能耗數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李明海，徐軼群

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361000）

能耗數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李明海，徐軼群

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361000）

能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的目的是為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能政策，實(shí)現(xiàn)能耗的監(jiān)測(cè)與管理，提高節(jié)能意識(shí)，提升節(jié)能規(guī)范。以ARM7為CPU設(shè)計(jì)的能耗數(shù)據(jù)采集器，用C語言對(duì)采集器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和用Java語言對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)了采集器對(duì)能耗數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，協(xié)議轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)通訊等一系列應(yīng)用。設(shè)計(jì)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)處理，無網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳，采集周期可配置，數(shù)據(jù)協(xié)議可編寫等采集器的應(yīng)用功能。通過實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果證明達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，能夠?qū)δ芎臄?shù)據(jù)準(zhǔn)確地、實(shí)時(shí)地采集統(tǒng)計(jì)，能夠較好地適應(yīng)市場(chǎng)需求。

ARM7；數(shù)據(jù)采集器；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；TCP通訊

0 引言

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)越來越成熟，各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。在我國(guó)提倡節(jié)能型社會(huì)的大背景下，如何體現(xiàn)節(jié)能，提高節(jié)能意識(shí)顯得尤其重要。為此設(shè)計(jì)了一種對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估的能耗數(shù)據(jù)采集器。該數(shù)據(jù)采集器不僅可以對(duì)辦公建筑、工廠設(shè)備、船舶、汽車等能耗場(chǎng)所和設(shè)備進(jìn)行能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能耗統(tǒng)計(jì)、能耗的數(shù)據(jù)分析對(duì)比，同時(shí)還能促進(jìn)相關(guān)負(fù)責(zé)人提高責(zé)任心，規(guī)范能源使用。

1 基本組成原理

能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以能耗數(shù)據(jù)采集器為核心的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集器以ARM7為處理器的智能網(wǎng)關(guān)[1]，能耗數(shù)據(jù)采集器的下行為通過采集器的485串口連接能耗數(shù)字儀表的485串口，通過485協(xié)議和數(shù)字儀表的通訊協(xié)議[2]，對(duì)數(shù)字儀表的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在數(shù)據(jù)采集器中進(jìn)行時(shí)鐘校驗(yàn)、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳、采集周期配置、XML格式傳輸?shù)纫幌盗胁僮?。采集器的上行通過網(wǎng)口的TCP傳輸XML數(shù)據(jù)到PC端或服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析。如圖1所示。

圖1 能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架圖

2 硬件部分設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)以ARM7為核心連接處理個(gè)模塊包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、MCU處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和上位機(jī)接口模塊等。電源模塊用于為各個(gè)模塊提供電源；數(shù)據(jù)采集模塊電連接下位機(jī)和MCU處理器模塊；MCU處理器模塊電連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和上位機(jī)接口模塊[3]。上位機(jī)接口模塊用于與上位機(jī)電連接，還包括用于進(jìn)行權(quán)限認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密的SAM模塊，SAM模塊電連接MCU處理器模塊。電路硬件實(shí)物圖滿足如下硬件要求。

（1）硬件接口下行支持采集接口有：CAN接口1個(gè)；RS485接口2個(gè)；RS232接口2個(gè)。

（2）硬件上行傳輸接口可通過有線以太網(wǎng)網(wǎng)口傳輸；可通過無線WIFI、無線3G、無線4G傳輸。

（3）內(nèi)置CPU為STM32F207Z，ST32F103雙ARM7；內(nèi)含實(shí)時(shí)時(shí)鐘，在斷電情況下可維持一個(gè)月。

（4）硬件內(nèi)置含有帶SAM的安全模塊，F(xiàn)lash存儲(chǔ)為32 M，Eeprom存儲(chǔ)為4kb。

（5）供電電源需求為DC12-24V，具有自適應(yīng)性?？傮w功耗小于3W。

本設(shè)計(jì)主要包括以STM32F207Z為核心包括晶振，電容，電阻組成最小系統(tǒng)。它控制子模塊的應(yīng)用，主要控制接口分配，同時(shí)還預(yù)留4*4鍵盤接口[4]。

如圖2所示：RS232模塊通過接口TXD1、TXD4、RXD1、RXD4、PC RST與控制器對(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)RS232的數(shù)據(jù)收發(fā)，數(shù)據(jù)通過TXD，RXD數(shù)據(jù)線上傳。主要芯片是RS232收發(fā)器MAX202，該模塊接收數(shù)據(jù)信號(hào)后發(fā)送到控制系統(tǒng)中，同時(shí)通過RS232口進(jìn)行對(duì)控制器程序的燒寫；USB通過USB DM、USB DP與控制器對(duì)應(yīng)連接實(shí)現(xiàn)USB控制。

圖2 rs232模塊電路圖

接口存儲(chǔ)通過FMSCL、FMSDA、FMWP、W25CLK、 W25DI、 W25WP1、 W25CS1、W25WP1、W25CS2由控制器控制主要芯片，主要芯片是FM24CL16、W25Q64。該模塊主要是對(duì)控制器接收數(shù)據(jù)做緩存；通過GRST控制LC70-GSP的復(fù)位。如圖3所示。

圖3 存儲(chǔ)電路

GPRS通過接口PWRKEY、USBDM2、USB?DP2、GPGS PW與控制器相連接，VCC、RES、CLK、GND、I/O與SAM模塊連接主要實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)發(fā)送。

接口轉(zhuǎn)換通過RXD4、485DE1、TXD4與控制器連接，接口接485B1、485A1。該部分主要芯片是MAX48E，主要是實(shí)現(xiàn)接RS485接口轉(zhuǎn)換成RS232。

SAM 模 塊 通 過 531SCK、 531MOSI、531MISO、531CS、531RST、531IRQ與控制器相連，模塊之間電路連接按圖中所標(biāo)引腳號(hào)連接。該模塊包括芯片有4個(gè)SAMCARD，讀卡器RC522，16kB緩存STM32F_LQFP48及三極管、電容、電阻等器件。主要與控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密和權(quán)威認(rèn)證。

以太網(wǎng)模塊通過接口MII_TX_CLK，

MII_TX_EN， MII_TXD3， MII_TXD2，MII_TXD1， MII_TXD0MII_RXER， MII_MDC，MII_MDIO， MII_RX_CLK， MII_RX_DV，MII_RXD3， MII_RXD2， MII_RXD1，MII_RXD0，MII_COL，MII_RESET與主控制器連接。該模塊主要包括以太網(wǎng)收發(fā)器RTL8201CP，網(wǎng)絡(luò)接口等實(shí)現(xiàn)通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸方式主要通過TCP形式。

CAN模塊接口CAN_S2，CANTX2，CAN?RX2，CAN_S1，CANTX1，CANRX1與控制器連接；CANH2，CANL2，CANH1，CANL1與接口轉(zhuǎn)換電路中接口相連接，CAN模塊通過CANL， CANH數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)。主要器件SN65HVD1050，對(duì)底層設(shè)備數(shù)據(jù)上傳。

圖4 能耗采集網(wǎng)關(guān)程序框圖

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

能耗數(shù)據(jù)采集器程序框圖如圖4所示：

底層初始化時(shí)對(duì)硬件接口的配置與各接口驅(qū)動(dòng)程序，底層子函數(shù)等相關(guān)函數(shù)的初始化，提供應(yīng)用程序的底層調(diào)用基本接口。例如TCP通訊接口子函數(shù)有：

int tcp_open_client(int index);

int tcp_check_client(int index);

Int tcp_rece_client(int index，char*recebuf，int*rece_length，int*remote_ip，int*remote_port);

int tcp_send_client(int index，char*sendbuf，int send_length，int remote_ip，int remote_port);

int tcp_close_client(int udp_index，int tcp_in?dex);

應(yīng)用參數(shù)的配置包括串口通訊中波特率，校驗(yàn)位，停止位，初始采集周期，采集指令，變量初始化等一系列參數(shù)配置[5]。

底層數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)包括485通訊的的協(xié)議解析，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，XML格式傳輸嵌套等。底層數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)流程圖如圖5所示。

圖5 底層數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)流程圖

部分程序如下：

////////////串口采集///////////

uart_sendbuf_clr(index);

uart_put_bytes(index， a[bh]， 8， 600); uart_send_is_empty(index);

uart_get_bytes(index，inbuf，9，400);

memset(recordbuf，0，24);

////////////存儲(chǔ)///////////

for(i=0;i＜9;i++)

{

recordbuf[i]=inbuf[i];

}

j=0;

for(i=9;i＜15;i++)

{

recordbuf[i]=cjtbuf[j];

j++;

}

trans_record_save(recordbuf);

his_record_save(recordbuf);

//////////////數(shù)據(jù)部分解析///////////

num=(inbuf[6]+inbuf[5]*16*16+inbuf[4]*16*16* 16*16+inbuf[3]*16*16*16*16*16*16);

n=(num*250*5*10)/10800000; myitoa(n，strshu[bh]，10);

MD5加密驗(yàn)證[6]為接收上位機(jī)發(fā)送的原始8位數(shù)，通過采集器編寫加密算法，得出加密后的一組數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，判斷是否通過。

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