數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)在電能計量管理系統(tǒng)中的設(shè)計

吳偉濤

摘要：我國電力市場正在走向國際化。而目前針對傳統(tǒng)電能管理方式存在的電能浪費現(xiàn)象，采用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建了電能計量管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，以提高電能管理的智能化和信息化程度，實現(xiàn)節(jié)約用電的目的。該數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件部分模塊結(jié)構(gòu)和功能劃分清晰，工作可靠性較高;軟件部分結(jié)合硬件的模塊化結(jié)構(gòu)進行模塊化編程，并對TCP/IP協(xié)議族進行了剪裁，數(shù)據(jù)經(jīng)MD5校驗和AES加密后，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和安全性能均表現(xiàn)良好。

關(guān)鍵詞：電能計量管理;數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)

引言

為了保證我國電力市場更好地發(fā)展，在推行和運營過程中，一定要完善相關(guān)的制度。尤其是在當今這個科學(xué)技術(shù)發(fā)展較快的時代，任何一個行業(yè)的發(fā)展和管理制度都必須趨于現(xiàn)代化。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)下的電能計量管理系統(tǒng)必須要實現(xiàn)電能數(shù)量計量自動化、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互通自動化等。加快電能計量管理系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展，是為了提高電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的工作效率，減少和降低用戶和企業(yè)在電能質(zhì)量管理系統(tǒng)上消耗的時間和精力，為用戶和企業(yè)帶來更大的利益。

1硬件設(shè)計

1.1數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)功能分析

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)是軟硬件一體化集成設(shè)計實現(xiàn)的數(shù)據(jù)交換中間件，它不僅是各種傳感設(shè)備的通信控制網(wǎng)關(guān)，還是大量移動傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)接收網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中可通過串口實現(xiàn)和電表的通訊，通過以太網(wǎng)接口實現(xiàn)和服務(wù)器的通訊，通過本地接口完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置的功能。該數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通過在通訊接口中使用接地屏蔽層，通訊中采用MD5校驗等方法提高系統(tǒng)的可靠性;通過在通訊過程中使用AES算法保障系統(tǒng)的安全性;依靠命令查詢模式，通過中斷來進行響應(yīng)保證系統(tǒng)的實時性;硬件設(shè)計時利用ARM芯片CPU的低功耗特性來降低網(wǎng)關(guān)的功耗。

1.2數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的技術(shù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的技術(shù)架構(gòu)主要體現(xiàn)在以下四方面：第一，感知接入層。它主要由感知設(shè)備和感知網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如RFID、ZIGBEE、WIFI等。為了能更好的解析各種協(xié)議及感知多種類型網(wǎng)絡(luò)，必須接入這些相關(guān)設(shè)備并匹配外插拔模塊，同時根據(jù)特定場景選擇相應(yīng)的協(xié)議以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)的目的。第二，適配器層。它主要由協(xié)議解析和接口管理構(gòu)成，借助適配器處理各種數(shù)據(jù)協(xié)議，使各類數(shù)據(jù)和指令更加規(guī)范化。第三，轉(zhuǎn)換控制層。它主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)校驗和遠程管理等功能構(gòu)成，為達到管理協(xié)議在上下層之間的相互轉(zhuǎn)換和通信，轉(zhuǎn)換控制層將統(tǒng)一封裝下層的適配器和感知網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時通信對接上層的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。第四，信息網(wǎng)絡(luò)接入層。它可與多種接入方式相匹配，這有利于上層管理平臺有效接收數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)，從而為數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和行業(yè)應(yīng)用開發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)。

2軟件設(shè)計

由于數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的核心工作是接收數(shù)字式電表發(fā)來的電能數(shù)據(jù)并對其進行處理，同時上傳至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)電能管理的數(shù)字化和信息化。因此結(jié)合功能要求，對數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)設(shè)計流程圖。在具體軟件功能實現(xiàn)方面，將軟件系統(tǒng)功能分為串口模塊、存儲器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、看門狗模塊、實時時鐘模塊等功能模塊。

2.1串口模塊軟件設(shè)計

串口模塊分為UART0和UART1兩部分，其中UART0部分主要完成和數(shù)字電表的通信，UART1部分主要完成和設(shè)置器的通信，完成網(wǎng)關(guān)編號、IP地址等參數(shù)的設(shè)置。以UART0為例，其采用DL/T645—1997多功能電能表通信規(guī)約，采用中斷方式接收電表數(shù)據(jù)。程序主要分為2個部分：第1部分使用的是查詢命令發(fā)送函數(shù)，主要通過網(wǎng)關(guān)給相應(yīng)的電表發(fā)送查詢命令，完成校驗和接收到的數(shù)據(jù)比較工作。第2部分是中斷接收函數(shù)，主要完成對接收數(shù)據(jù)的校驗工作。判斷接收數(shù)據(jù)是否正確，如正確，則將數(shù)據(jù)存儲到對應(yīng)的位置，同時查詢電表號加1，啟動對下一個電表的查詢;如錯誤，網(wǎng)關(guān)重新發(fā)送查詢命令，累計錯誤達兩次時，查詢電表號加1，開始查詢下一個電表，直至電表號加1后大于該網(wǎng)關(guān)所帶的電表數(shù)為止。

2.2數(shù)據(jù)處理模塊軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)處理模塊完成的主要工作是根據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與電表的通訊協(xié)議，解包從電表接收的數(shù)據(jù)，并存儲到指定的緩沖區(qū)中。其數(shù)據(jù)使用XML數(shù)據(jù)格式，并采用MD5算法進行校驗，采用AES對數(shù)據(jù)進行加密后上傳。

2.3存儲器模塊軟件設(shè)計

存儲器模塊軟件設(shè)計主要針對外擴存儲器模塊，其中外擴ram存儲器主要完成緩存功能，只需要對存儲空間控制做出合理分配即可，外擴flash存儲器軟件設(shè)計主要包括對數(shù)據(jù)的讀、寫和擦除3個部分。

2.4TCP/IP協(xié)議的剪裁和實現(xiàn)

結(jié)合硬件設(shè)計中使用嵌入式系統(tǒng)進行開發(fā)的特點，對TCP/IP協(xié)議進行了剪裁和實現(xiàn)，只保留與系統(tǒng)功能有關(guān)的協(xié)議，并對部分協(xié)議進行簡化。例如ARP協(xié)議只保留支持以太網(wǎng)的功能，其他功能全部剪裁掉等。簡化后的協(xié)議仍符合標準規(guī)定，具體實現(xiàn)內(nèi)容包括以太網(wǎng)協(xié)議、ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議的實現(xiàn)等。以ICMP協(xié)議為例，與完整的ICMP協(xié)議可以完成檢查目的地址、數(shù)據(jù)控制、檢查路由等各種功能不同，本系統(tǒng)中只保留IC-MP協(xié)議中測試網(wǎng)絡(luò)是否聯(lián)通的功能，

3數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)處理技術(shù)

第一，多線程模型。它可為每一個鏈接都創(chuàng)建一個線程，其操作簡單，效率高。即使出現(xiàn)少量并發(fā)鏈接的狀況，多線程模型也能利用創(chuàng)建相關(guān)的線程進行有效解決。若出現(xiàn)大量并發(fā)鏈接的狀況，多線程模型需采用高性能計算機對其進行計算。第二，事件驅(qū)動的單線程模型。它的通用性更強，拓展性更高，主要包括主線程和多個異步操作。主線程對其起著十分關(guān)鍵的作用，應(yīng)對其進行統(tǒng)一調(diào)整和管理。主線程的目的就是處理實際的各種計算任務(wù)，一旦出現(xiàn)多種任務(wù)滯礙的狀況，事件驅(qū)動的單線程模型就會自動轉(zhuǎn)換為異步操作，從而導(dǎo)致編程相對復(fù)雜。因此便提出了半異步模式，它將多線程模型與事件驅(qū)動的單線程模型相互結(jié)合，使其優(yōu)勢互補，從而綜合提升對數(shù)據(jù)的處理能力。對基于云計算的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)來說，它主要采用異步服務(wù)通信層與同步服務(wù)通信層相互結(jié)合來進行數(shù)據(jù)處理，利用同步服務(wù)通信層來處理多線程應(yīng)用;利用異步服務(wù)通信層來處理需要提高性能的應(yīng)用。為基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能更好的運行，必須在同步通信層和異步通信層之間添加一個交互層，以確保兩層之間能有效通信，使其掌握每層之間的應(yīng)用處理狀況。這對簡化并發(fā)編程來說十分便利，大幅提升了服務(wù)器的性能。

3.2對象數(shù)據(jù)庫編碼與格式轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)主要處理各種主流數(shù)據(jù)庫的存儲，例如SYSBASE、ORACLE、SQLSERVER等。同時，對象編碼還能與多個技術(shù)標準相融合并利用XML編寫所需的對象信息，它綜合了8種編碼類型：GDTI、SGLN、SGTIN、GID、GSRN、GRAI、GIAI、SSCC。

結(jié)束語

綜上所述，智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集及時可靠，既可以完成命令查詢數(shù)據(jù)工作，又可以完成主動定時查詢數(shù)據(jù)工作，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)部分傳輸故障時的數(shù)據(jù)保存。經(jīng)運行測試，該網(wǎng)管系統(tǒng)通信方便可靠，作為電量計量管理系統(tǒng)的重要組成部分，可以配合管理系統(tǒng)完成對電表信息和各項數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和處理，具有較好的實用價值。

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