，，

(遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)控制工程學(xué)院, 沈陽 110161)

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)綠色發(fā)展方式和生活方式的倡導(dǎo)，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為了我國(guó)的基本國(guó)策，北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)民用建筑集中供熱信息也被住建部列為2018年《民用建筑能源消耗統(tǒng)計(jì)調(diào)查制度》的重點(diǎn)調(diào)查內(nèi)容，這進(jìn)一步說明我國(guó)對(duì)供熱能耗監(jiān)測(cè)的重視程度。本文針對(duì)北方地區(qū)供熱形式改按面積收費(fèi)為按用量收費(fèi)的強(qiáng)烈需求，提出了一種基于云服務(wù)器技術(shù)的ISM與4G網(wǎng)絡(luò)融合無線熱計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要利用ISM無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)建筑內(nèi)部的熱計(jì)量前端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)采集，再通過中心節(jié)點(diǎn)匯總后，經(jīng) 4G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、處理并遠(yuǎn)距離上傳至服務(wù)器，在云端完成熱計(jì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)集中計(jì)量和管理。系統(tǒng)中部署靈活的ISM網(wǎng)絡(luò)有效地簡(jiǎn)化建筑內(nèi)部節(jié)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)形式；廣泛覆蓋的高速4G網(wǎng)絡(luò)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和適用性；云服務(wù)器技術(shù)的加入則進(jìn)一步擴(kuò)展了系統(tǒng)的終端應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了云上供熱數(shù)據(jù)的高效集成。

1 ISM與4G網(wǎng)絡(luò)融合的無線熱計(jì)量云系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

ISM與4G網(wǎng)絡(luò)融合的無線熱計(jì)量云系統(tǒng)是融合了智能儀表技術(shù)、無線通訊技術(shù)、云服務(wù)器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的遠(yuǎn)程無線熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，主要包含了單體建筑內(nèi)部連接熱量表的ISM網(wǎng)絡(luò)無線熱計(jì)量前端節(jié)點(diǎn)模塊、負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)的4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊、能夠?qū)?shù)據(jù)采集方式控制的本地?cái)?shù)據(jù)采集配置系統(tǒng)、進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的TCP/IP云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫和用于數(shù)據(jù)管理服務(wù)的系統(tǒng)軟件五部分構(gòu)成，其基本系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ISM與4G網(wǎng)絡(luò)融合的無線熱計(jì)量云系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) 圖2 ISM網(wǎng)絡(luò)無線熱計(jì)量系統(tǒng)前端節(jié)點(diǎn)模塊參數(shù)配置

在本系統(tǒng)中，多個(gè)與用戶熱量表相連的無線前端節(jié)點(diǎn)和負(fù)責(zé)匯總的無線中心節(jié)點(diǎn)通過無線透明傳輸方式構(gòu)成了頻率為433 MHz的ISM自組織網(wǎng)絡(luò)完成單體建筑內(nèi)部的熱計(jì)量數(shù)據(jù)近距離無線采集，該數(shù)據(jù)經(jīng)RS485接口以表號(hào)作為地址標(biāo)識(shí)上傳至熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集模塊完成協(xié)議解析后，再通過4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)射模塊與云服務(wù)器建立TCP/IP連接實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)的保存和管理服務(wù)應(yīng)用。

2 ISM網(wǎng)絡(luò)無線熱計(jì)量節(jié)點(diǎn)模塊

ISM網(wǎng)絡(luò)是世界各國(guó)開放給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療所使用的頻段，使用該頻段時(shí)無需授權(quán)許可，由于發(fā)射功率較低，所以對(duì)其它設(shè)備造成干擾小，適合在建筑內(nèi)部構(gòu)建無線熱計(jì)量節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)降低布線成本并實(shí)現(xiàn)靈活部署。本系統(tǒng)使用433.078 2 MHz作為ISM網(wǎng)絡(luò)中心載波頻率完成熱計(jì)量數(shù)據(jù)的無線傳輸，系統(tǒng)所使用的ISM網(wǎng)絡(luò)熱計(jì)量節(jié)點(diǎn)模塊由若干個(gè)無線前端節(jié)點(diǎn)和少量無線中心節(jié)點(diǎn)組成，無線熱計(jì)量節(jié)點(diǎn)通過RS485接口與熱量表進(jìn)行連接并對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集后的數(shù)據(jù)以熱量表表號(hào)作為地址標(biāo)識(shí)發(fā)送至ISM網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總，無線中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)建筑內(nèi)所有前端節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的熱計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和管理，以此方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成及節(jié)省4G模塊數(shù)據(jù)采集端口的目的，其信號(hào)數(shù)據(jù)幀格式按照CJ T188-2004《戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如表1所示。

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提高其適應(yīng)性，在某一建筑內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)模塊通訊鏈路層無線信號(hào)采用廣播模式，模塊之間的熱計(jì)量數(shù)據(jù)通訊采用半雙工透明傳輸，當(dāng)任意節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)時(shí)，在其信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，相同信道的節(jié)點(diǎn)都能夠接收到信息，并通過節(jié)點(diǎn)的地址標(biāo)識(shí)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。此外，為了避免建筑內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊通訊相互干擾，可以采用設(shè)置不同的載波頻率的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分組，以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)建筑內(nèi)有多個(gè)ISM網(wǎng)絡(luò)并存，節(jié)點(diǎn)模塊參數(shù)可以通過軟件進(jìn)行配置，其配置方式如圖2所示。

表1 熱計(jì)量數(shù)據(jù)信號(hào)幀格式

其主要功能參數(shù)如表2所示。

表2 ISM網(wǎng)絡(luò)無線熱計(jì)量系統(tǒng)前端節(jié)點(diǎn)模塊參數(shù)配置

3 G網(wǎng)絡(luò)熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊

4G網(wǎng)絡(luò)熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊由采集模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩部分組成。

熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)將多個(gè)無線中心節(jié)點(diǎn)所采集到的熱計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總收集，并按照CJ 128-2007《熱量表》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的協(xié)議要求對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱計(jì)量數(shù)據(jù)的提取，此外還為ISM網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)提供RS485接口并為本地?cái)?shù)據(jù)采集配置系統(tǒng)提供所使用的RJ45網(wǎng)卡接口；4G數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的主要功能是將采集到的熱計(jì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4G信號(hào)的形式在傳輸層使用基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)管理終端，4G網(wǎng)絡(luò)熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊硬件電路構(gòu)成如圖3所示。

圖3 4G網(wǎng)絡(luò)熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊硬件電路構(gòu)成

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊采用ATMEL低功耗處理器AT91SAM9200作為MCU，該處理器接口豐富，且多數(shù)接口均集成于該SoC芯片內(nèi)部，具有較高的處理速度和抗干擾性能；RS485接口電路由驅(qū)動(dòng)芯片SN65VHD12、ESD和防雷擊等保護(hù)電路組成，采用半雙工通信，用于與ISM網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)之間通信；具有RJ45接口的網(wǎng)卡MAC層集成在MCU內(nèi)部構(gòu)成10 M/100 M自適應(yīng)網(wǎng)卡供本地?cái)?shù)據(jù)采集配置系統(tǒng)使用，物理層采用DM9161AEP和2KV隔離變壓器；控制臺(tái)接口主要提供程序跟蹤、程序更新以及部分參數(shù)配置功能，由RS232電平轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路組成，采用全雙工通信；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路為T-Flash卡，可備份較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的熱計(jì)量歷史數(shù)據(jù)；時(shí)鐘系統(tǒng)主要由高精度PCF8563T時(shí)鐘芯片、振蕩電路、電池備份等電路組成，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)間；由SP706R芯片組成的硬件看門狗電路可以實(shí)現(xiàn)死機(jī)后系統(tǒng)的自動(dòng)恢復(fù)功能；此外，電源電路采用9～24 V直流電源供電，經(jīng)穩(wěn)壓流、濾波后由電源管理芯片和LDO芯片分別輸出5 V和3.3 V直流電壓供模塊使用。

4G網(wǎng)絡(luò)熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊的軟件設(shè)計(jì)采用開源的RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)層，中間層和應(yīng)用層組成，具有實(shí)時(shí)性高，易維護(hù)、性能穩(wěn)定、占用資源少等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)層位于整個(gè)系統(tǒng)的底層，它為其它層提供硬件操作接口，通過調(diào)用該層的API接口即可完成相應(yīng)操作，無需直接對(duì)硬件執(zhí)行具體操作；中間層負(fù)責(zé)處理公共事務(wù)，為應(yīng)用層提供相關(guān)服務(wù)；應(yīng)用層則主要處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集和控制臺(tái)三個(gè)具體應(yīng)用事務(wù)，并與其它次要任務(wù)協(xié)同完成采集收發(fā)模塊的整體功能，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 4G網(wǎng)絡(luò)熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊軟件設(shè)計(jì)

4 TCP/IP無線熱計(jì)量云系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線熱計(jì)量云系統(tǒng)構(gòu)建于Windows Server云服務(wù)器平臺(tái)上，它的主要功能是對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊進(jìn)行集中管理，并對(duì)熱計(jì)量數(shù)據(jù)包進(jìn)行信息的提取及解密、將有用數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)為無線熱計(jì)量系統(tǒng)軟件提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)多建筑熱計(jì)量數(shù)據(jù)(熱量、流量、累計(jì)流量、供回水溫度和累計(jì)工作時(shí)間等)的遠(yuǎn)程采集、集中存儲(chǔ)和管理。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信為基于IP協(xié)議的云數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在傳輸層使用TCP協(xié)議，全雙工傳輸方式，C/S模式，各建筑內(nèi)的采集收發(fā)模塊為客戶端，數(shù)據(jù)中心云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)服務(wù)和管理軟件為服務(wù)端，其通信示意圖如圖5所示。

圖5 無線熱計(jì)量云數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信示意圖

當(dāng)進(jìn)行熱計(jì)量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊首先向數(shù)據(jù)中心云服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，數(shù)據(jù)中心云服務(wù)器響應(yīng)后啟用TCP監(jiān)聽，連接建立后，數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊將定時(shí)向中心云服務(wù)器發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包以監(jiān)測(cè)連接狀態(tài)，如果連接中斷則重新建立連接。TCP連接建立后，中心云服務(wù)器首先對(duì)數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊進(jìn)行身份認(rèn)證，完成后，將通過心跳包對(duì)采集收發(fā)模塊進(jìn)行授時(shí)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)采集模式，并采用加密方式對(duì)命令和數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸；系統(tǒng)數(shù)據(jù)包使用XML格式，并以文本形式上傳，所有數(shù)據(jù)包均包含對(duì)應(yīng)的建筑編碼和采集收發(fā)模塊編碼，此外還包括身份驗(yàn)證、請(qǐng)求數(shù)據(jù)包、隨機(jī)序列數(shù)據(jù)包、MD5值數(shù)據(jù)包、認(rèn)證結(jié)果數(shù)據(jù)包、系統(tǒng)授時(shí)和心跳、請(qǐng)求數(shù)據(jù)包、響應(yīng)數(shù)據(jù)包、配置驗(yàn)證、響應(yīng)數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳包等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊將暫時(shí)存儲(chǔ)未上傳的熱計(jì)量數(shù)據(jù)，待連接恢復(fù)后進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳；而當(dāng)熱計(jì)量節(jié)點(diǎn)或數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊則主動(dòng)向云服務(wù)器發(fā)送故障信息，熱計(jì)量數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊與中心云服務(wù)器熱計(jì)量數(shù)據(jù)傳輸流程

5 熱計(jì)量數(shù)據(jù)管理服務(wù)系統(tǒng)軟件

熱計(jì)量數(shù)據(jù)管理服務(wù)系統(tǒng)軟件是安裝于Windows Server云服務(wù)器平臺(tái)的熱計(jì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、管理云服務(wù)器程序，通過它能夠進(jìn)行熱計(jì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與歷史查詢，發(fā)送遠(yuǎn)程指令控制采集收發(fā)模塊及其所連接的熱量表，其基本流程如圖7所示。

圖7 熱計(jì)量數(shù)據(jù)管理服務(wù)軟件流程

此外，軟件中的設(shè)備管理窗口可以顯示熱計(jì)量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊的基本信息和連接狀態(tài)，通過列表中的建筑編碼就可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)采集收發(fā)模塊的狀態(tài)查看、傳輸配置、數(shù)據(jù)刷新、固件升級(jí)和設(shè)備重啟等操作；軟件中的日志信息窗口負(fù)責(zé)軟件運(yùn)行狀態(tài)和日志信息的顯示，包括顯示當(dāng)前建筑總數(shù)、在線模塊數(shù)、數(shù)據(jù)保存模式，數(shù)據(jù)庫類型，上線下線數(shù)據(jù)庫表更新等信息。運(yùn)行參數(shù)設(shè)置界面可以用于配置云服務(wù)器IP地址、訪問端口號(hào)、保存接收數(shù)據(jù)的方式與路徑等信息，系統(tǒng)軟件提供了兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式：第一種是直接將 XML 數(shù)據(jù)包寫入到云服務(wù)器指定的路徑中，第2種是將熱計(jì)量數(shù)據(jù)包解析后存入云服務(wù)器上指定的數(shù)據(jù)庫中。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測(cè)試系統(tǒng)的工作性能，在后期實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用中對(duì)ISM與4G網(wǎng)絡(luò)融合的無線熱計(jì)量云系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 ISM與4G網(wǎng)絡(luò)融合的無線熱計(jì)量云系統(tǒng)的性能指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本系統(tǒng)所采集的熱計(jì)量數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)與類型符合CJ 128-2007《熱量表》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)熱量計(jì)量的技術(shù)規(guī)范；無線前端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的工作頻率也符合我國(guó)對(duì)ISM頻段的使用許可要求，較低的發(fā)射功率既保證對(duì)其它設(shè)備干擾微小，又適用于大部分單體建筑內(nèi)的數(shù)據(jù)近距離、低功耗傳輸；采集收發(fā)模塊利用廣泛覆蓋的4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)熱計(jì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離采集，擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍；本地和云服務(wù)器并行的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式也極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

7 結(jié)束語

使用ISM與4G網(wǎng)絡(luò)融合的方法能夠在云服務(wù)器上高效地對(duì)無線熱計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集與匯總，系統(tǒng)所使用的ISM網(wǎng)絡(luò)解決了建筑內(nèi)部熱量表節(jié)點(diǎn)安裝過程中布線復(fù)雜、施工難度大的問題，極大地提升了熱量表節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性；通過數(shù)據(jù)采集與收發(fā)模塊能夠有效地對(duì)熱計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、轉(zhuǎn)換、信息提取和本地采集配置；另外，覆蓋廣泛的4G網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器的協(xié)同工作極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性并擴(kuò)展了系統(tǒng)終端的交互性，為建筑能耗智能化、網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量提供了一種有效的解決途徑，具有廣闊發(fā)展空間與前景。