智慧建筑能耗多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)研究

引言

近年來,隨著我國物聯(lián)網(wǎng)和智慧建筑技術(shù)的不斷發(fā)展,新一代信息技術(shù)在支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的賦能作用日益突出,通過對(duì)建筑能耗進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的"云"應(yīng)用,可以在及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地獲取建筑能耗數(shù)據(jù)的同時(shí)拓展其應(yīng)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(shù)是指在建筑內(nèi)部綜合應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(wù)器中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以解決建筑內(nèi)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(shè)成本,通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)匯總后的本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行管理及遠(yuǎn)程傳輸,而存儲(chǔ)在云端服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)管理軟件進(jìn)行管理和應(yīng)用。

1建筑能耗多網(wǎng)融合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模塊和云端數(shù)據(jù)管理軟件組成,其基本結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

在本系統(tǒng)中,建筑能耗儀表包括支持CJ/T188一2004、DL/T645一2007、Modbus等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的水表、熱量表、燃?xì)獗怼㈦娔鼙淼饶軌蛴涗浗ㄖ芎臄?shù)據(jù)的戶用計(jì)量儀表,這些儀表采用Rs485接口與無線發(fā)送模塊連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,發(fā)送模塊采用433MHz無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(duì)其他無線信號(hào)產(chǎn)生干擾。系統(tǒng)中的無線信號(hào)接收模塊同樣采用Rs485接口,將所采集的儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后發(fā)送至本地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng):本地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)先對(duì)接收的能耗數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)儀表類型進(jìn)行協(xié)議配置和解析,再以數(shù)據(jù)標(biāo)志為引導(dǎo)提取數(shù)據(jù)中的各采集項(xiàng)的數(shù)值發(fā)送給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模塊,利用4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器。

2無線484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(duì)應(yīng)建筑內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)的主站和從站。在進(jìn)行儀表數(shù)據(jù)采集時(shí),為了減少發(fā)送模塊數(shù)量,降低系統(tǒng)成本,可以將多個(gè)能耗儀表(一般所屬同一用戶)與一個(gè)發(fā)送模塊通過同一個(gè)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(dòng)進(jìn)行儀表類型識(shí)別和協(xié)議對(duì)應(yīng)。

無線485通信模塊主要采用si4432射頻無線方案,信號(hào)視距傳輸距離為1~2km,采用sT單片機(jī)和GFsK調(diào)制方式,發(fā)射功率可調(diào),支持一對(duì)一、一對(duì)多或多點(diǎn)組網(wǎng)等通信模式,最多可以同時(shí)使用32個(gè)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FIF0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。

3無線485通信模塊的設(shè)置

無線485通信模塊可以通過串口與上位機(jī)連接進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,其設(shè)置界面如圖3所示。

的是通過設(shè)置模塊在頻段內(nèi)的不同載波頻率實(shí)現(xiàn)一個(gè)區(qū)域內(nèi)多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)并存,降低模塊間相互干擾,并實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)無線485接收模塊的區(qū)分:無線信道波特率(RFandRate)主要是設(shè)置無線信號(hào)的傳輸速率,提高波特率可以減少信號(hào)延遲,但會(huì)造成接收靈敏度下降,傳輸距離減小,應(yīng)在模塊滿足數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)率的情況下盡量降低該值,以增強(qiáng)模塊在建筑環(huán)境下的信號(hào)強(qiáng)度:無線串口設(shè)置(wirelessCoMSetting)主要用來設(shè)置無線485模塊的接口傳輸速率和校驗(yàn)方式,由于模塊MCU的緩存容量有限,因此不應(yīng)將過多的儀表連接到同一個(gè)發(fā)送模塊上,以避免造成緩存數(shù)據(jù)溢出,在使用時(shí)可以通過適當(dāng)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(zhuǎn)效率,減小數(shù)據(jù)溢出的可能性:模塊發(fā)射功率(LaunchPower)設(shè)置的主要目的是根據(jù)模塊在建筑內(nèi)所處的不同位置對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行l(wèi)~7級(jí)調(diào)節(jié),通過對(duì)該值的設(shè)置可以在信號(hào)傳輸距離和模塊功率降低之間進(jìn)行平衡。

4本地?cái)?shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)及原理

本地?cái)?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(nèi)部,具有較高的處理速度和抗干擾性能:485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,用于與無線485接收模塊進(jìn)行通信:模塊主要負(fù)責(zé)將多個(gè)無線485接收模塊所接收到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,并按照相關(guān)協(xié)議要求對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,實(shí)現(xiàn)對(duì)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?cái)?shù)據(jù)采集配置系統(tǒng)提供RJ45網(wǎng)卡接口,其電路構(gòu)成如圖4所示。

本地?cái)?shù)據(jù)采集模塊的主要功能包括無線接收模塊設(shè)置、服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置、協(xié)議配置與解析、儀表采集參數(shù)設(shè)置和本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控等。無線接收模塊設(shè)置功能用于配置485接口的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等:服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置功能用于配置本地網(wǎng)絡(luò)信息、數(shù)據(jù)上傳周期和云端服務(wù)器IP:協(xié)議配置與解析功能用于對(duì)儀表數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行字段數(shù)據(jù)的提取:儀表采集參數(shù)設(shè)置功能用于對(duì)儀表的采集項(xiàng)名稱、分項(xiàng)類型和支路信息等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置:本地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控功能用于對(duì)儀表數(shù)據(jù)和儀表狀態(tài)進(jìn)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(duì)象一般包括水、電能、熱量、燃?xì)獾葍x表的數(shù)據(jù),我國針對(duì)上述儀表數(shù)據(jù)的采集一般使用《戶用計(jì)量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》(CJ/T188一2004)和《多功能電能表通信協(xié)議》(DL/T645一2007),這些協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)志和數(shù)據(jù)表達(dá)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(jìn)行傳送,每次傳輸8個(gè)數(shù)據(jù)位(D0~D7),在此過程中加入1個(gè)起始位(0)、1個(gè)偶校驗(yàn)位(E)和1個(gè)停止位(1),共11位,傳輸時(shí)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?cái)?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/T188一2004協(xié)議為例)如圖5所示。

(1)起始符:當(dāng)無線485模塊收到68H時(shí)將啟動(dòng)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。

(2)儀表類型:表示當(dāng)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(gè)字節(jié)組成,每個(gè)字節(jié)采用十六進(jìn)制形式編碼,低地址在前、高地址在后,當(dāng)所有地址字節(jié)均為AAH時(shí)為廣播地址,但只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

(4)控制碼:1個(gè)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(yīng)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(jìn)制表

示。讀數(shù)據(jù)時(shí),L小于64H:寫數(shù)據(jù)時(shí)L小于或等于32H,等于00H時(shí)表示無數(shù)據(jù)域。

(6)數(shù)據(jù)域:包括數(shù)據(jù)標(biāo)志、序列號(hào)和數(shù)據(jù),其結(jié)構(gòu)隨控制碼功能改變,本地?cái)?shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的序號(hào)SER在每次通信前按模256加1運(yùn)算后產(chǎn)生,一般為0AH。

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

(8)結(jié)束符:表示當(dāng)前信息幀發(fā)送或接收結(jié)束。

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

在建筑能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,對(duì)于儀表數(shù)據(jù)的讀取首先由本地?cái)?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(yīng)答幀。以CJ/T188一2004協(xié)議下讀取熱量表數(shù)據(jù)為例,本地?cái)?shù)據(jù)采集模塊發(fā)送如圖6所示的控制幀。

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(shí)間(2016年3月),12345為儀表子編號(hào):控制碼01H(00000001B)的最高位0對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)90H、1FH和0AH三個(gè)字節(jié):數(shù)據(jù)標(biāo)志DI0、DI1為數(shù)據(jù)段開始標(biāo)志,該標(biāo)志后直至校驗(yàn)和之前為所傳送的數(shù)據(jù)段:校驗(yàn)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(gè)十六進(jìn)制位:結(jié)束標(biāo)志為16H,表示該幀傳送全部結(jié)束。

能耗儀表在收到上述控制幀后,將返回如圖7所示的應(yīng)答幀。在應(yīng)答幀中,數(shù)據(jù)標(biāo)志DI0、DI1表示能耗儀表數(shù)據(jù)起始位置,在本地?cái)?shù)據(jù)采集模塊中可以通過設(shè)置數(shù)據(jù)偏移地址和數(shù)據(jù)長度實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)數(shù)值的解析與提取。如當(dāng)偏移地址為0,數(shù)據(jù)長度為4時(shí),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456kw·h,在本系統(tǒng)中的設(shè)置方法如圖8所示。

在DL/T645—2007協(xié)議下對(duì)電能儀表的數(shù)據(jù)采集設(shè)置如圖9所示,在該協(xié)議的應(yīng)答幀中數(shù)據(jù)段長度均為4個(gè)字節(jié),對(duì)電能儀表的各采集分量分別使用不同數(shù)據(jù)標(biāo)志D13~D10作為數(shù)據(jù)段的起始標(biāo)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(shè)置方法如圖9所示。

7結(jié)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(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(nèi)對(duì)CJ/T188—2004、DL/T645—2007協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(shè)與發(fā)展提供了有效參考。