基于MQX的能耗数据采集器的设计与实现

杨琳芳,曾保权

（1.河源职业技术学院电子与信息工程学院，河源517000；2.广东雅达电子股份有限公司广州研发中心，广州513500）

基于MQX的能耗数据采集器的设计与实现

杨琳芳1,曾保权2

（1.河源职业技术学院电子与信息工程学院，河源517000；2.广东雅达电子股份有限公司广州研发中心，广州513500）

在公共建筑能耗、城市能耗监测系统中，能耗数据采集器作为核心的专用数据采集设备，为能耗监测及管理提供有力的数据之源，以FreeScale MQX嵌入式实时操作系统为核心设计的能耗数据采集器，具有实时性好、多任务并发性、面向组件的架构等优点，根据国家能耗数据采集及传输相关技术导则，实现能耗数据的数据采集、数据存储、数据传输、配置和维护等功能，并通过区域性的专门产品测评，在实际项目运用中，取得良好的运行效果，提高能耗监测系统的稳定性与可靠性，提升节能管理工作的效率。

能耗监测；MQX；数据采集；能源管理；产品测评

0 引言

能耗数据采集器是专门针对国家机关办公建筑和大型公共建筑以及节约型高效节能监管体系建设的市场需求而设计的一款水、电、燃气、热量和其他能源的一体化能耗数据采集器,适合应用于企业能耗数据采集、公共能耗数据采集、建筑能耗数据采集等领域。

能耗数据采集器具备一个10M/100M高速的以太网RJ-45通讯接口、大容量存储介质TF卡（4G）、5路全隔离工业RS485总线接口，其中4路用于采集、1路用于调试。支持硬件看门狗、支持市电220V输入、多重电源保护、抗雷、抗静电、过流、防接反保护等，还具备协议在线自定义等功能，以实现针对基于RS485总线的各种不同通信协议设备的数据采集、历史存储、远程传输，并具备一定的数据分析处理、故障定位和提示等功能。采集器每路RS485支持32个（仪表）设备，4路串口总共支持128个能耗计量设备；每个采集RS485串口均支持《GB/T19582-2008基于Modbus协议的工业自动化网络规范》、《DL/T645-1997多功能电表通信规约》、《DL/T645-2007多功能电能表通信协议》、《CJ/T188-2004户用计量仪表数据传输技术条件》等规定的通信协议，且可独立配置，也可以根据不同采集方案采集不同的数值；支持同时与3个服务器间的通信；支持2年以上历史数据的保存。

MQX实时操作系统可用于多种模式的处理器，如单一处理器、多处理器及分布式处理等。该系统具有面向组件架构的特点、可灵活配置多种组件，如网络、数据通讯、数据存储等应用，且方便裁剪、便于使用、具有轻量级存储组件、内存池管理、优良的任务与调度机制等，所有这些优点及特征，实际运行效果证明，选择MQX实时操作系统来开发能耗数据采集器是符合实际项目需求的。

1 系统设计

采集器按照工业级产品的要求设计，功能符合《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则》和《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则》的要求。

按照建筑能耗监测系统数据传输技术导则的相关要求及规定，能耗数据采集器是一种能源管理数据采集的专用装置，在能耗监测系统中具有重要的作用，是能耗监测系统的通信核心设备。能耗数据采集器的硬件框图如图1所示。

图1 能耗数据采集器硬件框图

能耗数据采集器具有数据采集、数据处理、数据存储、数据传输一级现场设备运行状态监控和故障诊断等功能。数据采集器采用MK64FN1M0VLQ12作为主处理芯片，包括显示、键盘、时钟、下行通信、上行通信、SD卡、电源等模块组成。能耗数据采集器可支持Mod⁃bus-RTU、DL/T645、CJ188等能耗计量通信协议，并具有灵活配置管理功能，如支持Web管理配置、批量设备导入、设备模板等功能，针对无行业通信标准的能耗计量装置，亦提供了数据转换及自定义协议的支持，具有良好的开放性与拓展性。

2 硬件实现

能耗数据采集器采用FreeScale TWR-K64F120M的32位ARM Cortex-M4 MCU作为采集器的主控制器，该芯片具有低功耗，内置DSP处理器和单精度浮点单元，片上集成了1MB Flash和256KB SRAM，具有实时采集、多任务并发等需求特性。控制器具有5路RS485串口通讯，其中4路用于采集数据、1路用于系统调试。波特率可从600-115200灵活配置，数据位从5-8位可设。并具有2路10M/100M自适应的TCP/IP协议的网络传输，把能耗数据远传至能耗控制中心。主控制器拓展一个4G存储容量的SD卡，可以存储至少两年的历史数据（按国家能耗导则要求，暂按15分钟间隔）。

主板模块如图2所示，网络通信模块如图3所示。

网络输出模块即上行通信模块采用KSZ8041NL以太网物理层收发器，该收发器支持10/100Mbps速度和全/半双工模式，可支持进行自动协商和人工选择操作，在数据采集器的上行通信中可在标准电缆上可以稳健的运作。下行通信采用处理器自带的4个UART,确保4个串口通信的并行而隔离的采集能耗数据。

图2 主板模块

图3 网络通信模块

3 软件实现

能耗数据采集器根据能耗导则的技术要求，包括数据采集、数据处理、数据存储、数据传输、状态监控和故障诊断等功能，具体包括监控程序和功能执行程序组成。

图4 主程序流程图

系统的相关具体功能由MQX中多任务调度来管理，以上任务在MQX上是由任务模板列表来生成的，具体的模板定义包括模板索引、入口地址、任务栈大小、任务优先级、任务名称、任务属性、任务创建参数、默认的时间片选择等参数来决定。数据采集器分别实现了SD卡存储、Shell命令、4个采集串口、HTTP采集器参数配置管理、TCP网络通信（数据上传）等功能。任务采用自启动或时间片的方式运行，采用FIFO及轮询方式进行任务调度，系统通过_task_create（）函数来创建任务并指定优先级别以启动该任务。

根据技术导则的要求，能耗采集器支持加法、减法、乘法原则，分别实现从多个支路汇总某项能耗数据、从总能耗中除去不相关支路数据得到某项能耗数据、通过典型支路计算某项能耗数据。

采集器可采集能源分类分项能耗数据，计算公式如下：

Q:CO2减排量（kgCO2）

Ai:能源i排放系数（kgCO2/能源计量单位）

Ei:能源i节约量（能源计量单位，如kg、kWh等）；

根据以上公式则可以计算出该采集器所带设备采集能源计量装置的全部碳排量。

4 产品测评与验证

能耗数据采集器产品作为建筑节能管理相关产品，为规范建筑节能监测系统技术产品管理，保证节能监测系统工程质量，促进公共建筑节能工作深入健康发展，地区性节能监察部门一般都要求做产品测评工作，以作为公共建筑能耗监测体系的入网测评，确保该地区公共建筑能耗监测体系的标准化。如图5所示为能耗数据采集器的产品测评流程。

图5 产品测评流程

产品测评包括数据接口自身功能、数据上行通信、数据接口处理功能等几个子项的验证。经测评，数据采集器均符合以上规定，符合产品的项目准入要求，也为产品后续的大力推广及使用奠定了基础。

能耗采集器已在某省建筑物能耗监测子系统中应用，包括102个能源计量装置（其中电表90个，水表7个，燃气表5个），考虑到楼层及综合布线的实际情况，现场安装了3个数据采集器，对现场的数据进行采集，经过现场1年多的不间断运行，系统运行稳定可靠，表1是在现场运行过程中获取的某月通信测试数据，各项技术指标均符合甚至高于系统的设计要求，在项目中取得良好的效果。

图6 测评数据采集截图

5 结语

能耗数据采集器作为能耗监测系统中的中枢设备，在系统中具有下行采集数据，上行数据上报等作用，采用ARM Cortex-M4 MCU为核心控制器、采用FreeScale MQX实时操作系统实现了一款专用的能耗数据采集器，在软件设计中采用MQX的面向组件特性及任务调度的机制，并根据工程运用的实际需要，优化了配置管理功能，提高了工程实施效率，项目产品经过产品测评，达到了项目准入标准，可在建筑能耗、工矿企业、医院、校园等多种能源管理监测场所中应用。

表1 数据通信实验结果

[1]张姣姣,于然,许鸿飞,金燊.智能变电站建筑节能系统研究[J].电信科学,2014,S2:153-156.

[2]高歌.大型公建能耗监测系统的设计与实现[D].山东大学,2014.

[3]徐丽华,蒋建武,王宜怀,苏勇.基于ARM Cortex-M4的MQX调度的上下文切换机制分析[J].计算机应用与软件,2015,07:236-238+265.

[4]刘丹.大型公共建筑能耗监测平台及监管模式[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版）,2014,01:96-100.

[5]王鹏,王文庆.基于3G的能耗数据采集器设计[J].计算机测量与控制,2015,12:4202-4206.

[6]李冬辉,贾冠龙,姚乐乐,苏海啸.基于LPC1768的能耗采集系统的设计[J].仪表技术与传感器,2016,03:48-51.

[7]赵亮,张吉礼,梁若冰.建筑能耗数据特性分析及优化采样方法研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版）,2013,05:688-693.

Design and Implementation of Energy Consumption Data Collector Based on MQX

YANG Lin-fan1,ZENG Bao-quan2

（1.School ofElectronic and Information Engineering,Heyuan Polytechnic，Heyuan 517000；2.Guangdong Yada Electronic Limited by Share Ltd R&D Center in Guangzhou，Guangzhou 513500）

In the public building energy consumption,urban energy monitoring system,energy consumption data collector as the core of a dedicated data collection equipment,provides a powerful data source for energy consumption monitoring and management,energy consumption data collection based on FreeScale core design of MQX embedded real-time operating system,with good real-time,multi task concurrency and component oriented the advantages of architecture,etc.,according to the national energy consumption data collection and transmission re⁃lated technical guidelines,the realization of the energy consumption of the data collection,data storage,data transmission,configuration and maintenance functions,and through assessing the regional specialized products evaluation,in the actual project application,and achieves good operating results,improves the stability and reliability of the energy consumption monitoring system,promotes the efficiency of energy saving management.

1007-1423（2017）21-0069-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.21.014

杨琳芳（1983-），女，江西都昌人，硕士，讲师、高级工程师，研究方向为嵌入式技术、电子信息工程技术等；曾保全（1981-），男，江西赣州人，硕士，高级工程师，研究方向为嵌入式技术、电子信息工程技术等收款日期：2017-04-25

2017-07-15

Energy Consumption Monitoring;MQX;Data Collection;Energy Management;Product Evaluation