CN108449434A - 一种建筑能耗数据采集*** - Google Patents

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马玉新
王小刚
梁小成
陈晨
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Abstract

本发明涉及一种建筑能耗数据采集***，包括采集装置、主处理器、服务器和电源模块，其中，所述采集装置分别设置于N个建筑能耗采集点，用于采集各个能耗管理对象的能耗数据，N大于等于1；所述主处理器包括处理芯片、串行通信接口和加密模块，所述采集装置和所述服务器分别通过所述串行通信接口电连接至所述主处理器；所述主处理器和所述服务器均电连接至所述电源模块。其中，加密模块能够对主处理器接收到的信号进行加密处理后，再通过串行通信接口上传至服务器中进行处理，数据加密方法保证了数据传输网络免受安全威胁，另一方面，加密的同时对能耗数据添加身份验证信息，从而减少了主处理器和服务器之间的请求应答过程，提高了效率。

Description

一种建筑能耗数据采集***
技术领域
本发明涉及能源及通信技术领域，具体地涉及一种建筑能耗数据采集***。
背景技术
随着建筑能耗在全国总能耗中的比例逐年增加，建筑节能的关注度越来越高，伴随着建筑节能工作的深入推进，节能效果越来越明显，建筑节能的重要性日益突出。
目前市场上虽已有一些建筑能耗监测***开发的公司，如山东确信、常州易贝得、安科瑞等，现有的数据采集装置采集和交换数据的方式为有线通信，然而采用有线的布局方式，布线复杂、空间约束性强、传输速率低、传输距离短等缺点已经很难适应当前技术发展的需求。其中，利用低压电力线载波技术进行数据采集，虽然无需另外布线，成本低，但因输电线路在线负荷变化大，很难设计匹配电阻，在加上信号衰减和电磁干扰等因素都会严重影响的信号传输的质量。利用LonWorks(总线)现场总线方式，可靠性高通信距离远，但因需要专门布线，所以导致成本较高，施工和维护困难。利用红外方式，但其方向性很强，传输距离短，速率低。利用GSM(Global System for Mobile communication全球移动通信***)短信方式，虽不受距离，气候因素的影响，但由于短信的数据量有限，若采集的数据量过大时，容易导致信息阻塞以及丢包，并且实时性差，延迟性过高。因此可知，专门为建筑能耗数据采集领域开发的产品并不成熟，还有待进一步完善。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种建筑能耗数据采集***。
本发明实施例提供一种建筑能耗数据采集***，包括采集装置、主处理器、服务器和电源模块，其中，
所述采集装置分别设置于N个建筑能耗采集点，用于采集各个能耗管理对象的能耗数据，N大于等于1；
所述主处理器包括处理芯片、串行通信接口和加密模块，所述采集装置和所述服务器分别通过所述串行通信接口电连接至所述主处理器；
所述主处理器和所述服务器均电连接至所述电源模块。
在本发明的一个实施例中，所述主处理器还包括存储模块，所述存储模块用于存储所述能耗数据。
在本发明的一个实施例中，所述存储模块包括内置存储模块和SD卡存储扩展模块。
在本发明的一个实施例中，所述采集装置包括多个智能电表和通信接口，所述采集装置的智能电表支持不同协议和不同总线，所述通信接口将所述能耗数据发送给所述主处理器。
在本发明的一个实施例中，所述采集装置还设置有USB接口模块，所述USB接口模块包括至少2个标准接口。
在本发明的一个实施例中，所述主处理器和所述服务器之间设置有上层通信模块，所述上层通信模块包括有线以太网通信模块和无线通信模块。
在本发明的一个实施例中，所述建筑能耗数据采集***还包括能耗监测平台，所述能耗监测平台分别与所述采集装置和所述主处理器连接；所述能耗监测平台对所述能耗数据进行分析后获取监测结果，并将所述监测结果发送至所述主处理器。
在本发明的一个实施例中，所述能耗监测平台电连接至少两台采集装置。
在本发明的一个实施例中，所述处理芯片为ARM920T芯片。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的建筑能耗数据采集***，能通过串行通信方式、以太网络采集目标建筑物上的建筑能耗数据，还能通过无线通信方式采集具备无线通信功能的目标仪表的建筑能耗数据，其应用面很宽，能应对现有的98％以上的建筑能耗监测仪表设备，能给建筑物能耗数据采集带来方便，而且还能通过以太网络将采集数据实时上传到服务器中进行实时处理。
2、本发明的建筑能耗数据采集***包括处理芯片、串行通信接口和加密模块，其中加密模块能够对主处理器接收到的信号进行加密处理后，再通过串行通信接口上传至服务器中进行处理，数据加密方法保证了数据传输网络避免受到安全威胁，同时实现了加密的高效性；另一方面，通加密可以便于服务器识别该上传数据所属的建筑物对象，减少了主处理器和服务器之间的应答过程，提高了效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的建筑能耗数据采集***的模块结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
如图1所示，图1是本发明实施例提供的建筑能耗数据采集***的模块结构示意图。本发明实施例提供一种建筑能耗数据采集***，包括采集装置、主处理器、服务器和电源模块，其中，
所述采集装置分别设置于N个建筑能耗采集点，用于采集各个能耗管理对象的能耗数据，N大于等于1；
所述主处理器包括处理芯片、串行通信接口和加密模块，所述采集装置和所述服务器分别通过所述串行通信接口电连接至所述主处理器；
所述主处理器和所述服务器均电连接至所述电源模块。
具体的，本发明实施例中，建筑物上设置有多个仪表设备，用于计量和监测该建筑物内的用水、用电、用气以及其他能源消耗，本发明的数据采集***将采集装置与该建筑物的多个仪表设备电连接，用于读取该些仪表设备计量的能耗数据。一栋建筑物内的仪表设备数量和种类往往很多，而采集装置并不必须要安装在每一个仪表设备上，而只需要在设备总线上的特定采集点上进行设置也能够获取该建筑物的能耗数据，这样减少了采集装置的数量，降低成本。需要说明的是，一栋建筑物内的建筑能耗采集点有N个，N大于等于1。
进一步的，采集装置与主处理器电连接，本发明实施例中，主处理器包括处理芯片、串行通信接口和加密模块，其中，串行通信接口包括上行通信接口和下行通信接口，采集装置通过下行通信接口将能耗数据发送给主处理器，主处理器中的处理芯片对能耗数据进行处理，使之携带身份验证信息，具体的，身份验证信息包括该项能耗数据对应的能耗项目，例如天然气、水用量等；能耗计量单位，例如吨、立方米等；以及能耗采集点标识等等，处理芯片将上述身份验证信息的部分或者全部添加至能耗数据中，形成第一数据，然后将该第一数据发送给加密模块；加密模块对该携带身份验证信息的第一数据进行加密，形成加密文件，加密文件中包括了数据的身份验证信息和能耗数据；然后主处理器将该加密文件通过上行通信接口发送至服务器，服务器通过对该加密文件进行解密后，对其进行进一步的处理。
需要说明的是，本发明实施例中，对第一数据进行加密具体如下：
为保证主处理器与服务器之间数据传输的可靠性，在传输报文基础上增加附加信。主处理器远传数据包格式定义如下表所示：
Head Type Length Data
2字节 1字节 4字节 n字节
i.Head，内容固定为0x16166868；
ii.Type，0X01，身份认证，此时Data为明文数据；0X02，心跳数据，此时Data为明文数据；0X03，能耗数据，此时Data体是采用AES加密后的数据。
iii.Length，指的报文体的Data字节数，采用网络字节序。
iv.Data，报文体，AES加密的密文或未加密的明文。
需要说明的是，本发明实施例中，主处理器和服务器之间不需要发送上传请求即可直接将加密文件进行上传，服务器对加密文件进行解密后可自行获取加密文件对应的身份验证信息和能耗数据，并对其进行相应处理。
本发明实施例中，电源模块包第一电源和第二电源，第一电源向主处理器供电，第二电源向服务器供电，第一电源和第二电源独立工作。
需要说明的是，本发明实施例中，由于采集装置安装于建筑物的能耗采集点上，可以通过建筑物内的供电***或者通过独立电源进行供电，也可以通过电源模块供电，对其供电方式不做限定。
本发明的建筑能耗数据采集***包括处理芯片、串行通信接口和加密模块，其中加密模块能够对主处理器接收到的信号进行加密处理后，再通过串行通信接口上传至服务器中进行处理，数据加密方法保证了数据传输网络避免受到安全威胁，同时实现了加密的高效性；另一方面，通加密可以便于服务器识别该上传数据所属的建筑物对象，减少了主处理器和服务器之间的应答过程，提高了效率。
实施例二
在上述实施例的基础上，本实施例进一步地对本发明的建筑能耗数据采集***的各个模块进行详细说明。
具体的，所述主处理器还包括存储模块，所述存储模块用于存储所述能耗数据。
主处理器的存储模块能够对能耗数据进行暂存，具体的，主处理器对接收到的能耗数据进行存储，然后当处理芯片对能耗数据进行处理之后，存储模块对获得的第一数据进行存储，进一步的，当加密模块对第一数据进行加密后，存储模块对获得的加密文件进行存储；这样一方面对整个数据流进行了全面的记录，便于溯本追源；另一方面当主处理器和服务器之间的上传通路发生故障时，加密文件处于等待上传状态，不会丢失；而且主处理器中存储的该些能耗数据、第一数据以及加密文件为原始数据可以作为数据备份，当服务器出现故障或者需要查找备份资料时，便于数据调取。
进一步的，主处理器还与人机交互界面连接，具体为处理芯片对能耗数据进行处理并显示，使得用户可以在主处理器上看到最原始的数据内容。
需要说明的是，人机交互界面和存储模块均与处理芯片电连接，本发明中，主处理器的存储模块的数据存储期限为30天。
进一步的，所述存储模块包括内置存储模块和SD卡存储扩展模块。
存储模块包括内置存储模块和扩展模块，内置存储模块起到缓存作用，扩展模块用于将数据保存30天，本发明中的SD卡存储扩展模块与一般意义上的外接存储卡不同，本发明中的SD卡存储模块包括特定的数据传输协议，而主处理器支持该特定的数据传输协议，因此该存储扩展模块与主处理器是一对一的特定对应关系，普通的SD卡并不能使用。这样设置是为了保证处理器上的数据安全以及处理器与存储模块之间的数据传输稳定，通过特定协议将二者进行一体化捆绑，提高了***稳定性，降低了数据传输的故障频率。
进一步的，本发明实施例中，所述采集装置包括多个智能电表和通信接口，所述采集装置的智能电表支持不同协议和不同总线，所述通信接口将所述能耗数据发送给所述主处理器。
具体的，本实施例中，多个智能电表设置在建筑物上，每一个智能电表具有通信接口；也就是说，采集装置不再是独立于仪表设备的装置，智能电表本身具有监测和计量能耗的功能，并且具有将能耗数据通过通信接口发送出去的功能。
由于智能电表可能安装于建筑物的任何设备上，因此本发明中，智能电报能够支持不同类型的数据传输协议，而通信接口必须支持该些全部的数据传输协议，从而能够实现对不同类型的数据进行监测、计量和传输的目的。
为了解决潜在可能出现的数据传输故障问题，本发明采集装置上设置有USB接口模块，且包括至少两个标准接口，这样用户可以通过USB接口模块对采集装置上的能耗数据进行一一读取和收集，其中，一个标准接口用于连接控制端，控制端对采集装置进行控制从而实现下载能耗数据的操作；另一个标准接口用于下载采集装置上的能耗数据；USB接口模块是建筑物能耗数据采集***出现传输故障时的应急备用方案。
进一步的，本发明实施例中，所述主处理器和所述服务器之间设置有上层通信模块，所述上层通信模块包括有线以太网通信模块和无线通信模块。
主处理器上的串行通信接口包括上行通信接口和下行通信接口，具体的，主处理器通过上行通信接口将加密文件发送出去之后，通过上层通信模块到达服务器上，上层通信模块包括太网通信模块和无线通信模块，数据传输的过程中，可以选用有线以太网上传，也可以通过无线4G或者5G网络传输；这样在一些不具备有线以太网布线条件的场合，就可以通过无线方式传输，解决了现有技术受限于数据传输布线的技术问题，也降低了采集装置对安装点(数据采集点)的要求。
本发明提供的建筑能耗数据采集***，能通过串行通信方式、以太网络采集目标建筑物上的建筑能耗数据，还能通过无线通信方式采集具备无线通信功能的目标仪表的建筑能耗数据，其应用面很宽，能应对现有的98％以上的建筑能耗监测仪表设备，能给建筑物能耗数据采集带来方便，而且还能通过以太网络将采集数据实时上传到服务器中进行实时处理。
进一步的，本发明实施例中，所述建筑能耗数据采集***还包括能耗监测平台，所述能耗监测平台分别与所述采集装置和所述主处理器连接；所述能耗监测平台对所述能耗数据进行分析后获取监测结果，并将所述监测结果发送至所述主处理器。
该能耗监测平台上设置有能耗阈值，采集装置向能耗监测平台分别发送能耗数据，其中，能耗监测平台将接收到的能耗数据与对应的能耗阈值进行比较，当能耗数据超过能耗阈值时，监测结果为警戒；当能耗数据未超过能耗阈值时，监测结果为正常；进一步的，能耗监测平台将监测结果连同能耗数据一起打包发送至主处理器，由主处理器对其进行添加身份验证信息以及加密；并最终发送至服务器中，以便于工作人员了解该建筑物的能耗使用情形。
在本发明的一个实施例中，所述能耗监测平台电连接至少两台采集装置。
本实施例中，能耗监测平台能够同时对多台采集装置的数据进行监测，并对每一台采集装置发送的数据进行单独处理。
在本发明的一个实施例中，所述处理芯片为ARM920T芯片。
本发明的建筑能耗数据采集***采用了低功耗、高性能的ARM920T芯片，***扩展丰富的通信模块，能够很好的完成采集***的数据采集工作，并且使用了的串行通信接口技术作为通信方式，实现了通信稳定和传输速率快的目的，其准确率高，优越的性价比；设备安装改造方便；单片机使用寿命长，降低设备维护费用；且数据查询方便。
实施例三
在上述实施例的基础上，对本技术方案进行举例说明：
1、核心模块选型
1.1主处理器选用基于ARM&reg；CortexTM-M4内核的STM32F407ZET6主控芯片，该主控芯片具有512K的FLASH，192K的SRAM，支持全双工工作，相比STM32F1系列，具有更低的功耗238uA/MHz，更快的主频168M，更丰富的外设接口，2个既可以做USB接口(主/从)，6个串口，3个SPI接口(速率37.5Mbps)，2个IIC接口，2个CAN总线，同时，还支持日历计时等丰富的功能，非常适合工业级的应用，所以完胜市场上的其他型号系列，所以能够满足业务当前的需求，以及未来的扩展需求。
1.2嵌入式操作***选择，uCOS操作***是一种免费公开源代码，结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作***。它是一种专门为嵌入式应用而设计内核，目前已经被移植到40多种不同的CPU上，能够支持8位到64位的各种***。它的内核能够提供任务调度与管理、时间管理、进程之间相互通信、内存管理和中断服务等功能。和市面上其他操作***相比，特别适合小型控制***，具有响应速度快、扩展性好等优点。
1.3以太网通信模块选用DP83848C由美国国家半导体(NS)公司生产的集成以太网控制芯片，芯片是一种10/100Mbit/s单路物理层以太网收发器器件，支持10/100M的以太网通信，同时也支持MII和RMI接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。由于远超过IEEE规格的电缆长度性能，以及为10BASE-T和100BASE-TX以太网协议的应用提供低成本解决方案的特性，该器件在基于高端***设备、工业控制、工厂自动化、通用的嵌入式应用等领域中广泛采用，并确保与基于其他标准的以太网产品相互兼容及实现互操作。
1.4无线通信模块(4G网络)选用的是济南有人物联网技术有限公司生产的USR-LTE-7S4型号，它是基于Linux开发，支持全网通4G高速接入，同时支持移动、联通3G和2G接入；支持RNDIS远程网络驱动接口，PC可以通过USB连接该设备访问互联网，并且还支持4个网络连接同时在线，支持TCP和UDP传输，每路连接支持10KB串口数据缓存，连接异常时可选择缓存数据不丢失；支持多种工作模式，分别是网络透传模式以及HTTPD模式等，以及功能等，并且价格便宜，性价比高。
2、硬件设计
2.1采集装置和主处理器之间采用主从半双工方式进行通信，主处理器作为主机，采集装置作为从机，下层通信模块设置于采集装置和主处理器之间，或者设置于能耗监测平台与主处理器之间，整个下层通信模块由三个RS485接口实现，主处理器通过RS485接口向采集装置发送读数据请求，采集装置发送响应数据给主处理器。
具体的，RS485驱动电路负责把采集装置发送的信号转成RS485电平特性，然后从RS485标准转换为0～2V数字电压，这里通过SP3485芯片完成转换。采集装置端采用SP3485芯片的RS485收发器进行设计，这里采用了3路RS485。
2.2电源模块
电源模块为整个***提供电源，是能耗数据采集***工作的基础。它采用12V直流电源输入，这里选用输出电流达到4A的LM2596_5.0开关型电源稳压芯片，输出5V的输出电压VCC，作为主处理器的电源VDD，同时它也可以提供给其他模块所需要的5V电压。
2.3上层通信模块
由于本数据采集***是基于无线通信模块和以太网通信模块实现的，所以整个上层通信模块由两部分构成，无线通信模块和以太网通信模块。
无线通信模块(4G模块或者5G模块)与主控制器的连接是基于串口连接的；以太网通信模块和主控制器的连接是基于RMII45接口实现的，以太网MAC控制器采用46引脚的DP83848IVV芯片。
3、软件设计关键点
3.1初始化配置(串口和中断)
3.11串口配置
本发明中，串口的配置首先要对串口对应得GPIO口进行配置，本发明中用到的STM32F407ZET6中的USART1和USART3。USART1对应TPTX+、TPTX-、TPRX+、TPRX-，于是TPTX+和TPTX-配置为推完输出模式，TPRX+和TPRX-配置为浮空输入模式。USART3对应的485_3B、485_3A以及485_2B、485_2A和485_1B、485_1A都是这样的配置。
3.12中断配置
本发明中所有串口数据的接收都是在中断中进行的。
3.2Modbus协议(帧格式)
Modbus协议详细定义了地址码、功能码、校验码的数据序列定义，这些都是特定数据交换的必要内容。该协议在一根通信线上使用主从应答式连接(半双工)，这意味着在一根单独的通信线上信号沿着相反的两个方向传输。首先，主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备(从机)，然后，终端设备发出的应答信号以相反的方向传输给主机。
本协议只允许在主机(PC，PLC等)和终端设备之间通信，而不允许独立的终端设备之间的数据交换，这样各终端设备不会在它们初始化时占据通信线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。
信息传输为异步方式，并以字节为单位，在主机和从机之间传递的通信信息是11位字格式，包含1个起始位、8个数据位(最小的有效位先发送)、奇偶效验位(无校验)、2个停止位。
Modbus协议支持两种有效的传输模式，其中一种是RTU传输模式，在本发明中我们选择RTU传输模式，下面表格是标准的RTU模式数据帧格式：
地址码 功能码 数据区 CRC效验码
1字节 1字节 n字节 2字节
为保证主处理器与服务器之间数据传输的可靠性，在传输报文基础上增加附加信。主处理器远传数据包格式定义如下表所示：
Head Type Length Data
2字节 1字节 4字节 n字节
4、工作过程
能耗数据采集***启动包括：同时主处理器和服务器，主处理器主动连接服务器的服务器模式，进行信息配置；主处理器配置软件开启客户端监听模式，等待服务器主动连接并验证，进行能耗数据的上传。
能耗数据采集***配置软件先对采集装置和主处理器进行配置，确定采集端口的配置信息，以及采集点的信息，并下载到采集装置中。采集装置利用配置的信息对指定的电表读取数据，打包成xml文件，上传到主处理器。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明提供的一种建筑能耗数据采集***的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种建筑能耗数据采集***，其特征在于，包括采集装置、主处理器、服务器和电源模块，其中，
所述采集装置分别设置于N个建筑能耗采集点，用于采集各个能耗管理对象的能耗数据，N大于等于1；
所述主处理器包括处理芯片、串行通信接口和加密模块，所述采集装置和所述服务器分别通过所述串行通信接口电连接至所述主处理器；
所述主处理器和所述服务器均电连接至所述电源模块。
2.根据权利要求1所述的建筑能耗数据采集***，其特征在于，所述主处理器还包括存储模块，所述存储模块用于存储所述能耗数据。
3.根据权利要求2所述的建筑能耗数据采集***，其特征在于，所述存储模块包括内置存储模块和SD卡存储扩展模块。
4.根据权利要求3所述的建筑能耗数据采集***，其特征在于，所述采集装置包括多个智能电表和通信接口，所述采集装置的智能电表支持不同协议和不同总线，所述通信接口将所述能耗数据发送给所述主处理器。
5.根据权利要求4所述的建筑能耗数据采集***，其特征在于，所述采集装置还设置有USB接口模块，所述USB接口模块包括至少2个标准接口。
6.根据权利要求4所述的建筑能耗数据采集***，其特征在于，所述主处理器和所述服务器之间设置有上层通信模块，所述上层通信模块包括有线以太网通信模块和无线通信模块。
7.根据权利要求5所述的建筑能耗数据采集***，其特征在于，所述建筑能耗数据采集***还包括能耗监测平台，所述能耗监测平台分别与所述采集装置和所述主处理器连接；所述能耗监测平台对所述能耗数据进行分析后获取监测结果，并将所述监测结果发送至所述主处理器。
8.根据权利要求7所述的建筑能耗数据采集***，其特征在于，所述能耗监测平台电连接至少两台采集装置。
9.根据权利要求1所述的建筑能耗数据采集***，其特征在于，所述处理芯片为ARM920T芯片。
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