1、.DOI:10.13614/ki.11-1962/tu.2013.04.002.第 29 卷第 4 期2013 年 4 月建筑科學(xué)BUILDING SCIENCEVol. 29，No. 4 Apr 2013文 章編號(hào)1002-8528( 2013) 04-0049-04建筑能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)趙亮，張吉禮，梁若冰( 大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部 ，大 連 116024)摘 要 針對(duì)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑的能耗監(jiān)測(cè)需求 ，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一款基于 STM32 處理器的數(shù)據(jù)采集 與傳輸系統(tǒng) ，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊 、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊 3 個(gè)部分組成 ，支持對(duì)建筑用

2、電量 、用 水量 、用 熱量等能耗 數(shù)據(jù)的信息采集 ，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器 。目前 ，該 系統(tǒng)已經(jīng)投入使用 ，結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠 ，能 夠 完成能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓ぷ?。關(guān) 鍵詞 數(shù)據(jù)采集; 能耗監(jiān)測(cè); 建筑節(jié)能; 網(wǎng)絡(luò)通信中 圖分類號(hào) TU17文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ADesign and Implementation of Acquisition and Transmission System of Building Energy Consumption DataZHAO Liang，ZHANG Ji-li，LIANG Ruo-bing( Faculty of Infrastr

3、ucture Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)Abstract In this paper，aiming at the demands of building energy consumption monitoring in government office buildings and large public buildings，a data acquisition and transmission system based on STM32 microcontroller was introd

4、uced This system consisted of data collection module，data store module and data transmission module，which could collect the energy consumption of electric，water and heat，and transmit them to the data center server At present，this system had been applied in some buildings，the results indicated that i

5、t could completely satisfy the requirements of energy consumption acquisition and transmissionKeywords data acquisition，energy consumption monitoring，building energy efficiency，network communication0引言2011 年英國石油公司公布 的世 界能源統(tǒng)計(jì)年 鑒顯示，我國能源消費(fèi) 量占全球的 20. 3% ，首 次超 過了占全球能源消費(fèi)量 19% 的美國1。 至此，我 國 已成為世界上能源消耗最大的國家，

6、所 承受的節(jié)能 減排壓力之大不言而喻。隨著我國城市化的快速發(fā) 展以及工業(yè)化進(jìn)程的加快，建筑能耗逐年增加，能源 需求不斷加大與能源相對(duì)不足的矛盾日益加重。目 前，建筑在使用過 程中的運(yùn)行能耗已經(jīng)超過了國民 經(jīng)濟(jì)總能耗的 27% ，建筑 與工業(yè)、交 通并列，成 為我 國能源消耗 的 3 大“耗 能 大 戶 ”2 -4 。 因 此，建 筑 節(jié) 能已成為解決能源供應(yīng)不足和提高能源利用效率的 重要途徑之一，對(duì) 促進(jìn)全社會(huì)節(jié)能減排有著重要意 義。而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的首要條件是掌握建筑用能情收 稿日期 2012 -11 -09作 者簡(jiǎn)介 趙 亮( 1983 -) ，男 ，在讀博士研究生 聯(lián) 系方式 zliang

7、dut qq com況，進(jìn)一 步 發(fā) 現(xiàn) 耗 能 突 出 的 問 題5。 在 此 背 景 下， 建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1. 1系統(tǒng)需求分析針對(duì)國家機(jī)關(guān) 辦公建筑和大型公共建筑能耗 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技 術(shù) 導(dǎo) 則 以 及高 等 學(xué) 校 校 園 建 筑 節(jié) 能 監(jiān)管系統(tǒng)導(dǎo)則 中對(duì)數(shù)據(jù)采集器的需求分 析6 ，本 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集器具備如下功能。1) 數(shù)據(jù)采集: 支持定時(shí)采集，周 期可以從 1 min 到 1 h 靈活配置; 支持同時(shí)對(duì) 64 臺(tái)計(jì)量裝置設(shè)備進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集; 支持同時(shí)對(duì)不同種類的計(jì)量裝置進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集，包 括 電 能 表 ( 含 單 相 電 能 表、三 相 電 能 表、

8、多功能電能表) 、水表、燃?xì)獗怼? 冷) 量表等。2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ): 配置 2 GB 容量的 SD 卡存儲(chǔ) 器， 可存儲(chǔ) 1 個(gè)月的能耗數(shù)據(jù)信息。3) 數(shù)據(jù)傳輸: 支 持 同 時(shí) 向 2 個(gè) 數(shù) 據(jù) 中 心 ( 服 務(wù) 器) 發(fā)送數(shù) 據(jù)，因 傳 輸 網(wǎng) 絡(luò) 故 障 等 原 因 造 成 傳 輸 中50建 筑 科 學(xué)第 29 卷斷時(shí)，待恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能后，利用斷點(diǎn)續(xù)傳可將數(shù) 據(jù)進(jìn)行重新傳輸。1. 2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本 系 統(tǒng) 采 用 STM32F103VET6 作 為 核 心 處 理 器，該芯片是 STM32 系 列 的 增 強(qiáng) 型 芯 片，內(nèi) 部 集 成 較大容量的存儲(chǔ)器和豐富的硬件接口電路。工作頻 率

9、為 72 MHz，具有 5 路 USART 串行通信接口、64 K 字節(jié) SRAM 存儲(chǔ)器，512 K 字節(jié) Flash 程序存儲(chǔ)器， 具有 I2C、SPI、SDIO 等多種通用串行通信接口，具有 較強(qiáng)的 抗 干 擾 能 力，在 工 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用7。采用 W5100 作為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)芯片，該 芯片集成 了全硬件的 TCP / IP 協(xié) 議 棧，是一款多功能的單片 網(wǎng) 絡(luò) 接 口 芯 片8。 具 備 SPI 通 信 接 口，方 便 與 STM32 控制連接，可支持 4 個(gè)獨(dú)立端口同時(shí)運(yùn)行，滿 足國家導(dǎo)則 的 要 求。 存 儲(chǔ) 模 塊 采 用 SD 卡 實(shí) 現(xiàn)，通 過高速

10、的 SDIO 通信接口與 STM32 處理器進(jìn)行數(shù)據(jù) 存取。數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示，主 要分為 STM32 核 心 控 制 模 塊、數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊、數(shù) 據(jù) 存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、硬件看門狗模塊等幾個(gè)部 分。其中核心控制模塊由系統(tǒng)復(fù)位電路 、時(shí)鐘電路、 JTAG 調(diào)試電路以及串口監(jiān)測(cè)電路組成。圖 1 數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu)圖 1. 3系統(tǒng)工作流程依照國家導(dǎo)則，數(shù)據(jù)采集器與 數(shù)據(jù)中心之間的 通信流程如圖 2 所示。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器需要提供 1 個(gè)獨(dú)立的公 網(wǎng) IP 地 址 以 及 相 應(yīng) 的 TCP 通 信 端 口。 首先，服務(wù)器開啟數(shù)據(jù)采集軟件程序，打開端口進(jìn)行 TCP 監(jiān)

11、聽; 數(shù)據(jù)采集器開始工作后主動(dòng)向數(shù)據(jù)中心 發(fā)起 TCP 連接，成 功 建 立 連 接 之 后，服 務(wù) 器 對(duì) 該 數(shù) 據(jù)采集器進(jìn)行身份驗(yàn)證，身份驗(yàn)證通過后，數(shù)據(jù)中心 向數(shù)據(jù)采集器下發(fā)配置包，其中包括對(duì)應(yīng)該采集器 的末端儀表地址、編 號(hào)、定時(shí)采集 周期等相關(guān)信息。數(shù)據(jù)采集器解析配置包之后 ，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难h(huán)過程。數(shù)據(jù)采集器工作過程中， 定時(shí)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接的狀 態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)連接斷開，則進(jìn)行重新連接。應(yīng)用層數(shù) 據(jù)包使用 XML 格式進(jìn)行編碼，以文本形式進(jìn)行數(shù) 據(jù) 遠(yuǎn)傳。圖 2 數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)中心通信流程圖 2系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析2. 1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集

12、模塊采用 RS485 總線接口，計(jì) 量?jī)x表 的通信協(xié)議主要是 Modbus-RTU 協(xié)議。 RS485 總線 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、成本低廉、方便與現(xiàn)場(chǎng)儀表對(duì)接等特 點(diǎn)9。Modbus 通信協(xié) 議 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 信 號(hào) 傳 輸 穩(wěn) 定 可 靠、容錯(cuò)能力強(qiáng)、軟件編程較容易實(shí)現(xiàn)。采集模塊首 先查找配置包中的各模塊的通信地址 ，按 照地址進(jìn) 行循環(huán)讀取。采集程序流程如圖 3 所示，為 了保證 系統(tǒng) RS485 網(wǎng)絡(luò)的正常工作，通 信過程中必須進(jìn)行 超時(shí)檢測(cè)。 一 般 取 超 時(shí) 時(shí) 間 T 為 系 統(tǒng) 正 常 通 信 時(shí) 間的 3 5 倍，當(dāng)系統(tǒng)超時(shí)后，如果從端沒有反應(yīng)，則 退出本次采集，重 新發(fā)送該模塊

13、的采集指令進(jìn)行再 次采集程序，延時(shí)一段時(shí)間后，重新對(duì)該模塊進(jìn)行采 集，同時(shí) 超時(shí)計(jì)數(shù)器加 1，當(dāng) 計(jì)數(shù)器 累 加 到 3 時(shí)，判 定該支路模塊為物理故障 ，放棄對(duì)其進(jìn)行采集，記錄 該支路信息，跳 過 該 模 塊，采 集 地 址 加 1，繼 續(xù) 其 余第 4 期趙 亮 ，等 : 建筑能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 51模塊的采集工作。圖 3 數(shù)據(jù)采集流程圖 2. 2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊按照數(shù)據(jù) 采 集 器 最 多 掛 載 100 個(gè) 計(jì) 量 模 塊 計(jì) 算，這里以 電 量 儀 表 為 例 ( 電量 儀表的測(cè)量參數(shù)最 多) ，具體格式如下: MeterModule _ 01AF _ CMName =

14、“140100 Fn20201A001” F_UA xxxx / F_UA F_UB xxxx / F_UB F_UC xxxx / F_UC F_IA xxxx / F_IA F_IB xxxx / F_IB F_IC xxxx / F_IC F_ZP xxxx / F_ZP F_ZQ xxxx / F_ZQ F_COSF xxxx / F_COSF F_PA xxxx / F_PA F_PB xxxx / F_PB F_PC xxxx / F_PC F_OrigValue xxxxxxxx / F_OrigValue / MeterModule_01A 測(cè)量參數(shù)包括累計(jì)電量、三相電壓、三相

15、電流等 共計(jì) 13 項(xiàng)，334 Bytes。 取 1 min 為最小采集周期， 則每天的 數(shù) 據(jù) 總 量 為 24 h 60 min 334 Bytes 100，約為 45. 9 MB，1 個(gè) 月 的 存 儲(chǔ) 所 需 空 間 為 31 45. 9 MB = 1 423 MB。本系統(tǒng)采用 2 GB 的 SD 卡作 為存儲(chǔ)介質(zhì)，可 以 滿 足 1 個(gè) 月 的 存 儲(chǔ) 需 求。 STM32 處理器可以通過 SPI 或者 SDIO 兩種通信方式與 SD 卡進(jìn)行通 信。 本 系 統(tǒng) 中 采 用 的 是 SDIO 總 線 模 式，分為主機(jī)( HOST) 端和設(shè)備端( DEVICE) 兩端，所 有 的通信都

16、 是 由 HOST 端 發(fā) 出 命 令 開 始 的。 DEVICE 端只要能解析 HOST 的 命 令，就 可 以 同 HOST 進(jìn) 行 通信。本系 統(tǒng) 在 SD 卡 中 建 立 1 31 個(gè) 文 件 夾，代 表每個(gè)月的 1 31 日，每 天的數(shù)據(jù)存入對(duì)應(yīng)的文件 夾中。2. 3 網(wǎng)絡(luò)模塊網(wǎng)絡(luò)模塊主要負(fù)責(zé)接收服務(wù)器下發(fā)的配置信息 以及將能耗數(shù)據(jù)上傳。網(wǎng)絡(luò)模塊軟件程序主要分為 以下幾個(gè)部分。1) 初始化: 對(duì) W5100 的 MAC 地 址、默 認(rèn) IP 地 址、默 認(rèn) 網(wǎng) 關(guān) 地 址 設(shè) 定，初 始 化 SOCKET0 和 SOCKET1，并設(shè)置為 TCP 客戶端工作模式。2) 客戶端 配 置:

17、 數(shù) 據(jù) 采 集 器 工 作 之 前，需 要 對(duì) 其網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn) 行 重 新 配 置，主 要 包 括 建 筑 ID、數(shù) 據(jù) 采集器 ID、配置真實(shí)的 IP 地址、網(wǎng)關(guān) 地址、1 號(hào)服務(wù) 器的 IP 地址、1 號(hào)服務(wù)器通信端口，2 號(hào)服務(wù)器的 IP 地址、2 號(hào)服務(wù)器的通信端口。3) 接 收 數(shù) 據(jù): 數(shù) 據(jù) 接 收 采 用 中 斷 方 式，當(dāng) W5100 接收緩沖區(qū)收到數(shù)據(jù)之后，會(huì) 產(chǎn)生 1 個(gè)中斷 信號(hào)，通過處理 器的中斷處理程序進(jìn)行解析。 根據(jù) 接收的 XML 文件中 TYPE 類型進(jìn)行解析，協(xié) 議分為 以下幾類: 配置包、心 跳包、故 障包、能 耗數(shù)據(jù)包、應(yīng) 答包。4) 發(fā)送 數(shù) 據(jù): 能

18、 耗 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 的 流 程 如 圖 4 所 示，首先根據(jù)當(dāng)前 時(shí)間信息進(jìn)入相應(yīng)的目錄讀取文 件，然后分別發(fā)送 文件名、文 件大小，通 知數(shù)據(jù)中心 做好接 收 準(zhǔn) 備，之 后 開 始 發(fā) 送 能 耗 數(shù) 據(jù) 包。 盡 管 TCP 提供的是面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)流傳輸，但 實(shí) 際應(yīng)用中因服務(wù)器與客戶端之間距離較遠(yuǎn) ，網(wǎng) 絡(luò)質(zhì) 量參差不齊，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，程序中 啟用多重( 3 次) 發(fā)送機(jī)制。5) 斷點(diǎn)續(xù)傳: 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)堵塞或者服務(wù)器掉電等原 因?qū)е聰?shù)據(jù)上傳失敗時(shí)，首 先記錄傳輸失敗時(shí)對(duì)應(yīng) 的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，待網(wǎng)絡(luò)傳 輸功能恢復(fù)之后，從 SD 卡中 按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)讀取能耗數(shù)據(jù)包，重 新發(fā)送至

19、數(shù)據(jù)中 心。2. 4 穩(wěn)定性可靠性設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)的工作環(huán)境多位于強(qiáng)電配電間 ，電 磁干擾、輻 射 干 擾 較 強(qiáng)，現(xiàn) 場(chǎng) 的 RS485 總 線 傳 輸 距 離相對(duì)較長(zhǎng)，因此 必須采取一定的抗干擾措施以保 證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。52建 筑 科 學(xué)第 29 卷圖 4 能耗數(shù)據(jù)傳輸流程圖 從硬件、軟 件 以 及 現(xiàn) 場(chǎng) 布 線 等 方 面 予 以 考 慮。 硬件方面首先對(duì)電路板電源電路進(jìn)行濾波 、去 耦處 理，加入過流保護(hù)裝 置。 RS485 電路采用 DC-DC 電 源隔離，A、B 通 信 線 上 接 入 瞬 態(tài) 抑 制 二 極 管，使 系 統(tǒng)具備自恢復(fù)功能。最后將數(shù)據(jù)采集器安裝在 1 個(gè) 近乎

20、封閉的金屬盒內(nèi)，使其具有較好的電磁屏蔽功 能。軟件方面主要是采用重復(fù)采集技術(shù) 、重 復(fù)發(fā)送 技術(shù)、斷點(diǎn)續(xù)傳 等技術(shù)。 現(xiàn)場(chǎng)采用優(yōu)質(zhì)屏蔽雙絞線 作為 RS485 通 信 傳 輸 線 纜，總 線型結(jié)構(gòu)布線方式， 當(dāng)總線傳輸距離過 長(zhǎng)，在 相 應(yīng) 的 節(jié) 點(diǎn) 處 加 入 RS485 中繼器加強(qiáng)總線信號(hào)。3系統(tǒng)應(yīng)用目前該數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在遼寧省 機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)以及山 西省太原理工大學(xué)建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)投入應(yīng)用 ，經(jīng) 過 2 年多的連續(xù)運(yùn)行，可 知該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 在遼 寧省選取的 50 棟建筑中共安裝 56 塊數(shù)據(jù)采集器， 在太原理工大學(xué)項(xiàng)目中共安裝 40 余塊數(shù)據(jù)采集

21、器。 圖 5 為遼寧省項(xiàng)目中能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)展示圖。圖 5 建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖 4結(jié)論本系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí) ARM 芯 片 作 為 處 理 器，實(shí) 現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi) 電 量、水 量 等 用 能 信 息 的 采 集、存 儲(chǔ) 工 作，采用硬件集成以太網(wǎng)協(xié)議 的網(wǎng)絡(luò)芯片 W5100 實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，支持多個(gè)目標(biāo)上傳，實(shí)現(xiàn)了 數(shù)據(jù)的斷點(diǎn)續(xù)傳等功能。實(shí)際工程項(xiàng)目表明該數(shù)據(jù) 采集器能夠滿足建筑內(nèi)各用能信息的數(shù)據(jù)采集 、存 儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纫?。參考文獻(xiàn)1 Company B Statistical Review of World Energy 2011 R 2011 2 Na Wei，Wu Yong，Song Yan，et al Government management and implementation of national real-time energy monitoring system for China large-scale public