基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统设计

刘倍菡，李树林，井含香，张建平

（1.国网甘肃省电力公司市场营销事业部，甘肃 兰州 730000；2.国网定西供电公司，甘肃 定西 743000）

电资源是不可再生的二次资源，所以我国提出节约电资源的政策，目前市面上的用电信息采集终端控制系统采用信息终端上下行采集协议，协议在系统运行理论中不存在任何弊端，但是在实际运行中信息的上行和下行采集协议出现偏差，不能满足用电信息采集的规范性和控制性[1]。

为了提高各种设备用电量总结与评估的便利性和准确度，采用了用电信息采集终端控制系统。用电信息采集终端控制系统是集成采集器、终端管理器、脉冲器的一个微型系统，目的是实现对电信息的精确采集、及时查看设备电能输出状态、提高电资源的输送管理。文中根据哈希函数的调用特点，突破传统用电信息采集终端控制系统的设计理念，分别设计基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统的硬件区域和软件区域，实现提高系统的采集效率和控制效果。

1 系统硬件分析

硬件主要由信息采集器、脉冲器和处理器三部分组成，系统硬件结构如图1 所示。

图1 基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统硬件结构

1.1 信息采集器

信息采集器是基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统硬件区域的重要器件，文中采用RTU78系列的采集器，该采集器主要由电能表、设备接口、存储模块以及采集终端模块构成[2-3]。信息采集器结构如图2 所示。

图2 信息采集器结构

WRT 电能表的工作电压为220 V，工作频率为50 Hz，电能表的接线方式为三相四线，内部电源电路为交流电表，极限温度为-40 ℃和+70 ℃，最高的承载电流为100 A，对应的承载功率为66 W，电能表的尺寸为203 mm×125 mm。设备的接口分别为RS45接口、无线接口、串行通信接口、type-c接口以及光纤接口。每种类型的设备接口的信息传输速度都至少可以达到256 Mbps，端口的波特率为9 600 bps，并且遵循RS232C 标准[4-5]。存储模块会短暂地存储某一部分的用电信息，当一段用电信息全部采集后，硬件区域的处理器再将信息从存储模块中整体调出，此存储模块的存储空间为64 GB[6-7]。

采集芯片是一个系统硬件区域的制动核心，只有芯片的性能达到极限，才可以制动硬件区域的其他设备，使系统稳定运行。为了达到研究目的和系统运行效果，系统硬件区域的芯片采用ARM9 架构的AT9lSAM9260 高性能电能计量芯片。芯片采用8通道的设计模式，分别应对用电信息采集、计量、信息输入输出以及脉冲输入输出等功能，并且预留出两个备用通道，每个通信通道支持并配备8 个电能测量表，以实现用电状态的评估[8-9]。芯片的内置存储空间为128 GB，信息数据的有效保存时间为3 年，AT9lSAM9260 芯片的通信方式为RS485，具有限流功能[10-11]。芯片内安装了NAND flash 转接板、PIC 单片机和AVR 单片机，保证系统采集的用电信息的安全性和保密性。采集芯片如图3 所示。

图3 AT9lSAM9260芯片

1.2 脉冲器

脉冲器的任务是根据设备的电能信号波动情况，为电能的计量提供准确的数据计算基础。文中采用GJI987 脉冲器，此脉冲器由电源模块、脉冲信号识别模块、看门狗组成。脉冲器结构如图4 所示。

图4 脉冲器结构

为了保证系统具有超长的工作续航能力，电源模块采用线性220 V 的交流变压电源，电源可以根据系统运行的电压强度进行合理降压，避免系统的内部电压过高导致设备出现腐蚀的情况。电源模块内置一个EMC 电源滤波器，滤波器进行电源滤波操作的驱动电容为10 μF，电源滤波器最大的优势是可以隔离不同类型的数据信号并抑制外界高频信号的干扰。脉冲信号识别模块分为两部分，一部分是表脉冲信号识别，另一部分是遥脉冲信号识别，因为两种信号的波动频率与规律不同，因此分开识别可以保证用电脉冲信号识别的精度。看门狗器件的设计用于防止程序跑飞，硬件看门狗器件对于冗余干扰的用电信息不能完全清除，就会导致系统自动复位重启甚至系统瘫痪的情况发生，看门狗采用10 ms 定时触发，无需工作人员协作即可自动工作[12-13]。

1.3 处理器

处理器是基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统硬件区域重要器件之一，处理器的工作是实时监控并维护系统内各个器件的正常运转，文中采用Cortex-M3 系列的STM32F107 内核处理器，此处理器包括双管正激电路和主板。双管正激电路根据直流斩波原理，合理地设计并控制电路内的多路信号正常传输，不发生碰撞。处理器采用超线程技术，内置8核心16线程，提高用电信息的采集速度和系统的响应速度，处理器的热功耗为65 W，高速缓存为12 MB，可保证数据采集的全面性及通信的可靠性[14]。

处理器电路图如图5 所示。

图5 处理器电路图

主板采用z490 系列主板，该主板可以根据系统的运行状态自动触发散热功能，支持硬件系统其他器件的协作和网络通用协议。用电信息采集终端控制系统的运行网络不同于其他网络，所以需要特殊的设计，文中采用ZigBee 网络提供服务，网络对于不同的用电信息存储库都具有访问权限，在一定程度上简化了用电信息采集的工作流程，并保证用电信息的安全性和保密性。

2 系统软件分析

哈希函数是一种普通的线性函数，根据固定的哈希表计算某两个变量之间的关系，哈希函数的优势是具有权衡计算功能，避免系统内硬件区域和软件区域之间运行出现碰撞。哈希表的计算原理是将数据代入哈希函数，实现数据的采集和存储。对于文中的哈希函数的用电信息采集终端控制系统来说，用户的用电信息就是哈希函数的自变量，通过哈希函数计算出需要采集用电信息的存储地址，提高用电信息采集的可靠性。哈希函数中平衡度的计算公式如下所示：

其中，r表示自变量值域中原像的数量；d表示用电信息集合的大小。

哈希函数计算系统在完成采集用电信息任务过程中，硬件区域和软件区域发生冲突的概率计算公式如下所示：

其中，c(F,N)表示冲突的概率；N表示哈希函数计算的次数；μ表示数据采集冲突平衡系数。

在计算了哈希函数的平衡度和任务冲突率后，文中最后通过映射法则构建哈希哈数，哈希函数的表达式如下所示：

其中，K表示哈希表的检索值；a、b表示常数[15-16]。

通过以上对哈希函数、系统硬件区域各个器件功能的分析和设计以及系统工作网络协议的设计，文中总结出基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统的工作流程，系统流程如图6 所示。

图6 基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统流程

1）首先用电信息采集终端控制系统对需要采集的用户用电信息向ZigBee 网络发送请求，建立一个合法的数据采集终端ip 地址[17-18]。采集权限获取成功后，根据用电信息采集的种类执行不同的脉冲信号识别器，调用哈希函数，检索用电信息的存储地址，并驱动系统硬件区域的处理器和数据采集器共同运行，为用电信息的采集提供基础。

2）在用电信息采集过程中，存在一个信息验证，用于对照系统采集信息的准确度，如果验证错误，则重新调用哈希函数，完成用户信息地址的重新检索，重复验证步骤，直到验证通过。

3）用电信息采集完成后，将信息上传至系统硬件区域的存储器和芯片内，完成用电信息的存储和备份。

4）在用电信息采集终端控制系统运行过程中，一旦系统出现黑屏、断开连接、短路等运行问题时，系统立即调用处理器快速检测硬件区域内设备断开前的工作状态，同时触发脉冲器，恢复系统的运行，向系统管理员发送预警通知。

3 实验分析

通过以上对基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统的设计和分析，为了验证文中设计的系统具有实用性，进一步进行对比实验分析。为了避免实验的偶然性，文中选择基于信号变换函数的用电信息采集终端控制系统和基于多源异构函数的用电信息采集终端控制系统两种对照系统共同完成实验。在实验进行前，将3 种用户信息采集终端控制系统分别录入3 台电脑内，并且3 台电脑连接3 个数据分析器，实时记录系统采集数据时的系统运行参数，为实验结果的分析提供准确的数据基础。为保证实验的科学性和合理性，文中选择采集的是同一小区内的3 家用户的用电信息，当3 台电脑全部向数据分析器提供用电信息后，停止实验，汇总实验数据，清理实验场地。

系统功率消耗实验结果如图7 所示。

图7 系统功率消耗实验结果

通过对实验数据的汇总和分析得出，文中研究的基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统比传统的用电信息采集终端控制系统具有实用性。基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统完成3 户用电信息采集任务消耗的功率为30 W，然而基于信号变换函数的用电信息采集终端控制系统和基于多源异构函数的用电信息采集终端控制系统完成用电信息采集任务消耗的功率分别为60 W 和55 W，得到这一实验结果的主要原因是哈希函数通过平衡系数和冲突概率的权衡，一方面减少了系统内设备冲突产生的功率，另一方面系统硬件区域线性电源根据用电信息的多少，提供对应级别的工作电压，减少系统的功率消耗。因为基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统硬件区域的芯片具有处理缓冲空间，节省系统完成采集任务中的排队时间，提高系统的工作效率。用户信息采集终端控制系统的信息正确匹配度是衡量系统性能的关键因素，如果采集的用电信息正确匹配度低，那么也不具备实用性。

综上所述，基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统比传统的用电信息采集终端控制系统的性能高，具有实用性。

4 结束语

文中首先研究了基于哈希函数的用电信息采集终端控制系统硬件器件的功能和设计，然后在系统软件部分实现哈希函数的合理调用，更新网络数据采集协议，保证用电信息采集终端控制系统的正常运行。最后通过对比实验分析验证文中研究的系统具有实用性，能够提高用电信息采集和管理的效率，促进用电信息采集的发展。