智慧建筑能耗多网融合数据采集关键技术研究

引言

近年来,随着我国物联网和智慧建筑技术的不断发展,新一代信息技术在支撑经济社会数字化转型过程中的赋能作用日益突出,通过对建筑能耗进行远程数据采集并实现数据的"云"应用,可以在及时、准确、高效地获取建筑能耗数据的同时拓展其应用场景,也可为建筑能源规划、节能环保等提供有力支撑。多网融合技术是指在建筑内部综合应用无线传感器网络和移动通信网络实现能耗仪表数据的采集与汇总,并将其发送至云端服务器中。无线传感器网络可以解决建筑内能耗仪表种类多样、安装位置分散的问题,还能够降低线路布设成本,通过移动通信网络可以实现对汇总后的本地数据进行管理及远程传输,而存储在云端服务器中的数据可以通过数据管理软件进行管理和应用。

1建筑能耗多网融合数据采集系统结构原理

建筑能耗多网融合数据采集系统由能耗仪表、无线485通信模块、本地数据采集系统、移动通信网络模块和云端数据管理软件组成,其基本结构原理如图1所示。

在本系统中,建筑能耗仪表包括支持CJ/T188一2004、DL/T645一2007、Modbus等协议标准的水表、热量表、燃气表、电能表等能够记录建筑能耗数据的户用计量仪表,这些仪表采用Rs485接口与无线发送模块连接并进行数据发送,发送模块采用433MHz无线网络将能耗数据发送至无线485接收模块,所使用的无线网络属于IsM频段,其发射功率较低,适合在建筑中的低功耗场景下使用,且符合我国频段管控要求,不易对其他无线信号产生干扰。系统中的无线信号接收模块同样采用Rs485接口,将所采集的仪表数据进行汇总后发送至本地数据采集系统:本地数据采集系统先对接收的能耗数据所对应仪表类型进行协议配置和解析,再以数据标志为引导提取数据中的各采集项的数值发送给移动通信网络模块,利用4G移动网络上传至云端服务器。

2无线484通信模块的原理

本系统中的无线485通信模块可分为接收模块和发送模块两类,分别对应建筑内无线通信网络的主站和从站。在进行仪表数据采集时,为了减少发送模块数量,降低系统成本,可以将多个能耗仪表(一般所属同一用户)与一个发送模块通过同一个Rs485接口相连,系统将根据数据中的仪表地址数据段自动进行仪表类型识别和协议对应。

无线485通信模块主要采用si4432射频无线方案,信号视距传输距离为1~2km,采用sT单片机和GFsK调制方式,发射功率可调,支持一对一、一对多或多点组网等通信模式,最多可以同时使用32个无线信道。该模块在接收到仪表数据后先将其存入模块的MCU缓存中,再通过无线模块中的FIF0区打包数据并发送,其接收过程与发送过程相反,工作原理如图2所示。

3无线485通信模块的设置

无线485通信模块可以通过串口与上位机连接进行参数设置,其设置界面如图3所示。

的是通过设置模块在频段内的不同载波频率实现一个区域内多个通信网络并存,降低模块间相互干扰,并实现对多个无线485接收模块的区分:无线信道波特率(RFandRate)主要是设置无线信号的传输速率,提高波特率可以减少信号延迟,但会造成接收灵敏度下降,传输距离减小,应在模块满足数据流转率的情况下尽量降低该值,以增强模块在建筑环境下的信号强度:无线串口设置(wirelessCoMSetting)主要用来设置无线485模块的接口传输速率和校验方式,由于模块MCU的缓存容量有限,因此不应将过多的仪表连接到同一个发送模块上,以避免造成缓存数据溢出,在使用时可以通过适当降低模块的485接口波特率并提高无线信道波特率的方式,提高数据的流转效率,减小数据溢出的可能性:模块发射功率(LaunchPower)设置的主要目的是根据模块在建筑内所处的不同位置对发射功率进行l~7级调节,通过对该值的设置可以在信号传输距离和模块功率降低之间进行平衡。

4本地数据采集模块的结构及原理

本地数据采集模块采用ATMEL低功耗处理器AT91SAM9200,该处理器接口丰富,且多数接口集成于该SoC芯片内部,具有较高的处理速度和抗干扰性能:485接口电路由驱动芯片SN65VHD12、ESD和防雷击等保护电路组成,采用半双工通信,用于与无线485接收模块进行通信:模块主要负责将多个无线485接收模块所接收到的能耗数据进行汇总,并按照相关协议要求对所采集的数据进行解析,实现对能耗数据的提取,此外,还可为无线485接收模块提供RS485接口并为本地数据采集配置系统提供RJ45网卡接口,其电路构成如图4所示。

本地数据采集模块的主要功能包括无线接收模块设置、服务器网络参数设置、协议配置与解析、仪表采集参数设置和本地数据监控等。无线接收模块设置功能用于配置485接口的名称、波特率、数据位、校验位、停止位等:服务器网络参数设置功能用于配置本地网络信息、数据上传周期和云端服务器IP:协议配置与解析功能用于对仪表数据根据协议进行字段数据的提取:仪表采集参数设置功能用于对仪表的采集项名称、分项类型和支路信息等参数进行设置:本地数据监控功能用于对仪表数据和仪表状态进行监控[5]。

5能耗仪表数据采集协议与信息帧格式

建筑能耗数据的采集对象一般包括水、电能、热量、燃气等仪表的数据,我国针对上述仪表数据的采集一般使用《户用计量仪表数据传输技术条件》(CJ/T188一2004)和《多功能电能表通信协议》(DL/T645一2007),这些协议标准规定了仪表数据传输的基本原则、接口形式、数据链路、数据标志和数据表达格式的要求[6-7]。

在建筑能耗数据采集系统的数据链路层中,数据以字节的形式进行传送,每次传输8个数据位(D0~D7),在此过程中加入1个起始位(0)、1个偶校验位(E)和1个停止位(1),共11位,传输时由起始位开始按照先低位、后高位的顺序逐位传送。通信链路的建立与解除均由本地数据采集模块所发出的信息帧控制,帧作为信息传送的基本单元,其基本格式(以CJ/T188一2004协议为例)如图5所示。

(1)起始符:当无线485模块收到68H时将启动数据的发送或接收。

(2)仪表类型:表示当前仪表的类型,热量表为20H,冷量表为21H,冷热量表为22H,冷水表为10H。

(3)地址域:由7个字节组成,每个字节采用十六进制形式编码,低地址在前、高地址在后,当所有地址字节均为AAH时为广播地址,但只能用于点对点通信。

(4)控制码:1个字节(D0~D7),D7位表示传送方向(0为主站发出控制帧,1为从站发出应答帧),D6位表示通信状态(0正常,1异常),D5~D0位表示功能(如00001为读取仪表数据,010101为写表地址)。

(5)数据长度:数据域的字节数,采用十六进制表

示。读数据时,L小于64H:写数据时L小于或等于32H,等于00H时表示无数据域。

(6)数据域:包括数据标志、序列号和数据,其结构随控制码功能改变,本地数据采集模块发送的序号SER在每次通信前按模256加1运算后产生,一般为0AH。

(7)校验码:从帧起始符开始到校验码之前所有的字节进行二进制算数累加,若超出FFH则保留最低两个十六进制位。

(8)结束符:表示当前信息帧发送或接收结束。

6建筑能耗数据采集系统协议设置与解析方法

在建筑能耗数据采集系统中,对于仪表数据的读取首先由本地数据采集模块生成读数据控制帧,经无线485收发模块传输后由能耗仪表处理并返回应答帧。以CJ/T188一2004协议下读取热量表数据为例,本地数据采集模块发送如图6所示的控制帧。

在该控制帧中,表类型为20H,即热量表:A0~A6为所要采集的能耗仪表的地址(09590160312345),其中09590为仪表生产厂商代码,1603为生产时间(2016年3月),12345为仪表子编号:控制码01H(00000001B)的最高位0对应前述协议表示该帧为主站发出的控制帧,低五位00001表示该帧的功能为所读取仪表数据:数据长度为03H即对应数据90H、1FH和0AH三个字节:数据标志DI0、DI1为数据段开始标志,该标志后直至校验和之前为所传送的数据段:校验和A1H为从该帧的起始字节开始全部字节相加后取最低两个十六进制位:结束标志为16H,表示该帧传送全部结束。

能耗仪表在收到上述控制帧后,将返回如图7所示的应答帧。在应答帧中,数据标志DI0、DI1表示能耗仪表数据起始位置,在本地数据采集模块中可以通过设置数据偏移地址和数据长度实现对各项数值的解析与提取。如当偏移地址为0,数据长度为4时,表示将采集冷量数据"00000456",并以BCD码的形式显示,即冷量为456kw·h,在本系统中的设置方法如图8所示。

在DL/T645—2007协议下对电能仪表的数据采集设置如图9所示,在该协议的应答帧中数据段长度均为4个字节,对电能仪表的各采集分量分别使用不同数据标志D13~D10作为数据段的起始标志,如"00000000"表示采集仪表的总电能,"00010000"表示采集正向有功功率,在本系统中的设置方法如图9所示。

7结语

建筑能耗多网融合数据采集系统综合利用短距离无线传感器网络和移动通信网络实现对建筑能耗数据的采集与智能化管理,通过在本地数据采集器内对CJ/T188—2004、DL/T645—2007协议标准的解析,能够有效提取仪表数据,为我国智慧建筑的建设与发展提供了有效参考。