天津工業(yè)大學 葉 冉

高等學校建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設淺談

天津工業(yè)大學 葉 冉

在基礎設施和基礎服務平臺之上，以工業(yè)實時Web服務、國際標準OPC服務、現場設備組態(tài)以及安全門戶服務為核心技術基礎，融Web報表服務、Web地圖服務為一體，構建符合分布式監(jiān)控、網格化管理、應用層大集成而需要的數字節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)，包括了校園電能計量管理系統(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)）、能源審計管理系統(tǒng)等，如圖1。

一、服務及軟件

(1)服務及軟件具備安全、穩(wěn)定、可靠、易用之特性；

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

(3)系統(tǒng)實現分級授權及身份認證管理；

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

(5)系統(tǒng)采用MS SQL Server 2005數據庫服務系統(tǒng)；

(6)系統(tǒng)具備靈活的報表管理和各類格式的報表導出功能；

(7)系統(tǒng)提供集成于瀏覽器的報表調閱及打印功能；

(8)系統(tǒng)網絡中斷、維護情況下的離線數據緩存及網絡恢復后的數據完整性自動修復功能，保證了網絡出現問題情況下的數據完整。

二、面向服務的接口框架

系統(tǒng)支持SOA的集成架構，部分應用組件中已經廣泛采用了先進的WebService接口。

開發(fā)路線和設計方案詳細如下：

1.構建服務

基于JAVA，采用SCA(Service Component Architecture服務組件架構)框架，主要通過WSDL(Web Service Description Language)開發(fā)和描述服務接口，采用松耦合的形式構建各部分數據的訪問服務以及各類應用的服務組件，集中對外提供基于Web Service的服務調用。

系統(tǒng)將服務接口、實現、部署、調用完全分離，通過配置的形式靈活的組裝，綁定，既能夠對各類服務應用的訪問接口分散開發(fā)，同時又可以集中控制服務訪問權限，實現服務訪問審計。

2.實現服務通信

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

3.確保服務安全

能夠持久有效的保護和管理服務，提供對服務調用的安全、審核和日志管理。

三、應用程序的開發(fā)和運行結構

系統(tǒng)開發(fā)及運行結構基于后臺數據庫的三層架構，即Web服務器、應用服務器和數據庫服務器：Web層負責對應用的展示，應用層封裝業(yè)務邏輯，數據庫服務層提供聯機事務處理。在三層架構基礎上，采用MVC(Model-View-Controller)加上服務容器的體系架構，支持各層之間的松耦合，從而做到服務到業(yè)務流程的可配置和可重構。將其它應用包裝為服務，有效、無縫地接入到服務容器，實現與其它應用程序集成。

圖1 基礎設施和基礎服務平臺

采用基于Eclipse的集成可視化開發(fā)環(huán)境，集分析、設計、構造(開發(fā)/編譯/測試/打包)、部署等于一體，從需求分析、設計到代碼自動生成，均在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境中完成，實現了開發(fā)過程的自動化、規(guī)范化、標準化，保證了從需求到實現的一致性和可追蹤性。

四、RS-485通信方式的特點

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的數據最高傳輸速率為10Mbps。

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

4.RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(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備網絡。

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)點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網絡，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，對于特定的傳輸線經，從發(fā)生器到負載其數據信號傳輸所允許的最大電纜長度是數據信號速率的函數，當數據信號速率降低到90Kbit/S以下時，假定最大允許的信號損失為6dBV時，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，廣泛采用RS-485串行總線標準。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。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。

五、本系統(tǒng)數據采集傳輸方案

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

數據采集和傳輸方案如下：

1.水、電、氣等能源計量儀表數據通過RS 485傳輸到智能網關；

2.智能網關安裝在各個單體建筑相應的弱電配電間，實現RS 485到TCP/IP協議的轉換，再傳輸到校園網的網絡設備上；

3.校園網的網絡設備同時安裝在各個單體建筑相應的弱電配電間，組成一個虛擬專網，專門用于傳輸數字節(jié)能校園的數據到中心機房；

4.在中心機房通過匯聚設備收集各個單體建筑傳輸來的數據給相應的服務器去分析處理，結果傳輸到管理中心。

六、數據網關技術要求

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

2.具有接收計量裝置輸出的四種標準信號功能：RS485信號、脈沖信號(干接點)、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)約和技術條件；

4.支持兩種數據采集模式：數據中心指令采集和主動定時采集，且定時采集的時間間隔可以秒為單位進行配置，其范圍為60秒—86400秒(一天)；

5.具有數據采集、數學運算、分類/分項能耗值的計算功能；

6.具有處理更換計量裝置時的歸零、底碼等處理功能；

7.具有實時時鐘和自動同步功能；

8.具有存儲至少4周歷史數據(按10分鐘保存1次數據計算)的能力，且存儲容量不小于2GB；

9.具有識別和傳輸計量裝置運行狀態(tài)的能力；

10.具有高可靠性，平均無故障時間不少于10萬小時；

11.具備1個RS232系統(tǒng)配置接口(也可通信用)、2個10/100Mbps以太網絡接口、2個USB2.0 Host接口、1個USB2.0 Device接口、1路數據及電源隔離CAN-Base2.0總線接口；

12.具有6個隔離的RS485總線接口，每條總線至多可連接128臺計量裝置，其通訊波特率為1200—115200bps(可選)。注：組網時每條總線按照32臺計量裝置配置，確保系統(tǒng)實時性、可靠性；

13.具有MiniPCI接口，可以擴展3G模塊、GPS模塊、GPRS/GSM模塊、CDMA模塊、WiFi/藍牙模塊；

14.具有遠程傳輸功能：可運用以太網(優(yōu)先)、GPRS、ADSL、CDMA等方式遠程傳輸能耗數據。傳輸方式為：網絡層使用IP協議；傳輸層使用TCP/UDP協議；加密層使用點對點加密協議；應用層使用XML語義智能協議。

七、主要功能

1.智能數據網關支持多種類型的計量裝置或設備進行數據采集，包括電能表(含單相電能表、三相電能表、多功能電能表)、水表、燃氣表、熱(冷)量表、溫、濕度傳感器等。

2.智能數據網關和計量裝置之間采用符合各相關行業(yè)標準的通信協議。對于電能表，參照行業(yè)標準DL/T 645-1997《多功能電表通信規(guī)約》執(zhí)行。對于水表、燃氣表和熱(冷)量表，參照行業(yè)標準CJ/T 188-2004《用戶計量儀表數據傳輸技術條件》執(zhí)行。支持Modbus開放式協議，參照國家標準GB/T 19582-2008《基于Modbus協議的工業(yè)自動化網絡規(guī)范》執(zhí)行。

3.智能數據網關支持不少于對192臺計量裝置進行數據采集。

4.智能數據網關支持根據數據中心命令采集和主動定時采集兩種數據采集模式，且采集周期可以從60秒到1天靈活配置。

5.智能數據網關支持計量裝置（如互感電能表）的倍率運算，支持支路能耗類型識別。

6.智能數據網關應配置不小于2GB的專用存儲空間(SD卡或CF卡)，支持對能耗數據30天以上的存儲。

7.智能數據網關與數據中心的通信協議符合《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)分項能耗數據傳輸技術導則》的要求。

8.智能數據網關應支持斷點續(xù)傳功能，即如因傳輸網絡故障等原因未能將數據定時遠傳，則待傳輸網絡恢復正常后智能數據網關應利用存儲的數據進行斷點續(xù)傳。

9.智能數據網關遠傳數據包支持AES加密處理。

10.智能數據網關支持向多個數據中心(服務器)并發(fā)發(fā)送數據。

11.智能數據網關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等)。

12.智能數據網關支持遠程配置和管理功能。

13.智能數據網關支持對數據采集子系統(tǒng)故障的定位和診斷，并支持向數據中心上報故障信息。

14.智能數據網關支持對于故障計量裝置的更換不影響智能數據網關其他部分的正常工作。

滿足《高等學校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)技術導則》的要求，實現校園整體能耗分項解構，達到對所有樓宇水、電能耗監(jiān)測，樓內實驗室、研究室用電重要設備的重點監(jiān)測，經營房間的重點監(jiān)測；行政辦公樓、科研樓、實訓中心等樓宇每間房間的電能監(jiān)測，最終達到對各建筑單位分類、分項、分戶的五級監(jiān)測的計量目的。

本文指導教師：萬振凱。