程銀寶，張孝軍，吳 軍，范 超

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥 230009；2.安徽省計(jì)量科學(xué)研究院，合肥 230051）

0 引 言

目前，我國(guó)的能源消耗監(jiān)管體系仍停滯在起步階段，缺乏系統(tǒng)化、信息化的處理方式，跟不上國(guó)家節(jié)能減排政策方針的步伐。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，便于政府和企業(yè)對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的科學(xué)監(jiān)控，并通過(guò)信息化平臺(tái)對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，既有利于政府對(duì)能源利用狀況和能效水平進(jìn)行監(jiān)督，又能為企業(yè)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造提供可靠的依據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備如GPRS、射頻識(shí)別（RFID）等，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和后臺(tái)處理技術(shù)。雖然國(guó)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相差無(wú)幾，但實(shí)際應(yīng)用較少，如何找好切入點(diǎn)，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用且形成產(chǎn)業(yè)鏈，并在應(yīng)用的過(guò)程中進(jìn)一步加強(qiáng)研究以提高可靠性與實(shí)用性，同時(shí)進(jìn)行技術(shù)的深度開發(fā)、提高，是目前亟待解決的問(wèn)題。

本文介紹的基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可對(duì)企業(yè)或公共機(jī)構(gòu)單位的能耗數(shù)據(jù)情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線采集，以及實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、查詢等功能。當(dāng)企業(yè)或公共機(jī)構(gòu)單位的能耗數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)能及時(shí)自動(dòng)預(yù)警，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)能源信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并借助能源審計(jì)模型進(jìn)行仿真后，為決策者提供一個(gè)科學(xué)、合理、優(yōu)化的能源實(shí)施方案。

1 系統(tǒng)總體框架

通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成[2]。感知層主要包括各種信息傳感技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的識(shí)別和采集。數(shù)據(jù)的采集是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行活動(dòng)的基本條件，因此感知層的活動(dòng)至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)層包括互聯(lián)網(wǎng)、3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的信息中心等。當(dāng)感知層的信息傳到網(wǎng)絡(luò)層時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理，并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)以等待應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)層是感知層和應(yīng)用層的中間環(huán)節(jié)，起著承上啟下的作用。應(yīng)用層將網(wǎng)絡(luò)層所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中。

本系統(tǒng)從底層逐級(jí)向上可分為3個(gè)層次，分別是：能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集、通訊網(wǎng)絡(luò)和能源計(jì)量數(shù)據(jù)公共平臺(tái)。能源計(jì)量數(shù)據(jù)公共平臺(tái)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與能源數(shù)據(jù)采集終端交換數(shù)據(jù)、發(fā)起和應(yīng)答指令。現(xiàn)場(chǎng)有一套或多套能源數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能源數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有模擬或數(shù)字輸出接口或通信接口，連接到獨(dú)立的能源數(shù)據(jù)采集終端，能源計(jì)量數(shù)據(jù)公共平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和收發(fā)指令。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖1。

2 能耗數(shù)據(jù)采集

圖1 系統(tǒng)的總體框架Fig.1 Overall framework of system

能源計(jì)量傳感器的種類繁多，除電表外，其他的通信協(xié)議均無(wú)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本文研究一套能支持多種不同協(xié)議的能耗數(shù)據(jù)采集終端，該采集終端擬通過(guò)模擬量、485、串口、以太網(wǎng)等接口采集各種傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的各類參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并按 “能源數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)”依靠GPRS把數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需考慮以下幾點(diǎn)：

1）遠(yuǎn)程通訊功能?？蓪⑺杉臄?shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送回?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控中心；

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。避免通信中斷后出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，采用RAM暫存采集的數(shù)據(jù)，待通信恢復(fù)后，與主機(jī)的數(shù)據(jù)保持同步更新；

3）屏幕顯示功能。液晶觸屏顯示，可方便查看并設(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)參數(shù)采樣值。

本數(shù)據(jù)采集終端反映了能源計(jì)量技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)及其需求的方向。針對(duì)這些需求，本系統(tǒng)采用ARM9微處理器平臺(tái)，以滿足系統(tǒng)要求為前提減少外圍電路的擴(kuò)展，提高系統(tǒng)的整體性能。硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2，人機(jī)接口采用240×320液晶觸摸屏接口，終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控之間通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)通訊，串口的擴(kuò)展采用MAX3232。以太網(wǎng)芯片采用比較常用的10／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口芯片DM9000。由于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的點(diǎn)數(shù)要求較高，故采用32M的RAM卡進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式Linux操作系統(tǒng)具有源代碼公開、內(nèi)核功能強(qiáng)大、支持多種硬件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信功能完善、友好的GUI界面、支持多種文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)豐富且可支持周邊設(shè)備等眾多優(yōu)點(diǎn)[3]。數(shù)據(jù)采集終端的功能模塊構(gòu)建于嵌入式Linux之上，采用了較為成熟的Linux 2.4內(nèi)核[4]。為實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)采集終端的功能，將軟件劃分為3個(gè)模塊，分別負(fù)責(zé)：與遠(yuǎn)程監(jiān)控站的通訊，與現(xiàn)場(chǎng)儀表的通訊以及處理人機(jī)交互。模塊劃分見表1。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of hardware

表1 軟件模塊劃分表Table1 Partition of software modules

其中，與遠(yuǎn)程監(jiān)控站的通訊需要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議，協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需考慮傳輸效率、移植和能否方便傳輸多種類型數(shù)據(jù)等因素。為便于管理員查詢信息，系統(tǒng)同時(shí)提供基于瀏覽器／服務(wù)器模式的瀏覽方式。通常有兩種做法：①在數(shù)據(jù)采集終端上移植嵌入式web服務(wù)器，管理員訪問(wèn)集中器上的數(shù)據(jù)庫(kù)；②將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于監(jiān)控站并建立web服務(wù)器，用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)監(jiān)控站上的數(shù)據(jù)庫(kù)。與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通訊需要實(shí)現(xiàn)485總線通訊協(xié)議層。人機(jī)接口模塊引入嵌入式圖形接口 MiniGUI[5]，需要對(duì)用戶界面進(jìn)行移植，包括：驅(qū)動(dòng)程序的編寫、圖形用戶界面輸入接口層移植，以及用戶界面和界面功能的實(shí)現(xiàn)。人機(jī)接口開發(fā)的難點(diǎn)在于LCD觸摸屏驅(qū)動(dòng)開發(fā)和 MiniGUI輸入接口層的移植[6]。另外，在與監(jiān)控站通訊模塊、與采集終端通訊模塊實(shí)現(xiàn)通訊的同時(shí)，還應(yīng)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。人機(jī)接口模塊需負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的檢索等。各模塊用線程實(shí)現(xiàn)，一個(gè)模塊對(duì)應(yīng)于一個(gè)線程。線程之間通過(guò)全局變量和互斥鎖（Mutex）來(lái)共享數(shù)據(jù)，對(duì)于所采集的能耗數(shù)據(jù)則通過(guò)文件進(jìn)行共享。

2.3 數(shù)據(jù)接收與處理

對(duì)數(shù)據(jù)采集終端上傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)和解析，規(guī)范化采集時(shí)間，根據(jù)能源采集器的情況構(gòu)造用能模型，并根據(jù)用能模型對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分計(jì)算得到分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，并將原始能耗數(shù)據(jù)和分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于監(jiān)測(cè)企業(yè)用能情況的復(fù)雜性和能耗監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)算成本的控制，很多能源的消耗需要間接計(jì)量。理清用能支路和分項(xiàng)能耗的關(guān)系，采用加法、減法、拆分、百分比預(yù)估等方式，結(jié)合企業(yè)能耗指標(biāo)計(jì)量設(shè)計(jì)方案，得到合理的分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采集對(duì)象和采集指標(biāo)需要遵循相關(guān)的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器到數(shù)據(jù)中心（或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站）的連接方式、傳輸過(guò)程及通信協(xié)議則需要遵循傳輸協(xié)議的規(guī)定。系統(tǒng)不僅需要處理通過(guò)自動(dòng)方式采集的能耗數(shù)據(jù)，還需要處理人工方式錄入的能耗數(shù)據(jù)，比如煤耗、油耗。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：

1）數(shù)據(jù)傳輸：接收從數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，能夠處理大量的并發(fā)請(qǐng)求，針對(duì)接收的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行異步處理，既針對(duì)原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行存儲(chǔ)，又將接收到的數(shù)據(jù)路由到數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進(jìn)行處理，還能支持?jǐn)?shù)據(jù)采集器的斷點(diǎn)續(xù)傳。

2）數(shù)據(jù)校驗(yàn)：檢查校驗(yàn)數(shù)據(jù)包的合法性，數(shù)據(jù)包格式是否正確，數(shù)據(jù)包包含的信息是否完整，數(shù)據(jù)包目的地址是否正確，數(shù)據(jù)采集時(shí)間是否合法，數(shù)據(jù)中心是否存在與數(shù)據(jù)包指定能源匹配的信息等。

3）采集故障檢測(cè)和補(bǔ)招：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)儀表、采集終端發(fā)生故障造成數(shù)據(jù)上傳不正常時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提示告警，并指出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息、提示故障可能的原因，因主機(jī)系統(tǒng)故障未能自動(dòng)抄錄的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)恢復(fù)正常后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)招。

4）數(shù)據(jù)包解析：解析接收到的原始數(shù)據(jù)包為系統(tǒng)可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，調(diào)用 “數(shù)據(jù)持久化”模塊對(duì)原始能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

5）歸一化預(yù)處理：將原始能耗數(shù)據(jù)不規(guī)范的采集時(shí)間規(guī)范到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，同時(shí)對(duì)不同的采集頻率、不同的計(jì)量單位等進(jìn)行歸一化預(yù)處理，為下一步的拆分計(jì)算做好準(zhǔn)備。

6）拆分計(jì)算：根據(jù)數(shù)據(jù)包中的能源數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備標(biāo)識(shí)，調(diào)用該設(shè)備的配置信息，對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分計(jì)算。能源數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備的配置信息記錄了使用該設(shè)備的企業(yè)的各路通信及對(duì)應(yīng)的能源名稱，通過(guò)計(jì)算相同能源的各路通信接收數(shù)據(jù)的合計(jì)，得到該能源的能耗數(shù)據(jù)。

7）數(shù)據(jù)持久化：永久性保存能耗數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)，包括原始數(shù)據(jù)和歸一化并拆分之后的分類分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)。基于云存儲(chǔ)架構(gòu)的能源計(jì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系，包括存儲(chǔ)服務(wù)器集群、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、基于云存儲(chǔ)架構(gòu)的快速搜索算法等，這一存儲(chǔ)體系模塊具備大容量、高擴(kuò)展性、快速定位搜索的優(yōu)點(diǎn)。

8）運(yùn)行維護(hù)：具有看門狗功能，可監(jiān)測(cè)接收線程是否正常，保證系統(tǒng)24h正常運(yùn)行；同時(shí)系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程終端軟件升級(jí)功能，支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端通訊規(guī)約升級(jí)功能。

3 無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是傳感器，包括射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等傳感器[2]，而能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用的傳感器種類繁多且裝置復(fù)雜，目前基本的能源都可以計(jì)量，只是某些計(jì)量裝置需要改造，例如煤計(jì)量的裝置就有多個(gè)，有鍋爐、煤氣發(fā)生爐。進(jìn)煤方式也多種多樣，有皮帶機(jī)輸送，翻斗上煤，吊斗上煤等。目前大多數(shù)能源沒(méi)有安裝計(jì)量裝置，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集各種能耗數(shù)據(jù)，必需研發(fā)適合這些裝置的自動(dòng)采集傳感器。目前能耗數(shù)據(jù)采集傳感器的聯(lián)網(wǎng)主要是有線方式，如485總線、以太網(wǎng)、過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線等，由于多數(shù)企業(yè)和公共機(jī)構(gòu)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)傳感器聯(lián)網(wǎng)，如果要重新鋪設(shè)電纜，造價(jià)很高且施工復(fù)雜，因此本文采用的無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)是建立能耗數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的一個(gè)重要條件。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在企業(yè)內(nèi)大量的能源傳感器節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信的方式形成的自由組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[7]。節(jié)點(diǎn)可以自組網(wǎng)，多跳，單個(gè)節(jié)點(diǎn)體積小，資源簡(jiǎn)單、耗電低、可以做到一個(gè)電池能用數(shù)年不用更換。無(wú)線傳感網(wǎng)具有施工簡(jiǎn)單、成本低、組網(wǎng)方便的特點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景[8－9]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)對(duì)所監(jiān)測(cè)的企業(yè)用能情況進(jìn)行各種分析，以折線圖、直方圖、餅形圖和表格等形式進(jìn)行顯示。可選擇時(shí)間段、行業(yè)種類、能源種類等條件。包括總能耗分析、能源對(duì)比分析、綜合分析、綜合對(duì)比分析、單耗分析、班組分析、熱效率分析等。

將系統(tǒng)與安徽省某工業(yè)企業(yè)的能源計(jì)量?jī)x表相匹配，監(jiān)測(cè)企業(yè)日常的電力和天然氣消耗，其中，電力消耗數(shù)據(jù)的采集按照生產(chǎn)線的不同布置了多個(gè)采集點(diǎn)，該企業(yè)僅有一臺(tái)鍋爐消耗天然氣，因而天然氣采集總體數(shù)據(jù)，能耗數(shù)據(jù)采集的結(jié)果見圖3。

圖3 能耗數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig.3 Results of energy consumption data collection

系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和查詢等功能，如圖4顯示的實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)不同月份間進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)分析比對(duì)，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)不同能源種類的消耗量進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)分析。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)時(shí)在線采集的能耗數(shù)據(jù)建立能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可形成能耗檢測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系。研究建立的統(tǒng)計(jì)信息公共通訊服務(wù)平臺(tái)具有多地域、多層次的開放性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、綜合統(tǒng)計(jì)，遠(yuǎn)程終端訪問(wèn)、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等服務(wù)功能。經(jīng)過(guò)試點(diǎn)企業(yè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)可對(duì)企業(yè)和公共機(jī)構(gòu)的日常能耗數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線采集，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、查詢等功能。

[1]陶 冶，殷振華.物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)中的應(yīng)用 [J].科學(xué)之友，2010，（12）：1-2.

[2]朱銘杰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控應(yīng)用 [J].信息與電腦，2011，（6）：151-152.

[3]張言權(quán)，張勝寶.基于嵌入式Linux的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，（4）：72-73.

[4]Neil Matthew Richard Stones.Beginning linux programming，2ndedition[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5]任 強(qiáng)，彭 瑞.嵌入式Linux下 MiniGUI的編譯、移植與實(shí)現(xiàn) [J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20（3）：13-16.

[6]李國(guó)光，王文海.基于嵌入式Linux系統(tǒng)的 MiniGUI的移植研究 [J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011，（2）：53-58.

[7]周 運(yùn)，詹華偉.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)邊緣分布方法 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（3）：804-807，811.

[8]Simon Wong K-F，Tsang I W，Cheung V，et al.Position estimation for wireless sensor networks [C]／／IEEE Globecom.2005：2772-2776.

[9]牛 星，李 捷，周新運(yùn)，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗測(cè)量及分析 [J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012，（2）：84-87.