智慧建筑能耗多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)采集關鍵技術研究

林 喆

（遼寧裝備制造職業(yè)技術學院自動控制工程學院，遼寧 沈陽 110161）

0 引言

近年來，隨著我國物聯(lián)網(wǎng)和智慧建筑技術的不斷發(fā)展，新一代信息技術在支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化轉型過程中的賦能作用日益突出，通過對建筑能耗進行遠程數(shù)據(jù)采集并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“云”應用，可以在及時、準確、高效地獲取建筑能耗數(shù)據(jù)的同時拓展其應用場景，也可為建筑能源規(guī)劃、節(jié)能環(huán)保等提供有力支撐。多網(wǎng)融合技術是指在建筑內部綜合應用無線傳感器網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)能耗儀表數(shù)據(jù)的采集與匯總，并將其發(fā)送至云端服務器中。無線傳感器網(wǎng)絡可以解決建筑內能耗儀表種類多樣、安裝位置分散的問題，還能夠降低線路布設成本，通過移動通信網(wǎng)絡可以實現(xiàn)對匯總后的本地數(shù)據(jù)進行管理及遠程傳輸，而存儲在云端服務器中的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)管理軟件進行管理和應用[1-2]。

1 建筑能耗多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構原理

建筑能耗多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由能耗儀表、無線485通信模塊、本地數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、移動通信網(wǎng)絡模塊和云端數(shù)據(jù)管理軟件組成，其基本結構原理如圖1所示。

圖1 建筑能耗多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構

在本系統(tǒng)中，建筑能耗儀表包括支持CJ/T 188—2004、DL/T 645—2007、Modbus等協(xié)議標準的水表、熱量表、燃氣表、電能表等能夠記錄建筑能耗數(shù)據(jù)的戶用計量儀表，這些儀表采用RS485接口與無線發(fā)送模塊連接并進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送模塊采用433 MHz無線網(wǎng)絡將能耗數(shù)據(jù)發(fā)送至無線485接收模塊，所使用的無線網(wǎng)絡屬于ISM頻段，其發(fā)射功率較低，適合在建筑中的低功耗場景下使用，且符合我國頻段管控要求，不易對其他無線信號產(chǎn)生干擾。系統(tǒng)中的無線信號接收模塊同樣采用RS485接口，將所采集的儀表數(shù)據(jù)進行匯總后發(fā)送至本地數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；本地數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先對接收的能耗數(shù)據(jù)所對應儀表類型進行協(xié)議配置和解析，再以數(shù)據(jù)標志為引導提取數(shù)據(jù)中的各采集項的數(shù)值發(fā)送給移動通信網(wǎng)絡模塊，利用4G移動網(wǎng)絡上傳至云端服務器[3]。

2 無線485通信模塊的原理

本系統(tǒng)中的無線485通信模塊可分為接收模塊和發(fā)送模塊兩類，分別對應建筑內無線通信網(wǎng)絡的主站和從站。在進行儀表數(shù)據(jù)采集時，為了減少發(fā)送模塊數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，可以將多個能耗儀表（一般所屬同一用戶）與一個發(fā)送模塊通過同一個RS485接口相連，系統(tǒng)將根據(jù)數(shù)據(jù)中的儀表地址數(shù)據(jù)段自動進行儀表類型識別和協(xié)議對應[4]。

無線485通信模塊主要采用Si4432射頻無線方案，信號視距傳輸距離為1～2 km，采用ST單片機和GFSK調制方式，發(fā)射功率可調，支持一對一、一對多或多點組網(wǎng)等通信模式，最多可以同時使用32個無線信道。該模塊在接收到儀表數(shù)據(jù)后先將其存入模塊的MCU緩存中，再通過無線模塊中的FIFO區(qū)打包數(shù)據(jù)并發(fā)送，其接收過程與發(fā)送過程相反，工作原理如圖2所示。

圖2 無線485通信模塊工作原理

3 無線485通信模塊的設置

無線485通信模塊可以通過串口與上位機連接進行參數(shù)設置，其設置界面如圖3所示。

圖3 無線485通信模塊設置

其中，頻道（Channel）設置的主要目的是通過設置模塊在頻段內的不同載波頻率實現(xiàn)一個區(qū)域內多個通信網(wǎng)絡并存，降低模塊間相互干擾，并實現(xiàn)對多個無線485接收模塊的區(qū)分；無線信道波特率（RF and Rate）主要是設置無線信號的傳輸速率，提高波特率可以減少信號延遲，但會造成接收靈敏度下降，傳輸距離減小，應在模塊滿足數(shù)據(jù)流轉率的情況下盡量降低該值，以增強模塊在建筑環(huán)境下的信號強度；無線串口設置（Wireless COM Setting）主要用來設置無線485模塊的接口傳輸速率和校驗方式，由于模塊MCU的緩存容量有限，因此不應將過多的儀表連接到同一個發(fā)送模塊上，以避免造成緩存數(shù)據(jù)溢出，在使用時可以通過適當降低模塊的485接口波特率并提高無線信道波特率的方式，提高數(shù)據(jù)的流轉效率，減小數(shù)據(jù)溢出的可能性；模塊發(fā)射功率（Launch Power）設置的主要目的是根據(jù)模塊在建筑內所處的不同位置對發(fā)射功率進行1～7級調節(jié)，通過對該值的設置可以在信號傳輸距離和模塊功率降低之間進行平衡。

4 本地數(shù)據(jù)采集模塊的結構及原理

本地數(shù)據(jù)采集模塊采用ATMEL低功耗處理器AT91SAM9200，該處理器接口豐富，且多數(shù)接口集成于該SoC芯片內部，具有較高的處理速度和抗干擾性能；485接口電路由驅動芯片SN65VHD12、ESD和防雷擊等保護電路組成，采用半雙工通信，用于與無線485接收模塊進行通信；模塊主要負責將多個無線485接收模塊所接收到的能耗數(shù)據(jù)進行匯總，并按照相關協(xié)議要求對所采集的數(shù)據(jù)進行解析，實現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的提取，此外，還可為無線485接收模塊提供RS485接口并為本地數(shù)據(jù)采集配置系統(tǒng)提供RJ45網(wǎng)卡接口，其電路構成如圖4所示。

圖4 本地數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路構成

本地數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能包括無線接收模塊設置、服務器網(wǎng)絡參數(shù)設置、協(xié)議配置與解析、儀表采集參數(shù)設置和本地數(shù)據(jù)監(jiān)控等。無線接收模塊設置功能用于配置485接口的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位等；服務器網(wǎng)絡參數(shù)設置功能用于配置本地網(wǎng)絡信息、數(shù)據(jù)上傳周期和云端服務器IP；協(xié)議配置與解析功能用于對儀表數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進行字段數(shù)據(jù)的提??；儀表采集參數(shù)設置功能用于對儀表的采集項名稱、分項類型和支路信息等參數(shù)進行設置；本地數(shù)據(jù)監(jiān)控功能用于對儀表數(shù)據(jù)和儀表狀態(tài)進行監(jiān)控[5]。

5 能耗儀表數(shù)據(jù)采集協(xié)議與信息幀格式

建筑能耗數(shù)據(jù)的采集對象一般包括水、電能、熱量、燃氣等儀表的數(shù)據(jù)，我國針對上述儀表數(shù)據(jù)的采集一般使用《戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術條件》（CJ/T 188—2004）和《多功能電能表通信協(xié)議》（DL/T 645—2007），這些協(xié)議標準規(guī)定了儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹瓌t、接口形式、數(shù)據(jù)鏈路、數(shù)據(jù)標志和數(shù)據(jù)表達格式的要求[6-7]。

在建筑能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層中，數(shù)據(jù)以字節(jié)的形式進行傳送，每次傳輸8個數(shù)據(jù)位（D0～D7），在此過程中加入1個起始位（0）、1個偶校驗位（E）和1個停止位（1），共11位，傳輸時由起始位開始按照先低位、后高位的順序逐位傳送。通信鏈路的建立與解除均由本地數(shù)據(jù)采集模塊所發(fā)出的信息幀控制，幀作為信息傳送的基本單元，其基本格式（以CJ/T 188—2004協(xié)議為例）如圖5所示。

圖5 CJ/T 188—2004協(xié)議信息幀格式

（1）起始符：當無線485模塊收到68H時將啟動數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。

（2）儀表類型：表示當前儀表的類型，熱量表為20H，冷量表為21H，冷熱量表為22H，冷水表為10H。

（3）地址域：由7個字節(jié)組成，每個字節(jié)采用十六進制形式編碼，低地址在前、高地址在后，當所有地址字節(jié)均為AAH時為廣播地址，但只能用于點對點通信。

（4）控制碼：1個字節(jié)（D0～D7），D7位表示傳送方向（0為主站發(fā)出控制幀，1為從站發(fā)出應答幀），D6位表示通信狀態(tài)（0正常，1異常），D5～D0位表示功能（如00001為讀取儀表數(shù)據(jù)，010101為寫表地址）。

（5）數(shù)據(jù)長度：數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，采用十六進制表示。讀數(shù)據(jù)時，L小于64H；寫數(shù)據(jù)時L小于或等于32H，等于00H時表示無數(shù)據(jù)域。

（6）數(shù)據(jù)域：包括數(shù)據(jù)標志、序列號和數(shù)據(jù)，其結構隨控制碼功能改變，本地數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的序號SER在每次通信前按模256加1運算后產(chǎn)生，一般為0AH。

（7）校驗碼：從幀起始符開始到校驗碼之前所有的字節(jié)進行二進制算數(shù)累加，若超出FFH則保留最低兩個十六進制位。

（8）結束符：表示當前信息幀發(fā)送或接收結束。

6 建筑能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)協(xié)議設置與解析方法

在建筑能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對于儀表數(shù)據(jù)的讀取首先由本地數(shù)據(jù)采集模塊生成讀數(shù)據(jù)控制幀，經(jīng)無線485收發(fā)模塊傳輸后由能耗儀表處理并返回應答幀。以CJ/T 188—2004協(xié)議下讀取熱量表數(shù)據(jù)為例，本地數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送如圖6所示的控制幀。

圖6 本地數(shù)據(jù)采集模塊控制幀

在該控制幀中，表類型為20H，即熱量表；A0～A6為所要采集的能耗儀表的地址（09590160312345），其中09590為儀表生產(chǎn)廠商代碼，1603為生產(chǎn)時間（2016年3月），12345為儀表子編號；控制碼01H（00000001B）的最高位0對應前述協(xié)議表示該幀為主站發(fā)出的控制幀，低五位00001表示該幀的功能為所讀取儀表數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)長度為03H即對應數(shù)據(jù)90H、1FH和0AH三個字節(jié)；數(shù)據(jù)標志DI0、DI1為數(shù)據(jù)段開始標志，該標志后直至校驗和之前為所傳送的數(shù)據(jù)段；校驗和A1H為從該幀的起始字節(jié)開始全部字節(jié)相加后取最低兩個十六進制位；結束標志為16H，表示該幀傳送全部結束[8]。

能耗儀表在收到上述控制幀后，將返回如圖7所示的應答幀。在應答幀中，數(shù)據(jù)標志DI0、DI1表示能耗儀表數(shù)據(jù)起始位置，在本地數(shù)據(jù)采集模塊中可以通過設置數(shù)據(jù)偏移地址和數(shù)據(jù)長度實現(xiàn)對各項數(shù)值的解析與提取。如當偏移地址為0，數(shù)據(jù)長度為4時，表示將采集冷量數(shù)據(jù)“00000456”，并以BCD碼的形式顯示，即冷量為456 kW·h，在本系統(tǒng)中的設置方法如圖8所示。

圖7 能耗儀表應答幀

圖8 本地數(shù)據(jù)采集模塊協(xié)議設置

在DL/T 645—2007協(xié)議下對電能儀表的數(shù)據(jù)采集設置如圖9所示，在該協(xié)議的應答幀中數(shù)據(jù)段長度均為4個字節(jié)，對電能儀表的各采集分量分別使用不同數(shù)據(jù)標志DI3～DI0作為數(shù)據(jù)段的起始標志，如“00000000”表示采集儀表的總電能，“00010000”表示采集正向有功功率，在本系統(tǒng)中的設置方法如圖9所示。

圖9 本地數(shù)據(jù)采集模塊DL/T 645—2007協(xié)議設置

7 結語

建筑能耗多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜合利用短距離無線傳感器網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)絡實現(xiàn)對建筑能耗數(shù)據(jù)的采集與智能化管理，通過在本地數(shù)據(jù)采集器內對CJ/T 188—2004、DL/T 645—2007協(xié)議標準的解析，能夠有效提取儀表數(shù)據(jù)，為我國智慧建筑的建設與發(fā)展提供了有效參考。