数据网关在电能计量管理系统中的设计

吴伟涛

摘要：我国电力市场正在走向国际化。而目前针对传统电能管理方式存在的电能浪费现象，采用嵌入式系统构建了电能计量管理系统的数据网关，以提高电能管理的智能化和信息化程度，实现节约用电的目的。该数据网关硬件部分模块结构和功能划分清晰，工作可靠性较高;软件部分结合硬件的模块化结构进行模块化编程，并对TCP/IP协议族进行了剪裁，数据经MD5校验和AES加密后，网关系统传输数据的可靠性和安全性能均表现良好。

关键词：电能计量管理;数据网关

引言

为了保证我国电力市场更好地发展，在推行和运营过程中，一定要完善相关的制度。尤其是在当今这个科学技术发展较快的时代，任何一个行业的发展和管理制度都必须趋于现代化。数据网关下的电能计量管理系统必须要实现电能数量计量自动化、网络数据互通自动化等。加快电能计量管理系统的现代化发展，是为了提高电能质量管理系统的工作效率，减少和降低用户和企业在电能质量管理系统上消耗的时间和精力，为用户和企业带来更大的利益。

1硬件设计

1.1数据网关功能分析

数据网关是软硬件一体化集成设计实现的数据交换中间件，它不仅是各种传感设备的通信控制网关，还是大量移动传感设备的数据接收网关。数据网关在系统中可通过串口实现和电表的通讯，通过以太网接口实现和服务器的通讯，通过本地接口完成相关参数设置的功能。该数据网关通过在通讯接口中使用接地屏蔽层，通讯中采用MD5校验等方法提高系统的可靠性;通过在通讯过程中使用AES算法保障系统的安全性;依靠命令查询模式，通过中断来进行响应保证系统的实时性;硬件设计时利用ARM芯片CPU的低功耗特性来降低网关的功耗。

1.2数据网关的技术架构

数据网关的技术架构主要体现在以下四方面：第一，感知接入层。它主要由感知设备和感知网络构成，如RFID、ZIGBEE、WIFI等。为了能更好的解析各种协议及感知多种类型网络，必须接入这些相关设备并匹配外插拔模块，同时根据特定场景选择相应的协议以实现感知网络的目的。第二，适配器层。它主要由协议解析和接口管理构成，借助适配器处理各种数据协议，使各类数据和指令更加规范化。第三，转换控制层。它主要由协议转换、数据存储、数据校验和远程管理等功能构成，为达到管理协议在上下层之间的相互转换和通信，转换控制层将统一封装下层的适配器和感知网络的相关数据，同时通信对接上层的物联网管理平台。第四，信息网络接入层。它可与多种接入方式相匹配，这有利于上层管理平台有效接收数据网关采集的数据，从而为数据统计分析和行业应用开发奠定坚实基础。

2軟件设计

由于数据网关的核心工作是接收数字式电表发来的电能数据并对其进行处理，同时上传至数据中心，实现电能管理的数字化和信息化。因此结合功能要求，对数据网关软件系统设计流程图。在具体软件功能实现方面，将软件系统功能分为串口模块、存储器模块、数据处理模块、看门狗模块、实时时钟模块等功能模块。

2.1串口模块软件设计

串口模块分为UART0和UART1两部分，其中UART0部分主要完成和数字电表的通信，UART1部分主要完成和设置器的通信，完成网关编号、IP地址等参数的设置。以UART0为例，其采用DL/T645—1997多功能电能表通信规约，采用中断方式接收电表数据。程序主要分为2个部分：第1部分使用的是查询命令发送函数，主要通过网关给相应的电表发送查询命令，完成校验和接收到的数据比较工作。第2部分是中断接收函数，主要完成对接收数据的校验工作。判断接收数据是否正确，如正确，则将数据存储到对应的位置，同时查询电表号加1，启动对下一个电表的查询;如错误，网关重新发送查询命令，累计错误达两次时，查询电表号加1，开始查询下一个电表，直至电表号加1后大于该网关所带的电表数为止。

2.2数据处理模块软件设计

数据处理模块完成的主要工作是根据数据网关与电表的通讯协议，解包从电表接收的数据，并存储到指定的缓冲区中。其数据使用XML数据格式，并采用MD5算法进行校验，采用AES对数据进行加密后上传。

2.3存储器模块软件设计

存储器模块软件设计主要针对外扩存储器模块，其中外扩ram存储器主要完成缓存功能，只需要对存储空间控制做出合理分配即可，外扩flash存储器软件设计主要包括对数据的读、写和擦除3个部分。

2.4TCP/IP协议的剪裁和实现

结合硬件设计中使用嵌入式系统进行开发的特点，对TCP/IP协议进行了剪裁和实现，只保留与系统功能有关的协议，并对部分协议进行简化。例如ARP协议只保留支持以太网的功能，其他功能全部剪裁掉等。简化后的协议仍符合标准规定，具体实现内容包括以太网协议、ARP协议、IP协议、ICMP协议的实现等。以ICMP协议为例，与完整的ICMP协议可以完成检查目的地址、数据控制、检查路由等各种功能不同，本系统中只保留IC-MP协议中测试网络是否联通的功能，

3数据网关的关键技术

3.1数据网关处理技术

第一，多线程模型。它可为每一个链接都创建一个线程，其操作简单，效率高。即使出现少量并发链接的状况，多线程模型也能利用创建相关的线程进行有效解决。若出现大量并发链接的状况，多线程模型需采用高性能计算机对其进行计算。第二，事件驱动的单线程模型。它的通用性更强，拓展性更高，主要包括主线程和多个异步操作。主线程对其起着十分关键的作用，应对其进行统一调整和管理。主线程的目的就是处理实际的各种计算任务，一旦出现多种任务滞碍的状况，事件驱动的单线程模型就会自动转换为异步操作，从而导致编程相对复杂。因此便提出了半异步模式，它将多线程模型与事件驱动的单线程模型相互结合，使其优势互补，从而综合提升对数据的处理能力。对基于云计算的数据网关来说，它主要采用异步服务通信层与同步服务通信层相互结合来进行数据处理，利用同步服务通信层来处理多线程应用;利用异步服务通信层来处理需要提高性能的应用。为基于云计算的物联网数据网关能更好的运行，必须在同步通信层和异步通信层之间添加一个交互层，以确保两层之间能有效通信，使其掌握每层之间的应用处理状况。这对简化并发编程来说十分便利，大幅提升了服务器的性能。

3.2对象数据库编码与格式转换

数据网关主要处理各种主流数据库的存储，例如SYSBASE、ORACLE、SQLSERVER等。同时，对象编码还能与多个技术标准相融合并利用XML编写所需的对象信息，它综合了8种编码类型：GDTI、SGLN、SGTIN、GID、GSRN、GRAI、GIAI、SSCC。

结束语

综上所述，智能数据网关系统对数据的采集及时可靠，既可以完成命令查询数据工作，又可以完成主动定时查询数据工作，还可以实现数据在网络部分传输故障时的数据保存。经运行测试，该网管系统通信方便可靠，作为电量计量管理系统的重要组成部分，可以配合管理系统完成对电表信息和各项数据的传输、存储和处理，具有较好的实用价值。

参考文献

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