ISM与4G网络融合的无线热计量云系统设计与实现

，，

(辽宁装备制造职业技术学院 自动控制工程学院, 沈阳 110161)

0 引言

随着我国对绿色发展方式和生活方式的倡导，坚持节约资源和保护环境已经成为了我国的基本国策，北方采暖地区城镇民用建筑集中供热信息也被住建部列为2018年《民用建筑能源消耗统计调查制度》的重点调查内容，这进一步说明我国对供热能耗监测的重视程度。本文针对北方地区供热形式改按面积收费为按用量收费的强烈需求，提出了一种基于云服务器技术的ISM与4G网络融合无线热计量系统，该系统主要利用ISM无线网络对建筑内部的热计量前端节点进行组网通信，实现近距离数据采集，再通过中心节点汇总后，经 4G网络转换、处理并远距离上传至服务器，在云端完成热计量数据的远程实时集中计量和管理。系统中部署灵活的ISM网络有效地简化建筑内部节点分布结构形式；广泛覆盖的高速4G网络提高了系统的实时性和适用性；云服务器技术的加入则进一步扩展了系统的终端应用场景，实现了云上供热数据的高效集成。

1 ISM与4G网络融合的无线热计量云系统功能结构

ISM与4G网络融合的无线热计量云系统是融合了智能仪表技术、无线通讯技术、云服务器技术和计算机技术于一体的远程无线热计量数据采集系统，具有数据采集、数据转换处理、数据通讯、数据存储和远程监控等功能，主要包含了单体建筑内部连接热量表的ISM网络无线热计量前端节点模块、负责远程数据收发的4G网络数据采集收发模块、能够对数据采集方式控制的本地数据采集配置系统、进行数据存储的TCP/IP云服务器数据库和用于数据管理服务的系统软件五部分构成，其基本系统功能结构如图1所示。

图1 ISM与4G网络融合的无线热计量云系统功能结构 图2 ISM网络无线热计量系统前端节点模块参数配置

在本系统中，多个与用户热量表相连的无线前端节点和负责汇总的无线中心节点通过无线透明传输方式构成了频率为433 MHz的ISM自组织网络完成单体建筑内部的热计量数据近距离无线采集，该数据经RS485接口以表号作为地址标识上传至热计量数据采集模块完成协议解析后，再通过4G网络数据发射模块与云服务器建立TCP/IP连接实现计量数据的保存和管理服务应用。

2 ISM网络无线热计量节点模块

ISM网络是世界各国开放给工业、科学和医疗所使用的频段，使用该频段时无需授权许可，由于发射功率较低，所以对其它设备造成干扰小，适合在建筑内部构建无线热计量节点网络，同时降低布线成本并实现灵活部署。本系统使用433.078 2 MHz作为ISM网络中心载波频率完成热计量数据的无线传输，系统所使用的ISM网络热计量节点模块由若干个无线前端节点和少量无线中心节点组成，无线热计量节点通过RS485接口与热量表进行连接并对计量数据进行采集，采集后的数据以热量表表号作为地址标识发送至ISM网络中的中心节点进行汇总，无线中心节点负责对建筑内所有前端节点所发送的热计量数据进行汇总和管理，以此方式实现数据集成及节省4G模块数据采集端口的目的，其信号数据帧格式按照CJ T188-2004《户用计量仪表数据传输技术条件》国家标准设计，如表1所示。

为了简化系统节点网络结构、提高其适应性，在某一建筑内部的节点模块通讯链路层无线信号采用广播模式，模块之间的热计量数据通讯采用半双工透明传输，当任意节点发出信号时，在其信号覆盖范围内，相同信道的节点都能够接收到信息，并通过节点的地址标识对其进行识别。此外，为了避免建筑内多个节点模块通讯相互干扰，可以采用设置不同的载波频率的方法对网络节点分组，以实现同一个建筑内有多个ISM网络并存，节点模块参数可以通过软件进行配置，其配置方式如图2所示。

表1 热计量数据信号帧格式

其主要功能参数如表2所示。

表2 ISM网络无线热计量系统前端节点模块参数配置

3 G网络热计量数据采集收发模块

4G网络热计量数据采集收发模块由采集模块和数据收发模块两部分组成。

热计量数据采集模块主要负责将多个无线中心节点所采集到的热计量数据进行汇总收集，并按照CJ 128-2007《热量表》国家标准中的协议要求对所采集的数据进行解析，以实现对热计量数据的提取，此外还为ISM网络中心节点提供RS485接口并为本地数据采集配置系统提供所使用的RJ45网卡接口；4G数据收发模块的主要功能是将采集到的热计量数据转换为4G信号的形式在传输层使用基于TCP/IP协议的数据网络发送给云服务器上的数据管理终端，4G网络热计量数据采集收发模块硬件电路构成如图3所示。

图3 4G网络热计量数据采集收发模块硬件电路构成

在本系统中，数据采集模块采用ATMEL低功耗处理器AT91SAM9200作为MCU，该处理器接口丰富，且多数接口均集成于该SoC芯片内部，具有较高的处理速度和抗干扰性能；RS485接口电路由驱动芯片SN65VHD12、ESD和防雷击等保护电路组成，采用半双工通信，用于与ISM网络中心节点之间通信；具有RJ45接口的网卡MAC层集成在MCU内部构成10 M/100 M自适应网卡供本地数据采集配置系统使用，物理层采用DM9161AEP和2KV隔离变压器；控制台接口主要提供程序跟踪、程序更新以及部分参数配置功能，由RS232电平转换芯片及其外围电路组成，采用全双工通信；数据存储电路为T-Flash卡，可备份较长时间内的热计量历史数据；时钟系统主要由高精度PCF8563T时钟芯片、振荡电路、电池备份等电路组成，为系统提供准确的实时时间；由SP706R芯片组成的硬件看门狗电路可以实现死机后系统的自动恢复功能；此外，电源电路采用9～24 V直流电源供电，经稳压流、滤波后由电源管理芯片和LDO芯片分别输出5 V和3.3 V直流电压供模块使用。

4G网络热计量数据采集收发模块的软件设计采用开源的RT-Thread嵌入式实时操作系统，该系统由驱动层，中间层和应用层组成，具有实时性高，易维护、性能稳定、占用资源少等优点。驱动层位于整个系统的底层，它为其它层提供硬件操作接口，通过调用该层的API接口即可完成相应操作，无需直接对硬件执行具体操作；中间层负责处理公共事务，为应用层提供相关服务；应用层则主要处理网络数据通信、数据采集和控制台三个具体应用事务，并与其它次要任务协同完成采集收发模块的整体功能，具体设计如图4所示。

图4 4G网络热计量数据采集收发模块软件设计

4 TCP/IP无线热计量云系统设计

无线热计量云系统构建于Windows Server云服务器平台上，它的主要功能是对多个数据采集收发模块进行集中管理，并对热计量数据包进行信息的提取及解密、将有用数据包存入数据库，同时为无线热计量系统软件提供数据支持，实现多建筑热计量数据(热量、流量、累计流量、供回水温度和累计工作时间等)的远程采集、集中存储和管理。

本系统的数据通信为基于IP协议的云数据网络，在传输层使用TCP协议，全双工传输方式，C/S模式，各建筑内的采集收发模块为客户端，数据中心云服务器上的数据服务和管理软件为服务端，其通信示意图如图5所示。

图5 无线热计量云数据网络通信示意图

当进行热计量数据网络通信时，数据采集收发模块首先向数据中心云服务器发起连接请求，数据中心云服务器响应后启用TCP监听，连接建立后，数据采集收发模块将定时向中心云服务器发送心跳数据包以监测连接状态，如果连接中断则重新建立连接。TCP连接建立后，中心云服务器首先对数据采集收发模块进行身份认证，完成后，将通过心跳包对采集收发模块进行授时，校验数据采集模式，并采用加密方式对命令和数据包进行传输；系统数据包使用XML格式，并以文本形式上传，所有数据包均包含对应的建筑编码和采集收发模块编码，此外还包括身份验证、请求数据包、随机序列数据包、MD5值数据包、认证结果数据包、系统授时和心跳、请求数据包、响应数据包、配置验证、响应数据包、数据采集周期、数据远传包等。当网络发生故障时，数据采集收发模块将暂时存储未上传的热计量数据，待连接恢复后进行断点续传；而当热计量节点或数据采集收发模块发生故障时，数据采集收发模块则主动向云服务器发送故障信息，热计量数据传输流程如图6所示。

图6 数据采集收发模块与中心云服务器热计量数据传输流程

5 热计量数据管理服务系统软件

热计量数据管理服务系统软件是安装于Windows Server云服务器平台的热计量数据监测、管理云服务器程序，通过它能够进行热计量数据的实时显示与历史查询，发送远程指令控制采集收发模块及其所连接的热量表，其基本流程如图7所示。

图7 热计量数据管理服务软件流程

此外，软件中的设备管理窗口可以显示热计量数据采集收发模块的基本信息和连接状态，通过列表中的建筑编码就可以进行对应采集收发模块的状态查看、传输配置、数据刷新、固件升级和设备重启等操作；软件中的日志信息窗口负责软件运行状态和日志信息的显示，包括显示当前建筑总数、在线模块数、数据保存模式，数据库类型，上线下线数据库表更新等信息。运行参数设置界面可以用于配置云服务器IP地址、访问端口号、保存接收数据的方式与路径等信息，系统软件提供了两种数据存储方式：第一种是直接将 XML 数据包写入到云服务器指定的路径中，第2种是将热计量数据包解析后存入云服务器上指定的数据库中。

6 实验结果与分析

为了测试系统的工作性能，在后期实验与应用中对ISM与4G网络融合的无线热计量云系统的关键性能指标进行了测试，实验结果如表3所示。

表3 ISM与4G网络融合的无线热计量云系统的性能指标

实验结果表明，使用本系统所采集的热计量数据项数与类型符合CJ 128-2007《热量表》国家标准中对热量计量的技术规范；无线前端节点和中心节点的工作频率也符合我国对ISM频段的使用许可要求，较低的发射功率既保证对其它设备干扰微小，又适用于大部分单体建筑内的数据近距离、低功耗传输；采集收发模块利用广泛覆盖的4G网络实现了多节点热计量数据的远距离采集，扩大了系统的应用范围；本地和云服务器并行的数据存储方式也极大地提高了系统运行的稳定性和安全性。

7 结束语

使用ISM与4G网络融合的方法能够在云服务器上高效地对无线热计量数据进行远程采集与汇总，系统所使用的ISM网络解决了建筑内部热量表节点安装过程中布线复杂、施工难度大的问题，极大地提升了热量表节点网络部署的灵活性；通过数据采集与收发模块能够有效地对热计量数据进行解析、转换、信息提取和本地采集配置；另外，覆盖广泛的4G网络与云服务器的协同工作极大地提高了系统的实时性、可靠性并扩展了系统终端的交互性，为建筑能耗智能化、网络化计量提供了一种有效的解决途径，具有广阔发展空间与前景。