基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)設計

劉倍菡，李樹林，井含香，張建平

（1.國網(wǎng)甘肅省電力公司市場營銷事業(yè)部，甘肅 蘭州 730000；2.國網(wǎng)定西供電公司，甘肅 定西 743000）

電資源是不可再生的二次資源，所以我國提出節(jié)約電資源的政策，目前市面上的用電信息采集終端控制系統(tǒng)采用信息終端上下行采集協(xié)議，協(xié)議在系統(tǒng)運行理論中不存在任何弊端，但是在實際運行中信息的上行和下行采集協(xié)議出現(xiàn)偏差，不能滿足用電信息采集的規(guī)范性和控制性[1]。

為了提高各種設備用電量總結與評估的便利性和準確度，采用了用電信息采集終端控制系統(tǒng)。用電信息采集終端控制系統(tǒng)是集成采集器、終端管理器、脈沖器的一個微型系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)對電信息的精確采集、及時查看設備電能輸出狀態(tài)、提高電資源的輸送管理。文中根據(jù)哈希函數(shù)的調用特點，突破傳統(tǒng)用電信息采集終端控制系統(tǒng)的設計理念，分別設計基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域，實現(xiàn)提高系統(tǒng)的采集效率和控制效果。

1 系統(tǒng)硬件分析

硬件主要由信息采集器、脈沖器和處理器三部分組成，系統(tǒng)硬件結構如圖1 所示。

圖1 基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件結構

1.1 信息采集器

信息采集器是基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的重要器件，文中采用RTU78系列的采集器，該采集器主要由電能表、設備接口、存儲模塊以及采集終端模塊構成[2-3]。信息采集器結構如圖2 所示。

圖2 信息采集器結構

WRT 電能表的工作電壓為220 V，工作頻率為50 Hz，電能表的接線方式為三相四線，內(nèi)部電源電路為交流電表，極限溫度為-40 ℃和+70 ℃，最高的承載電流為100 A，對應的承載功率為66 W，電能表的尺寸為203 mm×125 mm。設備的接口分別為RS45接口、無線接口、串行通信接口、type-c接口以及光纖接口。每種類型的設備接口的信息傳輸速度都至少可以達到256 Mbps，端口的波特率為9 600 bps，并且遵循RS232C 標準[4-5]。存儲模塊會短暫地存儲某一部分的用電信息，當一段用電信息全部采集后，硬件區(qū)域的處理器再將信息從存儲模塊中整體調出，此存儲模塊的存儲空間為64 GB[6-7]。

采集芯片是一個系統(tǒng)硬件區(qū)域的制動核心，只有芯片的性能達到極限，才可以制動硬件區(qū)域的其他設備，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為了達到研究目的和系統(tǒng)運行效果，系統(tǒng)硬件區(qū)域的芯片采用ARM9 架構的AT9lSAM9260 高性能電能計量芯片。芯片采用8通道的設計模式，分別應對用電信息采集、計量、信息輸入輸出以及脈沖輸入輸出等功能，并且預留出兩個備用通道，每個通信通道支持并配備8 個電能測量表，以實現(xiàn)用電狀態(tài)的評估[8-9]。芯片的內(nèi)置存儲空間為128 GB，信息數(shù)據(jù)的有效保存時間為3 年，AT9lSAM9260 芯片的通信方式為RS485，具有限流功能[10-11]。芯片內(nèi)安裝了NAND flash 轉接板、PIC 單片機和AVR 單片機，保證系統(tǒng)采集的用電信息的安全性和保密性。采集芯片如圖3 所示。

圖3 AT9lSAM9260芯片

1.2 脈沖器

脈沖器的任務是根據(jù)設備的電能信號波動情況，為電能的計量提供準確的數(shù)據(jù)計算基礎。文中采用GJI987 脈沖器，此脈沖器由電源模塊、脈沖信號識別模塊、看門狗組成。脈沖器結構如圖4 所示。

圖4 脈沖器結構

為了保證系統(tǒng)具有超長的工作續(xù)航能力，電源模塊采用線性220 V 的交流變壓電源，電源可以根據(jù)系統(tǒng)運行的電壓強度進行合理降壓，避免系統(tǒng)的內(nèi)部電壓過高導致設備出現(xiàn)腐蝕的情況。電源模塊內(nèi)置一個EMC 電源濾波器，濾波器進行電源濾波操作的驅動電容為10 μF，電源濾波器最大的優(yōu)勢是可以隔離不同類型的數(shù)據(jù)信號并抑制外界高頻信號的干擾。脈沖信號識別模塊分為兩部分，一部分是表脈沖信號識別，另一部分是遙脈沖信號識別，因為兩種信號的波動頻率與規(guī)律不同，因此分開識別可以保證用電脈沖信號識別的精度。看門狗器件的設計用于防止程序跑飛，硬件看門狗器件對于冗余干擾的用電信息不能完全清除，就會導致系統(tǒng)自動復位重啟甚至系統(tǒng)癱瘓的情況發(fā)生，看門狗采用10 ms 定時觸發(fā)，無需工作人員協(xié)作即可自動工作[12-13]。

1.3 處理器

處理器是基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域重要器件之一，處理器的工作是實時監(jiān)控并維護系統(tǒng)內(nèi)各個器件的正常運轉，文中采用Cortex-M3 系列的STM32F107 內(nèi)核處理器，此處理器包括雙管正激電路和主板。雙管正激電路根據(jù)直流斬波原理，合理地設計并控制電路內(nèi)的多路信號正常傳輸，不發(fā)生碰撞。處理器采用超線程技術，內(nèi)置8核心16線程，提高用電信息的采集速度和系統(tǒng)的響應速度，處理器的熱功耗為65 W，高速緩存為12 MB，可保證數(shù)據(jù)采集的全面性及通信的可靠性[14]。

處理器電路圖如圖5 所示。

圖5 處理器電路圖

主板采用z490 系列主板，該主板可以根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)自動觸發(fā)散熱功能，支持硬件系統(tǒng)其他器件的協(xié)作和網(wǎng)絡通用協(xié)議。用電信息采集終端控制系統(tǒng)的運行網(wǎng)絡不同于其他網(wǎng)絡，所以需要特殊的設計，文中采用ZigBee 網(wǎng)絡提供服務，網(wǎng)絡對于不同的用電信息存儲庫都具有訪問權限，在一定程度上簡化了用電信息采集的工作流程，并保證用電信息的安全性和保密性。

2 系統(tǒng)軟件分析

哈希函數(shù)是一種普通的線性函數(shù)，根據(jù)固定的哈希表計算某兩個變量之間的關系，哈希函數(shù)的優(yōu)勢是具有權衡計算功能，避免系統(tǒng)內(nèi)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域之間運行出現(xiàn)碰撞。哈希表的計算原理是將數(shù)據(jù)代入哈希函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲。對于文中的哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)來說，用戶的用電信息就是哈希函數(shù)的自變量，通過哈希函數(shù)計算出需要采集用電信息的存儲地址，提高用電信息采集的可靠性。哈希函數(shù)中平衡度的計算公式如下所示：

其中，r表示自變量值域中原像的數(shù)量；d表示用電信息集合的大小。

哈希函數(shù)計算系統(tǒng)在完成采集用電信息任務過程中，硬件區(qū)域和軟件區(qū)域發(fā)生沖突的概率計算公式如下所示：

其中，c(F,N)表示沖突的概率；N表示哈希函數(shù)計算的次數(shù)；μ表示數(shù)據(jù)采集沖突平衡系數(shù)。

在計算了哈希函數(shù)的平衡度和任務沖突率后，文中最后通過映射法則構建哈希哈數(shù)，哈希函數(shù)的表達式如下所示：

其中，K表示哈希表的檢索值；a、b表示常數(shù)[15-16]。

通過以上對哈希函數(shù)、系統(tǒng)硬件區(qū)域各個器件功能的分析和設計以及系統(tǒng)工作網(wǎng)絡協(xié)議的設計，文中總結出基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)的工作流程，系統(tǒng)流程如圖6 所示。

圖6 基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)流程

1）首先用電信息采集終端控制系統(tǒng)對需要采集的用戶用電信息向ZigBee 網(wǎng)絡發(fā)送請求，建立一個合法的數(shù)據(jù)采集終端ip 地址[17-18]。采集權限獲取成功后，根據(jù)用電信息采集的種類執(zhí)行不同的脈沖信號識別器，調用哈希函數(shù)，檢索用電信息的存儲地址，并驅動系統(tǒng)硬件區(qū)域的處理器和數(shù)據(jù)采集器共同運行，為用電信息的采集提供基礎。

2）在用電信息采集過程中，存在一個信息驗證，用于對照系統(tǒng)采集信息的準確度，如果驗證錯誤，則重新調用哈希函數(shù)，完成用戶信息地址的重新檢索，重復驗證步驟，直到驗證通過。

3）用電信息采集完成后，將信息上傳至系統(tǒng)硬件區(qū)域的存儲器和芯片內(nèi)，完成用電信息的存儲和備份。

4）在用電信息采集終端控制系統(tǒng)運行過程中，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)黑屏、斷開連接、短路等運行問題時，系統(tǒng)立即調用處理器快速檢測硬件區(qū)域內(nèi)設備斷開前的工作狀態(tài)，同時觸發(fā)脈沖器，恢復系統(tǒng)的運行，向系統(tǒng)管理員發(fā)送預警通知。

3 實驗分析

通過以上對基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)的設計和分析，為了驗證文中設計的系統(tǒng)具有實用性，進一步進行對比實驗分析。為了避免實驗的偶然性，文中選擇基于信號變換函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)和基于多源異構函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)兩種對照系統(tǒng)共同完成實驗。在實驗進行前，將3 種用戶信息采集終端控制系統(tǒng)分別錄入3 臺電腦內(nèi)，并且3 臺電腦連接3 個數(shù)據(jù)分析器，實時記錄系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時的系統(tǒng)運行參數(shù)，為實驗結果的分析提供準確的數(shù)據(jù)基礎。為保證實驗的科學性和合理性，文中選擇采集的是同一小區(qū)內(nèi)的3 家用戶的用電信息，當3 臺電腦全部向數(shù)據(jù)分析器提供用電信息后，停止實驗，匯總實驗數(shù)據(jù)，清理實驗場地。

系統(tǒng)功率消耗實驗結果如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)功率消耗實驗結果

通過對實驗數(shù)據(jù)的匯總和分析得出，文中研究的基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)具有實用性?；诠：瘮?shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)完成3 戶用電信息采集任務消耗的功率為30 W，然而基于信號變換函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)和基于多源異構函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)完成用電信息采集任務消耗的功率分別為60 W 和55 W，得到這一實驗結果的主要原因是哈希函數(shù)通過平衡系數(shù)和沖突概率的權衡，一方面減少了系統(tǒng)內(nèi)設備沖突產(chǎn)生的功率，另一方面系統(tǒng)硬件區(qū)域線性電源根據(jù)用電信息的多少，提供對應級別的工作電壓，減少系統(tǒng)的功率消耗。因為基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的芯片具有處理緩沖空間，節(jié)省系統(tǒng)完成采集任務中的排隊時間，提高系統(tǒng)的工作效率。用戶信息采集終端控制系統(tǒng)的信息正確匹配度是衡量系統(tǒng)性能的關鍵因素，如果采集的用電信息正確匹配度低，那么也不具備實用性。

綜上所述，基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)的性能高，具有實用性。

4 結束語

文中首先研究了基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件器件的功能和設計，然后在系統(tǒng)軟件部分實現(xiàn)哈希函數(shù)的合理調用，更新網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集協(xié)議，保證用電信息采集終端控制系統(tǒng)的正常運行。最后通過對比實驗分析驗證文中研究的系統(tǒng)具有實用性，能夠提高用電信息采集和管理的效率，促進用電信息采集的發(fā)展。