楊琳芳,曾保權(quán)

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，河源517000；2.廣東雅達(dá)電子股份有限公司廣州研發(fā)中心，廣州513500）

基于MQX的能耗數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊琳芳1,曾保權(quán)2

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，河源517000；2.廣東雅達(dá)電子股份有限公司廣州研發(fā)中心，廣州513500）

在公共建筑能耗、城市能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，能耗數(shù)據(jù)采集器作為核心的專用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為能耗監(jiān)測(cè)及管理提供有力的數(shù)據(jù)之源，以FreeScale MQX嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)的能耗數(shù)據(jù)采集器，具有實(shí)時(shí)性好、多任務(wù)并發(fā)性、面向組件的架構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)國(guó)家能耗數(shù)據(jù)采集及傳輸相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、配置和維護(hù)等功能，并通過(guò)區(qū)域性的專門產(chǎn)品測(cè)評(píng)，在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用中，取得良好的運(yùn)行效果，提高能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，提升節(jié)能管理工作的效率。

能耗監(jiān)測(cè)；MQX；數(shù)據(jù)采集；能源管理；產(chǎn)品測(cè)評(píng)

0 引言

能耗數(shù)據(jù)采集器是專門針對(duì)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑以及節(jié)約型高效節(jié)能監(jiān)管體系建設(shè)的市場(chǎng)需求而設(shè)計(jì)的一款水、電、燃?xì)狻崃亢推渌茉吹囊惑w化能耗數(shù)據(jù)采集器,適合應(yīng)用于企業(yè)能耗數(shù)據(jù)采集、公共能耗數(shù)據(jù)采集、建筑能耗數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。

能耗數(shù)據(jù)采集器具備一個(gè)10M/100M高速的以太網(wǎng)RJ-45通訊接口、大容量存儲(chǔ)介質(zhì)TF卡（4G）、5路全隔離工業(yè)RS485總線接口，其中4路用于采集、1路用于調(diào)試。支持硬件看門狗、支持市電220V輸入、多重電源保護(hù)、抗雷、抗靜電、過(guò)流、防接反保護(hù)等，還具備協(xié)議在線自定義等功能，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)基于RS485總線的各種不同通信協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、歷史存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程傳輸，并具備一定的數(shù)據(jù)分析處理、故障定位和提示等功能。采集器每路RS485支持32個(gè)（儀表）設(shè)備，4路串口總共支持128個(gè)能耗計(jì)量設(shè)備；每個(gè)采集RS485串口均支持《GB/T19582-2008基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》、《DL/T645-1997多功能電表通信規(guī)約》、《DL/T645-2007多功能電能表通信協(xié)議》、《CJ/T188-2004戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件》等規(guī)定的通信協(xié)議，且可獨(dú)立配置，也可以根據(jù)不同采集方案采集不同的數(shù)值；支持同時(shí)與3個(gè)服務(wù)器間的通信；支持2年以上歷史數(shù)據(jù)的保存。

MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可用于多種模式的處理器，如單一處理器、多處理器及分布式處理等。該系統(tǒng)具有面向組件架構(gòu)的特點(diǎn)、可靈活配置多種組件，如網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等應(yīng)用，且方便裁剪、便于使用、具有輕量級(jí)存儲(chǔ)組件、內(nèi)存池管理、優(yōu)良的任務(wù)與調(diào)度機(jī)制等，所有這些優(yōu)點(diǎn)及特征，實(shí)際運(yùn)行效果證明，選擇MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)開發(fā)能耗數(shù)據(jù)采集器是符合實(shí)際項(xiàng)目需求的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集器按照工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的要求設(shè)計(jì)，功能符合《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》和《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則》的要求。

按照建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則的相關(guān)要求及規(guī)定，能耗數(shù)據(jù)采集器是一種能源管理數(shù)據(jù)采集的專用裝置，在能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有重要的作用，是能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信核心設(shè)備。能耗數(shù)據(jù)采集器的硬件框圖如圖1所示。

圖1 能耗數(shù)據(jù)采集器硬件框圖

能耗數(shù)據(jù)采集器具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸一級(jí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷等功能。數(shù)據(jù)采集器采用MK64FN1M0VLQ12作為主處理芯片，包括顯示、鍵盤、時(shí)鐘、下行通信、上行通信、SD卡、電源等模塊組成。能耗數(shù)據(jù)采集器可支持Mod?bus-RTU、DL/T645、CJ188等能耗計(jì)量通信協(xié)議，并具有靈活配置管理功能，如支持Web管理配置、批量設(shè)備導(dǎo)入、設(shè)備模板等功能，針對(duì)無(wú)行業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的能耗計(jì)量裝置，亦提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及自定義協(xié)議的支持，具有良好的開放性與拓展性。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

能耗數(shù)據(jù)采集器采用FreeScale TWR-K64F120M的32位ARM Cortex-M4 MCU作為采集器的主控制器，該芯片具有低功耗，內(nèi)置DSP處理器和單精度浮點(diǎn)單元，片上集成了1MB Flash和256KB SRAM，具有實(shí)時(shí)采集、多任務(wù)并發(fā)等需求特性。控制器具有5路RS485串口通訊，其中4路用于采集數(shù)據(jù)、1路用于系統(tǒng)調(diào)試。波特率可從600-115200靈活配置，數(shù)據(jù)位從5-8位可設(shè)。并具有2路10M/100M自適應(yīng)的TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸，把能耗數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至能耗控制中心。主控制器拓展一個(gè)4G存儲(chǔ)容量的SD卡，可以存儲(chǔ)至少兩年的歷史數(shù)據(jù)（按國(guó)家能耗導(dǎo)則要求，暫按15分鐘間隔）。

主板模塊如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)通信模塊如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)輸出模塊即上行通信模塊采用KSZ8041NL以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，該收發(fā)器支持10/100Mbps速度和全/半雙工模式，可支持進(jìn)行自動(dòng)協(xié)商和人工選擇操作，在數(shù)據(jù)采集器的上行通信中可在標(biāo)準(zhǔn)電纜上可以穩(wěn)健的運(yùn)作。下行通信采用處理器自帶的4個(gè)UART,確保4個(gè)串口通信的并行而隔離的采集能耗數(shù)據(jù)。

圖2 主板模塊

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

3 軟件實(shí)現(xiàn)

能耗數(shù)據(jù)采集器根據(jù)能耗導(dǎo)則的技術(shù)要求，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷等功能，具體包括監(jiān)控程序和功能執(zhí)行程序組成。

圖4 主程序流程圖

系統(tǒng)的相關(guān)具體功能由MQX中多任務(wù)調(diào)度來(lái)管理，以上任務(wù)在MQX上是由任務(wù)模板列表來(lái)生成的，具體的模板定義包括模板索引、入口地址、任務(wù)棧大小、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、任務(wù)名稱、任務(wù)屬性、任務(wù)創(chuàng)建參數(shù)、默認(rèn)的時(shí)間片選擇等參數(shù)來(lái)決定。數(shù)據(jù)采集器分別實(shí)現(xiàn)了SD卡存儲(chǔ)、Shell命令、4個(gè)采集串口、HTTP采集器參數(shù)配置管理、TCP網(wǎng)絡(luò)通信（數(shù)據(jù)上傳）等功能。任務(wù)采用自啟動(dòng)或時(shí)間片的方式運(yùn)行，采用FIFO及輪詢方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，系統(tǒng)通過(guò)_task_create（）函數(shù)來(lái)創(chuàng)建任務(wù)并指定優(yōu)先級(jí)別以啟動(dòng)該任務(wù)。

根據(jù)技術(shù)導(dǎo)則的要求，能耗采集器支持加法、減法、乘法原則，分別實(shí)現(xiàn)從多個(gè)支路匯總某項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)、從總能耗中除去不相關(guān)支路數(shù)據(jù)得到某項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)、通過(guò)典型支路計(jì)算某項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)。

采集器可采集能源分類分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，計(jì)算公式如下：

Q:CO2減排量（kgCO2）

Ai:能源i排放系數(shù)（kgCO2/能源計(jì)量單位）

Ei:能源i節(jié)約量（能源計(jì)量單位，如kg、kWh等）；

根據(jù)以上公式則可以計(jì)算出該采集器所帶設(shè)備采集能源計(jì)量裝置的全部碳排量。

4 產(chǎn)品測(cè)評(píng)與驗(yàn)證

能耗數(shù)據(jù)采集器產(chǎn)品作為建筑節(jié)能管理相關(guān)產(chǎn)品，為規(guī)范建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品管理，保證節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程質(zhì)量，促進(jìn)公共建筑節(jié)能工作深入健康發(fā)展，地區(qū)性節(jié)能監(jiān)察部門一般都要求做產(chǎn)品測(cè)評(píng)工作，以作為公共建筑能耗監(jiān)測(cè)體系的入網(wǎng)測(cè)評(píng)，確保該地區(qū)公共建筑能耗監(jiān)測(cè)體系的標(biāo)準(zhǔn)化。如圖5所示為能耗數(shù)據(jù)采集器的產(chǎn)品測(cè)評(píng)流程。

圖5 產(chǎn)品測(cè)評(píng)流程

產(chǎn)品測(cè)評(píng)包括數(shù)據(jù)接口自身功能、數(shù)據(jù)上行通信、數(shù)據(jù)接口處理功能等幾個(gè)子項(xiàng)的驗(yàn)證。經(jīng)測(cè)評(píng)，數(shù)據(jù)采集器均符合以上規(guī)定，符合產(chǎn)品的項(xiàng)目準(zhǔn)入要求，也為產(chǎn)品后續(xù)的大力推廣及使用奠定了基礎(chǔ)。

能耗采集器已在某省建筑物能耗監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中應(yīng)用，包括102個(gè)能源計(jì)量裝置（其中電表90個(gè)，水表7個(gè)，燃?xì)獗?個(gè)），考慮到樓層及綜合布線的實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)安裝了3個(gè)數(shù)據(jù)采集器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)1年多的不間斷運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，表1是在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中獲取的某月通信測(cè)試數(shù)據(jù)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合甚至高于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在項(xiàng)目中取得良好的效果。

圖6 測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)采集截圖

5 結(jié)語(yǔ)

能耗數(shù)據(jù)采集器作為能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的中樞設(shè)備，在系統(tǒng)中具有下行采集數(shù)據(jù)，上行數(shù)據(jù)上報(bào)等作用，采用ARM Cortex-M4 MCU為核心控制器、采用FreeScale MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一款專用的能耗數(shù)據(jù)采集器，在軟件設(shè)計(jì)中采用MQX的面向組件特性及任務(wù)調(diào)度的機(jī)制，并根據(jù)工程運(yùn)用的實(shí)際需要，優(yōu)化了配置管理功能，提高了工程實(shí)施效率，項(xiàng)目產(chǎn)品經(jīng)過(guò)產(chǎn)品測(cè)評(píng)，達(dá)到了項(xiàng)目準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，可在建筑能耗、工礦企業(yè)、醫(yī)院、校園等多種能源管理監(jiān)測(cè)場(chǎng)所中應(yīng)用。

表1 數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果

[1]張姣姣,于然,許鴻飛,金燊.智能變電站建筑節(jié)能系統(tǒng)研究[J].電信科學(xué),2014,S2:153-156.

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Design and Implementation of Energy Consumption Data Collector Based on MQX

YANG Lin-fan1,ZENG Bao-quan2

（1.School ofElectronic and Information Engineering,Heyuan Polytechnic，Heyuan 517000；2.Guangdong Yada Electronic Limited by Share Ltd R&D Center in Guangzhou，Guangzhou 513500）

In the public building energy consumption,urban energy monitoring system,energy consumption data collector as the core of a dedicated data collection equipment,provides a powerful data source for energy consumption monitoring and management,energy consumption data collection based on FreeScale core design of MQX embedded real-time operating system,with good real-time,multi task concurrency and component oriented the advantages of architecture,etc.,according to the national energy consumption data collection and transmission re?lated technical guidelines,the realization of the energy consumption of the data collection,data storage,data transmission,configuration and maintenance functions,and through assessing the regional specialized products evaluation,in the actual project application,and achieves good operating results,improves the stability and reliability of the energy consumption monitoring system,promotes the efficiency of energy saving management.

1007-1423（2017）21-0069-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.21.014

楊琳芳（1983-），女，江西都昌人，碩士，講師、高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、電子信息工程技術(shù)等；曾保全（1981-），男，江西贛州人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、電子信息工程技術(shù)等收款日期：2017-04-25

2017-07-15

Energy Consumption Monitoring;MQX;Data Collection;Energy Management;Product Evaluation