天津工業(yè)大學(xué) 葉 冉

高等學(xué)校建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)淺談

天津工業(yè)大學(xué) 葉 冉

在基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)服務(wù)平臺之上，以工業(yè)實(shí)時(shí)Web服務(wù)、國際標(biāo)準(zhǔn)OPC服務(wù)、現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)以及安全門戶服務(wù)為核心技術(shù)基礎(chǔ)，融Web報(bào)表服務(wù)、Web地圖服務(wù)為一體，構(gòu)建符合分布式監(jiān)控、網(wǎng)格化管理、應(yīng)用層大集成而需要的數(shù)字節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)，包括了校園電能計(jì)量管理系統(tǒng)、校園供水管理系統(tǒng)、校園路燈智能管理系統(tǒng)、消防管網(wǎng)用水監(jiān)管系統(tǒng)、節(jié)能管理專家系統(tǒng)（能源綜合分析系統(tǒng)）、能源審計(jì)管理系統(tǒng)等，如圖1。

一、服務(wù)及軟件

(1)服務(wù)及軟件具備安全、穩(wěn)定、可靠、易用之特性；

(2)校園節(jié)能監(jiān)管平臺及各相關(guān)系統(tǒng)是完全基于工業(yè)監(jiān)控級的實(shí)時(shí)WEB服務(wù)；

(3)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分級授權(quán)及身份認(rèn)證管理；

(4)服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows Server2003；

(5)系統(tǒng)采用MS SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)；

(6)系統(tǒng)具備靈活的報(bào)表管理和各類格式的報(bào)表導(dǎo)出功能；

(7)系統(tǒng)提供集成于瀏覽器的報(bào)表調(diào)閱及打印功能；

(8)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中斷、維護(hù)情況下的離線數(shù)據(jù)緩存及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后的數(shù)據(jù)完整性自動(dòng)修復(fù)功能，保證了網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題情況下的數(shù)據(jù)完整。

二、面向服務(wù)的接口框架

系統(tǒng)支持SOA的集成架構(gòu)，部分應(yīng)用組件中已經(jīng)廣泛采用了先進(jìn)的WebService接口。

開發(fā)路線和設(shè)計(jì)方案詳細(xì)如下：

1.構(gòu)建服務(wù)

基于JAVA，采用SCA(Service Component Architecture服務(wù)組件架構(gòu))框架，主要通過WSDL(Web Service Description Language)開發(fā)和描述服務(wù)接口，采用松耦合的形式構(gòu)建各部分?jǐn)?shù)據(jù)的訪問服務(wù)以及各類應(yīng)用的服務(wù)組件，集中對外提供基于Web Service的服務(wù)調(diào)用。

系統(tǒng)將服務(wù)接口、實(shí)現(xiàn)、部署、調(diào)用完全分離，通過配置的形式靈活的組裝，綁定，既能夠?qū)Ω黝惙?wù)應(yīng)用的訪問接口分散開發(fā)，同時(shí)又可以集中控制服務(wù)訪問權(quán)限，實(shí)現(xiàn)服務(wù)訪問審計(jì)。

2.實(shí)現(xiàn)服務(wù)通信

各服務(wù)模塊之間，以及服務(wù)與后端應(yīng)用程序之間能夠可靠地相互通信，在服務(wù)的調(diào)用方面支持多種傳輸協(xié)議以及多種通信模型，傳輸協(xié)議包括HTTP、HTTPS、JMS等協(xié)議，通信模型則提供同步和異步通信。

3.確保服務(wù)安全

能夠持久有效的保護(hù)和管理服務(wù)，提供對服務(wù)調(diào)用的安全、審核和日志管理。

三、應(yīng)用程序的開發(fā)和運(yùn)行結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行結(jié)構(gòu)基于后臺數(shù)據(jù)庫的三層架構(gòu)，即Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：Web層負(fù)責(zé)對應(yīng)用的展示，應(yīng)用層封裝業(yè)務(wù)邏輯，數(shù)據(jù)庫服務(wù)層提供聯(lián)機(jī)事務(wù)處理。在三層架構(gòu)基礎(chǔ)上，采用MVC(Model-View-Controller)加上服務(wù)容器的體系架構(gòu)，支持各層之間的松耦合，從而做到服務(wù)到業(yè)務(wù)流程的可配置和可重構(gòu)。將其它應(yīng)用包裝為服務(wù)，有效、無縫地接入到服務(wù)容器，實(shí)現(xiàn)與其它應(yīng)用程序集成。

圖1 基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)服務(wù)平臺

采用基于Eclipse的集成可視化開發(fā)環(huán)境，集分析、設(shè)計(jì)、構(gòu)造(開發(fā)/編譯/測試/打包)、部署等于一體，從需求分析、設(shè)計(jì)到代碼自動(dòng)生成，均在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境中完成，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)過程的自動(dòng)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，保證了從需求到實(shí)現(xiàn)的一致性和可追蹤性。

四、RS-485通信方式的特點(diǎn)

1.RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2~6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2~6)V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2.RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。

3.RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

4.RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9(孔)，與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9(針)。

在使用RS485接口時(shí)，對于特定的傳輸線經(jīng)，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號傳輸所允許的最大電纜長度是數(shù)據(jù)信號速率的函數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)信號速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號損失為6dBV時(shí)，則電纜長度被限制在1200M。RS-485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動(dòng)器和32臺接收器。

五、本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸方案

通過以上分析，結(jié)合高校的具體情況，由于校區(qū)的建設(shè)中，線路的鋪設(shè)均采用了標(biāo)準(zhǔn)方式，在原有基礎(chǔ)上，再增加有線傳輸方式比較方便，所以將主要以“RS485+校園網(wǎng)”的通訊方式為主，如遇特殊情況，在鋪設(shè)線路有困難或成本過高時(shí)，適當(dāng)配合其它通訊方式。

數(shù)據(jù)采集和傳輸方案如下：

1.水、電、氣等能源計(jì)量儀表數(shù)據(jù)通過RS 485傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)；

2.智能網(wǎng)關(guān)安裝在各個(gè)單體建筑相應(yīng)的弱電配電間，實(shí)現(xiàn)RS 485到TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，再傳輸?shù)叫@網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上；

3.校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備同時(shí)安裝在各個(gè)單體建筑相應(yīng)的弱電配電間，組成一個(gè)虛擬專網(wǎng)，專門用于傳輸數(shù)字節(jié)能校園的數(shù)據(jù)到中心機(jī)房；

4.在中心機(jī)房通過匯聚設(shè)備收集各個(gè)單體建筑傳輸來的數(shù)據(jù)給相應(yīng)的服務(wù)器去分析處理，結(jié)果傳輸?shù)焦芾碇行摹?/p>

六、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)技術(shù)要求

1.具有低功耗嵌入式系統(tǒng)/微控制器結(jié)構(gòu)，最大電源消耗不大于10VA；

2.具有接收計(jì)量裝置輸出的四種標(biāo)準(zhǔn)信號功能：RS485信號、脈沖信號(干接點(diǎn))、電流信號(4~20mA)、電壓（0~10V）信號；

3.支持DL/T 645-1997、CJ/T 188-2004通信規(guī)約和技術(shù)條件；

4.支持兩種數(shù)據(jù)采集模式：數(shù)據(jù)中心指令采集和主動(dòng)定時(shí)采集，且定時(shí)采集的時(shí)間間隔可以秒為單位進(jìn)行配置，其范圍為60秒—86400秒(一天)；

5.具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)學(xué)運(yùn)算、分類/分項(xiàng)能耗值的計(jì)算功能；

6.具有處理更換計(jì)量裝置時(shí)的歸零、底碼等處理功能；

7.具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和自動(dòng)同步功能；

8.具有存儲至少4周歷史數(shù)據(jù)(按10分鐘保存1次數(shù)據(jù)計(jì)算)的能力，且存儲容量不小于2GB；

9.具有識別和傳輸計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)的能力；

10.具有高可靠性，平均無故障時(shí)間不少于10萬小時(shí)；

11.具備1個(gè)RS232系統(tǒng)配置接口(也可通信用)、2個(gè)10/100Mbps以太網(wǎng)絡(luò)接口、2個(gè)USB2.0 Host接口、1個(gè)USB2.0 Device接口、1路數(shù)據(jù)及電源隔離CAN-Base2.0總線接口；

12.具有6個(gè)隔離的RS485總線接口，每條總線至多可連接128臺計(jì)量裝置，其通訊波特率為1200—115200bps(可選)。注：組網(wǎng)時(shí)每條總線按照32臺計(jì)量裝置配置，確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性；

13.具有MiniPCI接口，可以擴(kuò)展3G模塊、GPS模塊、GPRS/GSM模塊、CDMA模塊、WiFi/藍(lán)牙模塊；

14.具有遠(yuǎn)程傳輸功能：可運(yùn)用以太網(wǎng)(優(yōu)先)、GPRS、ADSL、CDMA等方式遠(yuǎn)程傳輸能耗數(shù)據(jù)。傳輸方式為：網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議；傳輸層使用TCP/UDP協(xié)議；加密層使用點(diǎn)對點(diǎn)加密協(xié)議；應(yīng)用層使用XML語義智能協(xié)議。

七、主要功能

1.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)支持多種類型的計(jì)量裝置或設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括電能表(含單相電能表、三相電能表、多功能電能表)、水表、燃?xì)獗?、?冷)量表、溫、濕度傳感器等。

2.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和計(jì)量裝置之間采用符合各相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。對于電能表，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645-1997《多功能電表通信規(guī)約》執(zhí)行。對于水表、燃?xì)獗砗蜔?冷)量表，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 188-2004《用戶計(jì)量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》執(zhí)行。支持Modbus開放式協(xié)議，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19582-2008《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》執(zhí)行。

3.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)支持不少于對192臺計(jì)量裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)支持根據(jù)數(shù)據(jù)中心命令采集和主動(dòng)定時(shí)采集兩種數(shù)據(jù)采集模式，且采集周期可以從60秒到1天靈活配置。

5.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)支持計(jì)量裝置（如互感電能表）的倍率運(yùn)算，支持支路能耗類型識別。

6.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)應(yīng)配置不小于2GB的專用存儲空間(SD卡或CF卡)，支持對能耗數(shù)據(jù)30天以上的存儲。

7.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心的通信協(xié)議符合《國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則》的要求。

8.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳功能，即如因傳輸網(wǎng)絡(luò)故障等原因未能將數(shù)據(jù)定時(shí)遠(yuǎn)傳，則待傳輸網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)應(yīng)利用存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳。

9.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)包支持AES加密處理。

10.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)支持向多個(gè)數(shù)據(jù)中心(服務(wù)器)并發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)。

11.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具備本地配置和管理功能(WEB方式配置、專用接口配置與維護(hù)等)。

12.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)支持遠(yuǎn)程配置和管理功能。

13.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)支持對數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)故障的定位和診斷，并支持向數(shù)據(jù)中心上報(bào)故障信息。

14.智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)支持對于故障計(jì)量裝置的更換不影響智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)其他部分的正常工作。

滿足《高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》的要求，實(shí)現(xiàn)校園整體能耗分項(xiàng)解構(gòu)，達(dá)到對所有樓宇水、電能耗監(jiān)測，樓內(nèi)實(shí)驗(yàn)室、研究室用電重要設(shè)備的重點(diǎn)監(jiān)測，經(jīng)營房間的重點(diǎn)監(jiān)測；行政辦公樓、科研樓、實(shí)訓(xùn)中心等樓宇每間房間的電能監(jiān)測，最終達(dá)到對各建筑單位分類、分項(xiàng)、分戶的五級監(jiān)測的計(jì)量目的。

本文指導(dǎo)教師：萬振凱。