基于物联网的能耗数据采集系统的研究

程银宝，张孝军，吴 军，范 超

（1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009；2.安徽省计量科学研究院，合肥 230051）

0 引 言

目前，我国的能源消耗监管体系仍停滞在起步阶段，缺乏系统化、信息化的处理方式，跟不上国家节能减排政策方针的步伐。本文将物联网技术应用到能源监测系统中，便于政府和企业对能耗数据进行全面的科学监控，并通过信息化平台对能耗数据进行处理，既有利于政府对能源利用状况和能效水平进行监督，又能为企业进行节能技术改造提供可靠的依据。

物联网是指通过信息传感设备如GPRS、射频识别（RFID）等，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。物联网技术包括传感器技术、网络技术和后台处理技术。虽然国内的物联网技术与国际先进水平相差无几，但实际应用较少，如何找好切入点，推进物联网技术的实际应用且形成产业链，并在应用的过程中进一步加强研究以提高可靠性与实用性，同时进行技术的深度开发、提高，是目前亟待解决的问题。

本文介绍的基于物联网的能耗数据采集系统，可对企业或公共机构单位的能耗数据情况实现实时在线采集，以及实现能耗数据的统计、分析、查询等功能。当企业或公共机构单位的能耗数据出现异常时能及时自动预警，系统通过对能源信息数据进行分析，并借助能源审计模型进行仿真后，为决策者提供一个科学、合理、优化的能源实施方案。

1 系统总体框架

通常情况下，物联网系统由感知层、网络层和应用层构成[2]。感知层主要包括各种信息传感技术，进行数据的识别和采集。数据的采集是网络层和应用层进行活动的基本条件，因此感知层的活动至关重要。网络层包括互联网、3G无线网络和物联网的信息中心等。当感知层的信息传到网络层时，由网络层进行转换与处理，并储存数据以等待应用，网络层是感知层和应用层的中间环节，起着承上启下的作用。应用层将网络层所储存的数据运用到实际应用中。

本系统从底层逐级向上可分为3个层次，分别是：能源计量数据采集、通讯网络和能源计量数据公共平台。能源计量数据公共平台通过通信网络与能源数据采集终端交换数据、发起和应答指令。现场有一套或多套能源数据采集设备，能源数据采集设备具有模拟或数字输出接口或通信接口，连接到独立的能源数据采集终端，能源计量数据公共平台通过数据采集终端实现数据交换和收发指令。系统的数据结构见图1。

2 能耗数据采集

图1 系统的总体框架Fig.1 Overall framework of system

能源计量传感器的种类繁多，除电表外，其他的通信协议均无相关的国家标准。本文研究一套能支持多种不同协议的能耗数据采集终端，该采集终端拟通过模拟量、485、串口、以太网等接口采集各种传感器的数据，并对采集的各类参数进行存储和处理，并按 “能源数据传输标准”依靠GPRS把数据上传至数据中心。

2.1 硬件结构

硬件结构的设计需考虑以下几点：

1）远程通讯功能。可将所采集的数据信息通过网络送回数据监控中心；

2）数据存储功能。避免通信中断后出现数据丢失的情况，采用RAM暂存采集的数据，待通信恢复后，与主机的数据保持同步更新；

3）屏幕显示功能。液晶触屏显示，可方便查看并设置参数，实时显示各个参数采样值。

本数据采集终端反映了能源计量技术发展的趋势及其需求的方向。针对这些需求，本系统采用ARM9微处理器平台，以满足系统要求为前提减少外围电路的扩展，提高系统的整体性能。硬件结构框图见图2，人机接口采用240×320液晶触摸屏接口，终端与远程监控之间通过以太网来通讯，串口的扩展采用MAX3232。以太网芯片采用比较常用的10／100M自适应以太网接口芯片DM9000。由于系统对数据存储的点数要求较高，故采用32M的RAM卡进行存储。

2.2 软件设计

嵌入式Linux操作系统具有源代码公开、内核功能强大、支持多种硬件平台、网络通信功能完善、友好的GUI界面、支持多种文件系统、驱动丰富且可支持周边设备等众多优点[3]。数据采集终端的功能模块构建于嵌入式Linux之上，采用了较为成熟的Linux 2.4内核[4]。为实现能耗数据采集终端的功能，将软件划分为3个模块，分别负责：与远程监控站的通讯，与现场仪表的通讯以及处理人机交互。模块划分见表1。

图2 硬件结构Fig.2 Structure of hardware

表1 软件模块划分表Table1 Partition of software modules

其中，与远程监控站的通讯需要实现应用层协议，协议的实现需考虑传输效率、移植和能否方便传输多种类型数据等因素。为便于管理员查询信息，系统同时提供基于浏览器／服务器模式的浏览方式。通常有两种做法：①在数据采集终端上移植嵌入式web服务器，管理员访问集中器上的数据库；②将数据存储于监控站并建立web服务器，用户通过浏览器访问监控站上的数据库。与现场仪表之间的通讯需要实现485总线通讯协议层。人机接口模块引入嵌入式图形接口 MiniGUI[5]，需要对用户界面进行移植，包括：驱动程序的编写、图形用户界面输入接口层移植，以及用户界面和界面功能的实现。人机接口开发的难点在于LCD触摸屏驱动开发和 MiniGUI输入接口层的移植[6]。另外，在与监控站通讯模块、与采集终端通讯模块实现通讯的同时，还应负责采集数据的存储。人机接口模块需负责采集数据的检索等。各模块用线程实现，一个模块对应于一个线程。线程之间通过全局变量和互斥锁（Mutex）来共享数据，对于所采集的能耗数据则通过文件进行共享。

2.3 数据接收与处理

对数据采集终端上传的数据包进行校验和解析，规范化采集时间，根据能源采集器的情况构造用能模型，并根据用能模型对原始采集数据进行拆分计算得到分项能耗数据，并将原始能耗数据和分项能耗数据保存到数据库中。由于监测企业用能情况的复杂性和能耗监测项目预算成本的控制，很多能源的消耗需要间接计量。理清用能支路和分项能耗的关系，采用加法、减法、拆分、百分比预估等方式，结合企业能耗指标计量设计方案，得到合理的分项能耗数据。

在数据采集过程中，采集对象和采集指标需要遵循相关的通信协议进行数据传输，数据采集子系统中数据采集器到数据中心（或数据中转站）的连接方式、传输过程及通信协议则需要遵循传输协议的规定。系统不仅需要处理通过自动方式采集的能耗数据，还需要处理人工方式录入的能耗数据，比如煤耗、油耗。数据采集子系统分为以下几个模块：

1）数据传输：接收从数据采集终端发送来的数据，能够处理大量的并发请求，针对接收的数据能够进行异步处理，既针对原始数据包进行存储，又将接收到的数据路由到数据处理子系统进行处理，还能支持数据采集器的断点续传。

2）数据校验：检查校验数据包的合法性，数据包格式是否正确，数据包包含的信息是否完整，数据包目的地址是否正确，数据采集时间是否合法，数据中心是否存在与数据包指定能源匹配的信息等。

3）采集故障检测和补招：当现场仪表、采集终端发生故障造成数据上传不正常时，系统可实现自动提示告警，并指出相应的数据信息、提示故障可能的原因，因主机系统故障未能自动抄录的数据，在系统恢复正常后，可实现数据自动补招。

4）数据包解析：解析接收到的原始数据包为系统可以识别的数据格式，调用 “数据持久化”模块对原始能耗数据进行保存。

5）归一化预处理：将原始能耗数据不规范的采集时间规范到标准时刻，同时对不同的采集频率、不同的计量单位等进行归一化预处理，为下一步的拆分计算做好准备。

6）拆分计算：根据数据包中的能源数据采集终端设备标识，调用该设备的配置信息，对能耗数据进行拆分计算。能源数据采集终端设备的配置信息记录了使用该设备的企业的各路通信及对应的能源名称，通过计算相同能源的各路通信接收数据的合计，得到该能源的能耗数据。

7）数据持久化：永久性保存能耗数据到数据库，包括原始数据和归一化并拆分之后的分类分项能耗数据。基于云存储架构的能源计量数据存储体系，包括存储服务器集群、分布式数据库、基于云存储架构的快速搜索算法等，这一存储体系模块具备大容量、高扩展性、快速定位搜索的优点。

8）运行维护：具有看门狗功能，可监测接收线程是否正常，保证系统24h正常运行；同时系统支持远程终端软件升级功能，支持远程数据采集终端通讯规约升级功能。

3 无线传感网技术

物联网的基础是传感器，包括射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等传感器[2]，而能耗数据采集系统中采用的传感器种类繁多且装置复杂，目前基本的能源都可以计量，只是某些计量装置需要改造，例如煤计量的装置就有多个，有锅炉、煤气发生炉。进煤方式也多种多样，有皮带机输送，翻斗上煤，吊斗上煤等。目前大多数能源没有安装计量装置，要实现实时采集各种能耗数据，必需研发适合这些装置的自动采集传感器。目前能耗数据采集传感器的联网主要是有线方式，如485总线、以太网、过程现场总线等，由于多数企业和公共机构没有实现传感器联网，如果要重新铺设电缆，造价很高且施工复杂，因此本文采用的无线传感网技术是建立能耗数据采集平台的一个重要条件。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在企业内大量的能源传感器节点以无线通信的方式形成的自由组织的网络系统[7]。节点可以自组网，多跳，单个节点体积小，资源简单、耗电低、可以做到一个电池能用数年不用更换。无线传感网具有施工简单、成本低、组网方便的特点，无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景[8－9]。

4 实验结果

系统对所监测的企业用能情况进行各种分析，以折线图、直方图、饼形图和表格等形式进行显示。可选择时间段、行业种类、能源种类等条件。包括总能耗分析、能源对比分析、综合分析、综合对比分析、单耗分析、班组分析、热效率分析等。

将系统与安徽省某工业企业的能源计量仪表相匹配，监测企业日常的电力和天然气消耗，其中，电力消耗数据的采集按照生产线的不同布置了多个采集点，该企业仅有一台锅炉消耗天然气，因而天然气采集总体数据，能耗数据采集的结果见图3。

图3 能耗数据采集结果Fig.3 Results of energy consumption data collection

系统除实现能耗数据实时采集外，还可实现对能耗数据进行统计、分析和查询等功能，如图4显示的实现对企业不同月份间进行能耗数据分析比对，以及实现对不同能源种类的消耗量进行量化统计分析。

5 结 语

本文通过实时在线采集的能耗数据建立能源监测平台，可形成能耗检测平台数据的现代化计算机网络体系。研究建立的统计信息公共通讯服务平台具有多地域、多层次的开放性，实现数据共享、综合统计，远程终端访问、数据库查询等服务功能。经过试点企业的实验验证，本系统可对企业和公共机构的日常能耗数据实现实时在线采集，实现能耗数据的统计、分析、查询等功能。

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