绿色公路能耗数据采集控制器设计

交通运输部科学研究院 刚红润 陈书雪 闫 磊

绿色公路能耗数据采集控制器设计

交通运输部科学研究院 刚红润 陈书雪 闫 磊

在绿色公路建设过程和运营管理过程中，需要对其中的能耗占比较大的项目，如桥梁、隧道建设（柴油、汽油用量），收费站、服务区运营管理（用电量）开展相应的节能减排工作，采取措施降低消耗。因此，需要对关键能源消耗实行实时监测，以达到随时掌握实际情况，采取相应措施降低排放量的目的。本文设计一种通用设备，配合不同种类的智能传感器采集不同种类的能源消耗量，并通过网络实时传输至数据中心。

绿色公路；能源监测；节能减排；交通信息化

1 引言

绿色公路按照三低一高（低能耗、低排放、低污染和高效率）的核心价值理念。在规划、设计、施工、运营、养护等阶段中，将绿色低碳理念贯穿于整个过程中，把降低能耗及排放纳入核心建设目标，运用全寿命周期理论进行科学规划设计，在建设施工过程中采取新材料、新工艺、新方法、新能源，在运营养护阶段采用节能减排措施，达到绿色低碳的目标。而如何衡量节能减排效果，大部分都采取后期数据填报，定性分析的办法，这种方法有如下问题：

（1）数据为后期填报，具有一定的滞后性。

（2）不同消耗主体不同种类能源消耗，使的数据汇总难度较大。

（3）对没有及时上报或不具备上报条件的能源消耗只能采用定性分析的手段，导致结论说服力不足。

针对以上问题，开发了能耗监测管理系统，而各种能耗数据如何自动汇集到管理系统中，是随之出现的问题。

随着物联网技术的发展，各种智能传感器应用于能源消耗测量中。本文设计一种通用采集控制设备能采集不同种类的传感器的数字信号，并通过网络传输至能耗监测管理系统中。

2 硬件设计

能耗监测采集控制器的逻辑功能图如图1所示：

图1 逻辑功能图

采集控制器主要分为通信单元、采集单元和协议单元三个部分。几个单元的主要作用如下。

2.1 采集单元

适配不同种类的传感器接口，接收智能传感器发送的数字信号原始数据。

电能量采集单元是一种脉冲计数模块，通过对电能表的脉冲输出进行计数，实现电能量采集功能。燃气量采集单元是一组模拟量输入采集模块，通过对燃气涡轮流量计的输出信号进行分析处理，得到实时燃气流量值。油量采集单元/水量采集是一组模拟量输入采集模块，通过对柴油涡轮流量计的输出信号进行分析处理，得到实时柴油流量值。

2.2 协议单元

协议单元存储采集单元相关协议并提供设置接口，同时解析采集单元传入的数字信号原始数据，根据不同类型的传感器数据进行相应的单位或进制换算，并组装成专用协议包。

其中，电能表通信规约处理单元实现DL/T 645-1997《多功能电能表通信规约》，对电能表的各项参数进行设置。ModBus通信规约处理单元实现柴油流量计和燃气流量计的通信接口协议，对流量计的各项参数进行设置。

2.3 通信单元

接收由协议单元封装好的专用协议包，根据设置调用不同的通信模块将数据传输到数据中心。

本设备配置的通信模块为RS485、RS232、以太网通信模块和GPRS通信模块。其中RS485和RS232模块使用在近距离通信场景中，使用数据线直接与上位机相连传输数据；以太网通信模块使用的远距离通信场景中，使用固定以太网络传输数据到数据中心；GPRS无线通信模块使用在远距离且没有固定网络的场景中，通过移动运营商的无线网络传输数据到数据中心。

3 传输协议

以GPRS无线通信为例，说明一下数据传输协议。能耗监测采集设备与数据中心服务器之间通过GPRS无线网络通信，采用标准的TCP/IP以太网协议，完成整个数据通信交换过程。

3.1 一般帧格式

一般帧格式的定义如下。

说明：多字节数据传输时，高位在前，低位在后。

3.2 电量数据上传

以电量数据上传为例，经协议单元转换，封包格式如下：

序号域长度Byte值说明0 Head 2 0xA8EB通信协议标识1 Length 2需计算发送数据长度（Byte），不包含Length 2 Frame Type 1 0x80设备向上位机发送实时数据3 Command Flag 1 0x40电量数据上传4 Content N具体的内容包括：设备逻辑编号：4字节。铁塔的经纬度：8字节经度：4字节，精确到0.001度维度：4字节，精确到0.001度设备当前状态：1字节0：数据有效，状态正常；非0：表示数据无效，具体的错误类型如下：1：通信超时2：帧长度错误3：校验不正确4：地址不正确5：命令号不正确6：数据长度不正确电表有功功率KWh：4字节精确到2位小数电表无功功率KWh：4字节精确到2位小数5 XOR 1异或值

4 设备部署

以搭载GPRS模块的采集控制器为例，与能耗监测管理系统配合的设备部署图如图2所示：

图2 设备部署图

1）系统通过控制采集器采集柴油消耗量、电能消耗量、天然气消耗量数据，通过GPRS无线通信网络，传输到监测中心；

2）采集控制器可以通过485通信接口，获取柴油流量计的计量数据，并对数据进行分析处理后，通过GPRS通信模块，将总量数据传输到监测中心；

3）现场采集控制器可以通过485通信接口，获取天然气流量计的计量数据，并对数据进行分析处理后，通过GPRS通信模块，将总量数据传输到监测中心；

4）现场采集控制器可以通过485通信接口，获取电能表的计量数据，并对数据进行分析处理后，通过GPRS通信模块，将总量数据传输到监测中心；

5）传感器支持电池供电方式，当市电丢失时，能继续保持数据计量功能，当市电恢复后，采集控制器立刻读取计量数据上传，保证掉电不影响系统监测功能；

6）GPRS无线通信支持掉线自动重连功能，避免无线信号不稳定造成系统通信故障；

5 总结

本文设计了一种新型的能耗数据采集控制器，能采集不同种类的能源消耗数量，并采用专用协议，根据不同应用场景采用不同传输方式，将能耗数据传输到数据中心。给绿色公路施工和运营期的占比较大的能耗项目进行节能减排方案制定提供数据支撑，为能耗数据可视化提供了底层硬件保证。

[1]刚红润．绿色公路建设期能耗监测系统设计[J]．电子世界,2016,10．

[2]贵州盘兴高速公路创建绿色公路实施方案(2015-2017年)．