基于复杂环境的能耗数据集中器设计与实现

李 清，马 翔，李 晨，王国栋，赵广昊

（1.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035；2.北京市公用工程设计监理有限责任公司，北京 100124；3.中国节能海特光电有限责任公司，北京 102206）

基于复杂环境的能耗数据集中器设计与实现

李 清1，马 翔1，李 晨1，王国栋2，赵广昊3

（1.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035；2.北京市公用工程设计监理有限责任公司，北京 100124；3.中国节能海特光电有限责任公司，北京 102206）

数据集中器是能源管控系统的重要组成部分，负责终端计量设备数据的采集，是上下级设备通信的桥梁，接受并执行主站系统发来的指令及通信协议之间的解析和转化工作。本文基于物联网总线技术，旨在研究一款适合此类复杂环境的数据集中器，以达到适用性、经济性、高可靠性的要求。

1 数据集中器技术现状

目前，普遍应用于能耗数据采集的数据集中器，一般有串口服务器和通信管理机两类。串口服务器，提供串口转网络功能，其下行接口能够将RS-232/485/422串口转换成上行的TCP/IP网络接口，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输。此种设备通信接口方式单一，不具备对数据的处理能力。通信管理机，具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口，还具备较强的数据处理、数据存储、兼容多种规约、接口卡热插拔、GPS卫星对时、双电源供电等功能，是对串口服务器的升级。这两类设备中，串口服务器功能过于简单，无法适用与复杂环境下的数据采集；而一般的通信管理机的附加功能又过多，设备成本高，也就使得分散型数据采集的项目资金成本过高。

2 复杂环境的能耗数据集中器的需求分析及设计原则

2.1 复杂环境的能耗数据集中器的需求分析

本课题是以某大型国有集团的能耗数据采集为分析原型，项目特点是用能点分散，采集、传输差异性突出。对于这类复杂的项目环境，我们对能耗数据采集的特点和难点，进行了详细的调研、科学的分析，总结出复杂环境下能耗数据集中器的需求如下：一是要求数据集中器能够同时接入不同能源品种的计量设备，需要进行规约适配创新；二是数据集中器须具备主动采集模式；三是上行网络接口需要满足有线和GPRS两种形式；四是数据安全性尤为重要，须具备完善可靠的数据安全保障措施；五是数据集中器维护模式要方便高效；六是数据集中器需求量较大，产品的经济性十分重要。

基于以上具体需求，我们需要针对此类复杂环境单独研制合适的数据集中器。在系统开发过程中，有硬件系统和软件系统两大部分需要开发，且硬件设计和软件设计是相互关联的。研发过程包括总体设计、软硬件设计、测试验证等几个阶段。

2.2 总体设计的基本原则

基本原则：一是安全性和可靠性；二是完善的抗干扰措施；三是良好的性价比。

3 软硬件设计要点

设计方面数据采集电路包括数据采集部分、数据传输部分、单片机控制电路、数据显示电路和外围电路。如图1、图2所示。

软硬件设计要点包括：快速适配新的设备类型；简化工程项目中实施的复杂度；灵活的数据传输方式；具有完善可靠的数据安全保障措施；降低采集器设备的采购成本。

图1 数据采集及发射流程图

图2 数据接收及显示流程图

4 测试验证

数据集中器的测试验证需要包含以下几个方面：

（1）软件的功能测试。功能测试需要按功能划分程序模块，并绘出流程图。将程序按小任务形成若干的测试用例，如初始化程序用例、自检程序用例、采集程序用例、数据处理程序用例、打印和显示程序用例、打印报警程序用例等。这些模块功能既相互独立又相互联系，低一级模块可以被高一级模块重复调用，这种模块化、结构化相结合的程序设计技术既提高了程序的可扩充性，又便于程序的调试及维护。测试用例的编写应充分考虑各模块间的关联。

（2）操作面板的测试。操作界面的基本功能包含：输人和修改源程序；显示和打印各种参数；工作方式的选择；启动和停止系统的运行。为了完成上述功能，操作面板一般由数字键、功能键、开关、显示器件以及打印机等组成。测试范围应包含以上所有软硬件内容。

（3）系统抗干扰测试。对于数据采集系统，其抗干扰能力要求一般都比较高。因此，抗干扰设计应贯穿于系统设计的全过程，要在系统总体设计时统一考虑。

（4）测试记录。测试记录见表1。

5 结束语

随着科技的发展，时代的进步，集中监管和大数据已经成为各行业的一个潮流，而数据的收集是所有工作的基础。像智慧城市这种复杂的数据采集情况，采用多种完全不同的数据采集和处理设备势必会增加系统的复杂度，降低系统的稳定性，增加额外的成本。一款适用于复杂环境下的兼具适配性、经济性的数据集中设备将会得到广泛的应用。

表1 测试记录

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.12.019

TN919.5，TP391文献标示码：A

1672-7274（2017）12-0054-02