据库中。同时，保存的列表将以索引的形式存在，其对应的集数包含了所在子树的级数以及字段的相关信息。这样可以方便转换成不同类型的数据文件供用户打印和转发。

3 能源采集终端的功能实现

如何高效实时地完成能源数据的采集、分析、以及传输是本系统的关键。为此，针对能源审计应用的特殊需求，采用了较为成熟的嵌入式软硬件开发模型，将MSP430系列极低功耗处理器、实时多任务操作系统、通用数据通信协议、高精度信号处理算法、大容量固态存储介质等相结合，在单处理器系统结构下实现了能源数据的采集、分析、传输以及存储。

图2 能源采集终端设备结构示意图

本系统的能源采集终端设备，包括信号采集和分析处理单元，其结构示意图如图2所示。

3.1 硬件设计

人机界面及显示模块，采用了图形液晶及键盘输入，其电路结构如图3、图4所示。

图3 键盘电路

图4 液晶显示电路

键盘设置有6个功能输入;液晶电路支持多种规格液晶显示屏，背光可控制，对比度可调节:便捷的人机界面使得在工业现场能实现实时数据监测显示、参数设置等功能。

数据采集模块，实现模拟信号采集调理，本系统支持8路模拟信号采集，每一路采集电路的结构如图5所示。采用较高精度的rail-to-rail仪用运放调理信号，输入端保护，改变输入电阻的设置即可与不同工业标准的输入信号如0～5 V信号、4～25 mA信号相匹配。

通信模块设计支持多种网络的可配置结构，包括在一个串行通讯口上实现的可配置的RS232网络和RS485网络，其电路结构如图6所示。

如前所述，RS485网络输出均采用了最先进的ADI磁耦隔离技术，芯片响应速度(2 ns级)较传统的光耦器件大为提高，隔离电压也相应提高(〉25 kV/μs)。

图5 数据采集模块

图6 电路原理图-RS232

图7 电路实现原理图-RS485

在存储模块方面:传统RTU记录数据的方式有的局限于网络、有的局限于离线存储设备，本系统数据采集设备将二者结合起来，实现了更优化的数据存储解决方案，对于不便安装网络的现场，离线存储设备成为大批量数据的可靠选择，在网络处于检修或者忙状态，离线存储设备为实时数据记录备份。二者结合的另一优点在于系统可对离线存储设备的数据实施加密，读取时解密并可与网络传输数据比对，确保数据的真实性并为能源检测机构提供准确可信的数据，在本装置中已实现基于SPI方式的SD卡的FAT16文件系统，其记录的文件可方便地与主机进行交互，其原理图如图8所示。

输入输出部分，主要提供了数据的读入及输出。输入采用了先进的ADI磁耦隔离技术芯片。

由于应用模块化的设计思想，本系统中的设备跟传统能源计量分析设备相比，具有功能灵活配置，应用多样化、网络构建便捷，可根据用户需求进行最优组合。在线与离线数据具有比对性，提供准确可信数据等优点。

图8 存储模块

3.2 软件设计

由于中心处理单元采用16位高速低功耗MSP430处理器，充分利用了该处理器丰富的外设接口、以及内置高速16 bit乘法器。整个系统实现在高性能实时多任务操作系统上。

LCD显示模块由软件模拟读写时序，在处理器内部的FLASH中生成汉字字库，构建中文菜单。

SD卡实现通用的FAT16文件系统格式，其中存储的数据文件格式可灵活选择，基于windows等支持FAT16格式的操作系统可直接对文件进行读取，不用自己定义编码文件格式。FAT16最大可支持到2GB SD卡。可提供充分多的存储空间。

在RS232或者RS485的串行网络上，实现了工业标准Modbus协议的一个子集，与中央控制中心实现通讯。

对于输入模拟信号，每次采样周期的间隔可根据用户的现场需求进行配置，信号谐波分析点数同样可配置，在信息量与处理器负载之间取得平衡，对三相交流电能的每个周期内，可进行16点、32点、64点采样，由FFT分析采样数据后给出电能质量参数，对其他缓慢变化类型的信号如流量等则可采用间隔较长的采样方式。

4 结论

改变了传统设计中的结构模式，建立了基于MDA的能源监测与评测的系统，通过定制生成的流程管理链，方便地将能源计量与巡查、账目检查、报告汇总的工作规范化并为审计工作提供有力的原始依据，提高能源审计效率。系统的能源采集终端设备软硬件按照现场要求灵活配置，同一设备可应用在不同现场，采集分析不同的量，扩大了同一设备的应用范围。采集终端软件在开发设计时充分考虑到配置性、扩展性，创新性地实现了在嵌入式系统中软硬件模块化结合的设计思路。

［1］吴涌，钱俊彦，刘园.基于MDA的构件开发方法研究与应用［J］.微计算机信息，2010(27):198-200.

［2］焦德忠，刘勇.基于MDA和SOA的建模与设计研究［J］.通信技术，2010(5):204-205.

［3］张广胜，蒋昌俊，汤宪飞.面向服务的企业应用集成系统描述与验证［J］.软件学报，2007，18(12):3015-3030.

［4］侯金奎，万建成，张玉艳.一种支持 MDA的 PIM 建模方法［J］.计算机工程，2007，33(8):71-73.

［5］国家经贸委，国家技术监督局标准化司.GB/T 15316-1994节能监测技术通则［S］.北京:中国标准出版社，1995.

［6］中华人民共和国国家标准局.GB/T 6422-1986企业能耗计量与测试导则［S］.北京:中国标准出版社，1987.

MDA-Based Energy Monitoring and Evaluation System

LI Jun
(Department of Electronics and Information Engineering，Wuhan Polytechnic，Wuhan 430074，China)

According to user requirements，a model driven architecture(MDA)-based energy monitoring and evaluation system is built.The design of system software and hardware is described in detail.Results show that the system can help enterprises consume and control energy efficiently.

MDA;energy consumption;monitoring system

TP23

A

1008-5440(2011)04-0022-04

2011-09-11

湖北省教育厅科研技术研究计划指导性项目“基于MDA的能源监测与评测系统”(B20106001)

李军(1976-)，男(回族)，河南唐河人，副教授，硕士，研究方向:电力电子装置状态监控与故障诊断等。