高校能源管理系统EMS平台研究与构建

顾奕腾 叶小艳 张芒等

摘 要：文章提出了一个基于高校能源管理系统的设计方案，使用一种应用于能源管理系统数据采集接口的以太网控制器，以C8051F340、Windows操作系统的PC机、AD7755电量采集模块构建能源管理系统的物理架构。采用C51语言和C#进行编程，利用TCP协议实现上位机和下位机之间的通信，完成数据采集及发送。该系统解决手工抄表效率低下的问题，将数据存储、管理和利用，对数据进行有效的监测与分析，改变用能不可见、不可控的现状，降低能耗成本，响应国家节能的政策要求等具有一定的实用价值。

关键词：C8051F340；以太控制器；数据采集；能源管理系统

中图分类号：F206 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）17-0056-03

近年来，高校扩大办学规模、校园师生数量上升，教学设施增加，加速了能源的消耗。高等院校作为社会的重要组成部分，要积极抑制能源的不合理增长。贯彻落实科学发展观，加强资源节约型、环境友好型校园的建设，节约不必要的校园开支、提高办学的效益，为学校可持续发展奠定基础，这就需要利用能源管理系统对将能源数据采集、存储、管理和利用，改变用能不可见、不可控的现状、降低能耗成本。以往人工进行抄表工作，不仅耗费时间长，还不能及时有效地对数据进行分析，加上手工录入数据效率低下、正确率也受影响，统计报表问题自然是一项大工程，仅凭人力监管已经不能满足当下的需求。随着互联网的普及与应用、网络逐步趋向智能化，高校广泛应用以太网技术，本文对基于高校能源管理系统进行了设计，给出基于以太网的远程数据采集方案。

1 系统结构

1.1 系统的物理结构

运用以太网技术实现采集层与应用层层之间的数据传输，采集层由微控制器组成，微控制器通过ADE7755与电表进行连接，一个区域范围内的微控制器通过网线与交换机连接组成一个采集点，各采集点之间通过路由器连接组成以太网，在应用层的PC机通过以太网连接核心路由，通过核心路由与微控制器进行通信，实现数据采集。物理结构如图1所示。

1.2 系统逻辑结构

本系统的电量数据由数据采集结点通过以太网与应用层的的PC机进行通信，将数据传输到PC机上，PC机将数据存储到数据库服务器上。

用户使用查询等需要使用到数据的功能时，再经PC机从数据库服务器读取数据。系统的数据流向如图2所示，本系统设计了一个采集接口，完成了数据采集的功能。

2 采集层硬件选择

2.1 CP2200以太网控制器

CP2200由Silicon Laboratories公司开发的以太网控制器，性能较好，集成了IEE802.3以太网媒体访问控制器、10 Base-T物理层，片内具有2 KB的发送缓存和4 KB的接收FIFO。

FLASH存储器容量为8 KB，用作非易失性存储器，其最后6个存储单元存放工厂预编程的唯一48位MAC地址8位并行接口可以工作再复用或非复用方式，支持Intel及Motorola两种总线方式（由MO-TEN位选择），有多种中断源，连接/活动LED指示，上电复位，I/O口均耐5 V电压。

2.2 C8051F340微控制器

Silicon Laboratories公司推出的这款完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核，自带64 KB的FLASH ROM，256+K字节的RAM和外部并口数据存储器XRAM，最重要的是因为主要是为TCP/IP协议族的嵌入提供了较大的数据处理空间和稳定性。

2.3 AD7755

AD7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。该器件规范超过IEC61036标准规定的精度要求。AD7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。

所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。

电流通道提供高增益模式，可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围，因而选用它。

3 AD7755与微控制器接口

使用CF高频输出，频率设置为2048（F1，F2）。这要求设置高频（SCF=0和S0=S1=1），见表1。

当满度交流信号添加到模拟输入端的时候，CF输出频率可在5.6 kHz之间波动。方案可以数字化输出频率，实现平均作用如图3所示。

如图所示，频率输出CF端接到MCU的计度器或端口，MCU在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率，由下式确定：

平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间；

在一个积分周期内消耗的电能为：

电能=平均功率×积分时间=（脉冲个数/积分时间）×积分时间=脉冲个数。

4 软件设计

4.1 下位机软件设计

在初始化的时候进行IP的设置和子网掩码的设置

微控制器通过接收脉冲个数计算用电量，以两个脉冲为0.001度，通过void read_DL_input（void）函数进行换算。

4.2 上位机软件设计

上位机软件采用基于.net framework 4.0框架，C#语言开发，利用TCP传输协议，采用Socket类对下位机进行连接，从而产生通信，发送采集命令得到数据的返回。将上位机作客户端，下位机作服务端，向正在监听的服务端发送命令请求，得到服务端的数据回复。如果服务端出现故障无法回复，则会记录故障的服务端IP，从而对其进行检修。

客户端采集流程如下：

①利用TcpClient的构造函数创建一个TcpClient对象；

②使用Connect方法进行连接。

③利用TcpClient对象的GetStream得到网络流，然后利用该网络流和服务器进行数据通信。

④创建线程对指定端口进行监听，对服务端发送的数据进行监听。

⑤完成采集工作的时候，发送关闭连接的指令，关闭与服务器之间的连接。

之所以选择TCP协议而不使用UDP协议为传输控制协议，综合UDP和TCP协议的优缺点，基于TCP是面向连接的、可靠的传输协议，传输的数据不丢包、能进行错误检测等优点，最终采用TCP作为数据传输协议。

主要功能模块为数据采集模块和记录查询模块，其他功能模块基于这2个模块继续拓展，主界面，如图5所示。

5 系统测试

首先，打开数据采集界面，搜索一个采集点的所有微控制器的信息，点击全选，对该采集点进行电量的采集，采集结束后，显示采集成功和失败的信息，采集界面，如图6所示。

然后，打开数据查询界面，对采集的数据进行验证，经验证，采集到的数据存储到数据库中，数据查询界面，如图7所示。

对系统采集功能进行测试，经测试，系统能够快速地完成数据采集，采集到的数据能存储到数据中。

6 总结与不足

本文设计了应用于高校能源管理系统数据采集接口的以太网控制器，解决AD7755与微控制器（MCU）接口问题，使用AD7755进行计量，解决了电量采集问题。

完成能源管理系统的构建，使用TCP/IP协议实现了数据采集的功能，完成了远程集抄，解决人工抄表带来的效率低下问题。

为能源管理后续功能的开发奠定基础，唯一的不足之处是当微控制器掉电之后，存储在微控制器本身的电量变量会初始化，这里提供两种解决方案：

①利用SD卡，将电量变量存储在SD卡中。

②使用EEPROM，只要5 min内未检测到脉冲就将电量变量存储到EEPROM中，微控制器初始化的时候在EEPROM中读取电量变量，前提是为微控制器提供外接电池，提供断电后的电源供应。

在后续研究中将考量两种解决方案，完善能源管理系统，并对报表和图表等相关功能进行后续的开发。

参考文献：

[1] 王旭东.试论高校校园能源管理网络平台之构建[J].职业教育研究，2011，（3）.

[2] 喻向阳，郭丽.基于CP2200的数据采集接口[J].化工自动化及仪表，2007，（6）.

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[4] 李剑.单相智能复费率电能表的设计与开发[D].上海：同济大学，2008.

[5] 郑宇.远程电力抄表系统[D].贵州：贵州大学，2008.