面向建筑能源系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通用網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

趙 亮, 張 吉 禮, 梁 若 冰

( 大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024 )

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面向建筑能源系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通用網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

趙 亮, 張 吉 禮*, 梁 若 冰

( 大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024 )

基于STM32處理器設(shè)計了一款具有自配置功能的通用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),實現(xiàn)了感知層傳感網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交互等功能．該網(wǎng)關(guān)首先通過RS485現(xiàn)場總線實現(xiàn)建筑能耗信息的采集,然后將其以XML文件的形式存儲在SD卡中,最后通過以太網(wǎng)的TCP協(xié)議將能耗信息上傳至服務(wù)器中．實際工程項目應(yīng)用結(jié)果表明,該網(wǎng)關(guān)能夠穩(wěn)定可靠地運行,滿足建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男枨螅?/p>

建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)；通用網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)采集；身份認(rèn)證；自配置

0 引 言

能源一直都是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)．隨著社會的不斷進(jìn)步以及人民生活水平的不斷提高,能源需求日益加大與能源供給相對不足的矛盾逐漸加劇,因此,節(jié)能成為全球共同關(guān)注的一個話題．2011年BP世界能源統(tǒng)計年鑒顯示,我國已成為世界上能源消耗最大的國家,能源消耗量占全球能源消耗總量的20.3%[1],所承受的節(jié)能減排壓力之大不言而喻．目前,建筑在使用過程中的運行能耗已經(jīng)超過了國民經(jīng)濟能耗的24%,建筑耗能與工業(yè)耗能、交通耗能并列,成為我國能源消耗的三大“耗能大戶”[2-6],建筑節(jié)能或成為解決能源供應(yīng)不足和提高能源利用效率的重要途徑之一．本文設(shè)計一款通用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),以期滿足建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男枨螅?/p>

1 建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)

建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)(internet of building energy system,iBES)是指基于對建筑能源系統(tǒng)中各類物理量的在線感知,通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、信息匯聚、決策診斷和反饋控制,實現(xiàn)對建筑能源系統(tǒng)監(jiān)測、控制與管理的物聯(lián)網(wǎng)[7]．建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的主要研究對象是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、感知層數(shù)據(jù)采集與反饋控制、中間層數(shù)據(jù)采集器網(wǎng)關(guān)以及數(shù)據(jù)中心決策層的數(shù)據(jù)挖掘與優(yōu)化控制策略．網(wǎng)關(guān)作為感知層與數(shù)據(jù)中心的橋梁,作用至關(guān)重要．

目前應(yīng)用于不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)關(guān)已有很多種,文獻(xiàn)[8]設(shè)計了基于CC2431無線模塊的凍土區(qū)地溫監(jiān)測網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)[9]開發(fā)了基于GPRS(general packet radio service)的農(nóng)林業(yè)環(huán)境信息采集系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10]提出一種基于ZigBee與GPRS 通信技術(shù)的網(wǎng)關(guān),用于建筑能耗信息采集,并在實驗室環(huán)境下進(jìn)行了測試．但這些基于無線傳輸方案的網(wǎng)關(guān)在空曠地或者是空間有限的室內(nèi)環(huán)境比較適合,而在實際應(yīng)用中,由于建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,水泥墻壁障礙物較多,無線傳輸?shù)木嚯x非常有限,容易出現(xiàn)丟包、通信不穩(wěn)定等系列問題．國外有研究學(xué)者對ZigBee在建筑內(nèi)的傳輸性能進(jìn)行測試,結(jié)果表明,當(dāng)發(fā)送端與接收端之間有墻體阻隔的時候,有效通信距離僅為8～10 m[11]．隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨溉遮叧墒?以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫搅嗽絹碓蕉嗟膽?yīng)用．本文以STM32處理器為核心,構(gòu)建一款基于以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕ㄖ茉聪到y(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通用網(wǎng)關(guān),感知層采用RS485總線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．

2 網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計

按照功能可將網(wǎng)關(guān)的硬件電路分解為電源管理模塊、核心處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及調(diào)試、指示等輔助模塊,如圖 1所示．核心處理器采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6,該芯片配備了64 kB SRAM存儲器,512 kB FLASH程序存儲器,支持I2C、SPI、SDIO、串口等多種串行總線接口．?dāng)?shù)據(jù)采集模塊采用高性能的ADM2483芯片作為RS485總線驅(qū)動器,該芯片自帶iCoupler磁隔離技術(shù),只需要很少的分立元件就可以實現(xiàn)RS485通信功能,經(jīng)實測每個ADM2483芯片可以穩(wěn)定驅(qū)動64路負(fù)載,系統(tǒng)中采用2路ADM2483芯片,分別與STM32的串口1和2相連接,可同時支持128個末端儀表．為保證能耗數(shù)據(jù)不丟失,設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲模塊,采用SD卡作為存儲器,支持?jǐn)U展,SD卡模塊通過SDIO高速串行總線與STM32進(jìn)行通信．E2PROM存儲器主要用來存儲網(wǎng)關(guān)的配置信息．以太網(wǎng)驅(qū)動電路采用集成硬件協(xié)議棧的一體化芯片W5100,通過SPI接口與STM32連接,支持同時向2個數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)．電源管理模塊負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的電源供給,系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與電源模塊的抗干擾性能密切相關(guān),采取了加入過流檢測保險絲以及防接反二極管等措施,同時為了提高RS485數(shù)據(jù)采集模塊的穩(wěn)定性,采用B0505S電源隔離芯片為ADM2383的邏輯端和總線端供電．加入了3路LED燈用來指示網(wǎng)關(guān)的工作狀態(tài),即配置狀態(tài)、采集狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)．

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件及通信協(xié)議

3.1 通信協(xié)議

網(wǎng)關(guān)是感知層與數(shù)據(jù)中心之間的橋梁,通信協(xié)議是網(wǎng)關(guān)與末端及網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間溝通的語言,按照對象將通信協(xié)議分為網(wǎng)關(guān)與末端儀表通信協(xié)議及網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議．

3.1.1 網(wǎng)關(guān)與末端儀表通信協(xié)議 感知層數(shù)據(jù)采集主要對象包括耗電量、耗水量、耗熱量等累積量信息,以及設(shè)備的電壓、電流、供回水溫度、流量等實時參數(shù)．一般通過計量儀表的方式進(jìn)行采集,即通過數(shù)據(jù)采集器掛載計量儀表進(jìn)行測量．目前市場上的大部分計量儀表都支持RS485總線,但不同種類的儀表通信協(xié)議不盡相同,常見的通信協(xié)議有以下幾種:

(1)Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議以RTU通信方式為主,數(shù)據(jù)幀格式如表1所示[12]．網(wǎng)關(guān)向下發(fā)送的字節(jié)總數(shù)為8個,具體包括1個字節(jié)的地址碼,1個字節(jié)的功能碼0x03(表示讀取),然后分別是2個字節(jié)的寄存器起始地址以及欲讀取的總數(shù)據(jù)長度,最后是2個字節(jié)的CRC校驗碼；儀表收到網(wǎng)關(guān)的命令后,將對應(yīng)的數(shù)據(jù)返回．

表1 Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)格式

(2)DL/T 645-1997規(guī)約

DL/T 645-1997的通信幀格式如表 2所示,儀表通過識別起始符與結(jié)束符判斷一幀數(shù)據(jù)的起止．地址域由6個2位的BCD碼構(gòu)成,可以表示儀表的地址編碼、資產(chǎn)號、用戶號或者設(shè)備號等,低位在先,高位在后．DL/T 645-1997規(guī)約的校驗碼CS計算方法如下:

(1)

其中N表示校驗碼之前的所有位數(shù)．

表2 DL/T 645-1997通信幀格式

(3)CJ/T 188-2004規(guī)約

CJ/T 188-2004的通信幀格式與DL/T 645-1997 類似,如表3所示．地址域由7個2位BCD碼構(gòu)成,其中A5、A6固定為廠商代碼,低位在先,高位在后．CJ/T 188-2004規(guī)約的校驗碼CS計算方法如式(1)所示．

表3 CJ/T 188-2004通信幀格式

服務(wù)器下發(fā)的配置包中包含了目標(biāo)建筑中使用的所有儀表地址及其對應(yīng)的通信協(xié)議,網(wǎng)關(guān)解析配置包之后,按照儀表對應(yīng)的通信協(xié)議對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并根據(jù)讀取的總數(shù)據(jù)長度設(shè)置接收程序的緩沖區(qū)大?。?/p>

3.1.2 網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議 和網(wǎng)關(guān)與末端儀表通信協(xié)議不同,網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議需要自定義．從通信安全的角度出發(fā),本文定義網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心通信協(xié)議幀格式如圖 2所示,數(shù)據(jù)包類型共分為身份驗證包、配置包、心跳包、授時包、能耗數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)應(yīng)答包、故障包、故障應(yīng)答包．ID信息共27位,由10位建筑ID、2位網(wǎng)關(guān)ID、14位時間信息(年、月、日、小時、分鐘、秒)以及1位數(shù)據(jù)包格式的縮寫碼(V、T、D、E)組成．傳輸包以XML(extensible markup language)格式進(jìn)行打包封裝,便于解析及數(shù)據(jù)提取．

圖2 網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心通信幀格式

傳輸包分類及傳輸特性如表 4所示,其中與末端儀表數(shù)量有關(guān)的文件大小均不定,如配置包、能耗數(shù)據(jù)包和故障包,身份認(rèn)證包與配置包在每次通信過程中只需要配置1次,故障包以及故障應(yīng)答包傳輸周期是隨機的．

3.2 身份認(rèn)證

網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間的身份認(rèn)證采用MD5算法實現(xiàn),密鑰長度為128 B．MD5算法屬于HASH算法的一種,是一種不可逆的加密算法．算法的實現(xiàn)包括補位、初始化、分組運算3個步驟．補位后的信息長度是512的整數(shù)倍,形式如下:

L=N×512+448

(2)

預(yù)留64 B記錄原始數(shù)據(jù)的長度,即處理后的信息長度為L+64 B．鑒于篇幅關(guān)系,初始化與分組運算不再贅述．

表4 數(shù)據(jù)包分類

網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器建立TCP(transmission control protocol)連接之后,發(fā)送身份認(rèn)證請求,當(dāng)收到服務(wù)器下發(fā)的一組隨機序列之后,將隨機序列與網(wǎng)關(guān)中存儲的密鑰組合成一個新的字符串,并進(jìn)行MD5運算,得到的結(jié)果發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行驗證,服務(wù)器將收到的結(jié)果與自身計算的結(jié)果相比較,如一致,則身份驗證通過,開始接下來的配置流程；否則身份驗證失敗,不予配置．網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心之間的通信流程如圖 3所示．

圖3 網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心通信流程圖

3.3 數(shù)據(jù)采集

身份驗證通過之后,服務(wù)器根據(jù)網(wǎng)關(guān)中建筑ID信息對其進(jìn)行配置．配置信息中包含末端計量儀表的物理地址、廠家信息、上傳周期．網(wǎng)關(guān)解析配置包之后,按照儀表地址進(jìn)行循環(huán)讀取．為了保證系統(tǒng)RS485網(wǎng)絡(luò)的正常工作,通信過程需進(jìn)行超時檢測,取正常通信時間的3～5倍作為超時時間T,當(dāng)監(jiān)測超時后,如果從端一直沒有反應(yīng),則退出本次采集,延時一段時間后,重新對該模塊進(jìn)行采集,同時,超時計數(shù)器加1,當(dāng)計數(shù)器累加到3,判定該支路模塊為物理故障,放棄對其進(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)其余模塊的采集工作．

3.4 數(shù)據(jù)存儲

采用體積小巧的SD卡作為能耗信息數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì),容量最大支持到4 GB．能耗數(shù)據(jù)以電表采集的參數(shù)最多,包括三相電壓、三相電流、功率、總電量等共13項內(nèi)容,334 B．設(shè)末端共有100塊計量電表,取1 min為最小采集周期,則每一天的數(shù)據(jù)總量為

24×60×334×100/(1 024×1 024) MB≈ 45.9 MB

(3)

每個月存儲所需最大空間為

31×45.9 MB≈1 423 MB

(4)

本系統(tǒng)采用2 GB的SD卡作為存儲介質(zhì),可以滿足1個月的存儲需求．在SD卡中建立1～31共31個文件夾,每個文件夾內(nèi)保存當(dāng)天所采集的能耗信息數(shù)據(jù),待下月的同一時刻數(shù)據(jù)采集時,自動覆蓋SD卡中相應(yīng)日期文件夾內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)．

3.5 數(shù)據(jù)傳輸

能耗數(shù)據(jù)傳輸流程如圖 4所示,首先根據(jù)日期信息進(jìn)入相應(yīng)的目錄讀取XML能耗數(shù)據(jù),然后按照圖 2所示的通信協(xié)議,分別發(fā)送文件類型、ID信息、文件大小,最后是能耗數(shù)據(jù)包．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,首先記錄傳輸失敗時對應(yīng)的時間節(jié)點,待網(wǎng)絡(luò)傳輸功能恢復(fù)之后,從SD卡中按照時間節(jié)點讀取能耗數(shù)據(jù)包,重新發(fā)送至數(shù)據(jù)中心．

4 關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 自配置功能

理想情況下,網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心之間的網(wǎng)絡(luò)一直保持連接狀態(tài),但如果因網(wǎng)絡(luò)故障造成網(wǎng)關(guān)短時無法與服務(wù)器通信,網(wǎng)關(guān)將進(jìn)行自檢并重啟．重啟后若網(wǎng)絡(luò)通信功能未恢復(fù),則收不到配置信息,不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,造成部分能耗數(shù)據(jù)丟失．為解決該問題,本文提出了一種自配置功能算法,算法流程如圖 5所示．

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

圖5 自配置流程圖

開機后,首次與服務(wù)器建立連接后,先將配置信息存儲在SD卡中,并對其進(jìn)行CRC校驗,將校驗碼存儲在E2PROM中．如遇到網(wǎng)絡(luò)中斷,網(wǎng)關(guān)可以從SD卡中讀取配置信息,并有序地進(jìn)行采集、存儲等過程；當(dāng)再次與服務(wù)器建立連接后,將收到的配置信息進(jìn)行CRC校驗,如一致,則不予處理,否則將配置信息更新至SD卡中,從而實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)的自配置功能．

4.2 同步問題

為保證數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一,要求網(wǎng)關(guān)在同一時刻上傳數(shù)據(jù)包,通過服務(wù)器的授時功能保證各網(wǎng)關(guān)之間的時間同步．因能耗采集周期和上傳周期均一致,并且各網(wǎng)關(guān)的時間信息通過服務(wù)器進(jìn)行同步,導(dǎo)致所有的客戶端均在同一個時刻向數(shù)據(jù)中心發(fā)起連接或者發(fā)送能耗信息數(shù)據(jù),如圖 6所示(上傳周期為5 min),P1c～Pnc表示各網(wǎng)關(guān)在同一時刻向服務(wù)器發(fā)起連接,P1s～Pns表示各網(wǎng)關(guān)在同一時刻向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包,從而造成服務(wù)器偶爾因連接負(fù)載過多造成采集軟件卡死等現(xiàn)象發(fā)生．

圖6 原數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

解決該問題的方法其實很簡單,合理安排各網(wǎng)關(guān)在不同時間間隙發(fā)送數(shù)據(jù)即可．但如果通過對每一個網(wǎng)關(guān)下載不同的配置信息,進(jìn)而達(dá)到分時的目的,將會造成網(wǎng)關(guān)配置程序版本不唯一,存在潛在隱患．經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),每個網(wǎng)關(guān)所處的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量不一,導(dǎo)致其與服務(wù)器成功建立連接的時間不同,通過下面的方法巧妙地將該問題解決,如圖7所示．在程序中加入下面兩行代碼:

Write_W5100(W5100_S0_CR, S_CR_SEND_KEEP);

//監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

ssr0_state = Read_W5100(W5100_S0_SSR);

//讀取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

E1～En表示不同網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間建立TCP連接的時間點,成功建立TCP連接之后經(jīng)過ΔT時刻,網(wǎng)關(guān)再對服務(wù)器發(fā)起請求配置包,從而避免了同一時刻所有網(wǎng)關(guān)集中通信造成的阻塞．發(fā)送數(shù)據(jù)包過程與發(fā)送請求配置包相同,每個網(wǎng)關(guān)只需要記錄一個隨機時間點即可,順延ΔT時刻開始發(fā)送能耗信息數(shù)據(jù),通過此方法,有效地解決了因同步造成的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大的問題．

圖7 改進(jìn)后數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

5 結(jié) 語

網(wǎng)關(guān)是建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分,承擔(dān)建筑末端感知層與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的橋接作用．本文針對建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中能耗數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男枨笤O(shè)計了一款基于STM32的通用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),具有協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ埽當(dāng)?shù)據(jù)預(yù)先寫入SD卡存儲器中,克服了網(wǎng)絡(luò)故障造成的數(shù)據(jù)丟失問題．在建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用試驗證明了其性能穩(wěn)定高效、通信可靠,具有可擴展性．后續(xù)準(zhǔn)備在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上,研究末端設(shè)備的智能控制算法,并將其移植到網(wǎng)關(guān)中,增強網(wǎng)關(guān)的實用性．隨著節(jié)能工作的深入開展,建筑能源系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通用網(wǎng)關(guān)將具有廣闊的應(yīng)用前景．

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文章編號： 1000-8608(2014)01-0091-09

Designandimplementationofgeneralgatewayforinternetofbuildingenergysystem

ZHAO Liang, ZHANG Ji-li*, LIANG Ruo-bing

( Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Based on the STM32 processor, a general gateway with the self-configuration function is designed, which can realize data communication and conversion of different protocol interfaces between the sensor network layer and the server in data center. Firstly, the gateway collects energy consumption data in target building through RS485 field bus. And then, stores the data into SD card in the form of XML format. Finally, it transmits the data to server by TCP protocol. The results of practical project reveal that the gateway is reliable and steady, and meets the requirements of the data acquirement and data transmission of internet of building energy system.

internet of building energy system; general gateway; data acquisition; identity verification; self-configuration

1000-8608(2014)01-0085-06

2013-03-05；

: 2013-11-02．

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ03B12-3,2013BAJ10B02-03)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2013M540227).

趙 亮(1983-),男,博士生；張吉禮*(1969-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail:zjldlut@dlut.edu.cn.

TP274

：A

10.7511/dllgxb201401014