交通運輸部科學研究院 剛紅潤 陳書雪 閆 磊

綠色公路能耗數(shù)據(jù)采集控制器設計

交通運輸部科學研究院 剛紅潤 陳書雪 閆 磊

在綠色公路建設過程和運營管理過程中，需要對其中的能耗占比較大的項目，如橋梁、隧道建設（柴油、汽油用量），收費站、服務區(qū)運營管理（用電量）開展相應的節(jié)能減排工作，采取措施降低消耗。因此，需要對關(guān)鍵能源消耗實行實時監(jiān)測，以達到隨時掌握實際情況，采取相應措施降低排放量的目的。本文設計一種通用設備，配合不同種類的智能傳感器采集不同種類的能源消耗量，并通過網(wǎng)絡實時傳輸至數(shù)據(jù)中心。

綠色公路；能源監(jiān)測；節(jié)能減排；交通信息化

1 引言

綠色公路按照三低一高（低能耗、低排放、低污染和高效率）的核心價值理念。在規(guī)劃、設計、施工、運營、養(yǎng)護等階段中，將綠色低碳理念貫穿于整個過程中，把降低能耗及排放納入核心建設目標，運用全壽命周期理論進行科學規(guī)劃設計，在建設施工過程中采取新材料、新工藝、新方法、新能源，在運營養(yǎng)護階段采用節(jié)能減排措施，達到綠色低碳的目標。而如何衡量節(jié)能減排效果，大部分都采取后期數(shù)據(jù)填報，定性分析的辦法，這種方法有如下問題：

（1）數(shù)據(jù)為后期填報，具有一定的滯后性。

（2）不同消耗主體不同種類能源消耗，使的數(shù)據(jù)匯總難度較大。

（3）對沒有及時上報或不具備上報條件的能源消耗只能采用定性分析的手段，導致結(jié)論說服力不足。

針對以上問題，開發(fā)了能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，而各種能耗數(shù)據(jù)如何自動匯集到管理系統(tǒng)中，是隨之出現(xiàn)的問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種智能傳感器應用于能源消耗測量中。本文設計一種通用采集控制設備能采集不同種類的傳感器的數(shù)字信號，并通過網(wǎng)絡傳輸至能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)中。

2 硬件設計

能耗監(jiān)測采集控制器的邏輯功能圖如圖1所示：

圖1 邏輯功能圖

采集控制器主要分為通信單元、采集單元和協(xié)議單元三個部分。幾個單元的主要作用如下。

2.1 采集單元

適配不同種類的傳感器接口，接收智能傳感器發(fā)送的數(shù)字信號原始數(shù)據(jù)。

電能量采集單元是一種脈沖計數(shù)模塊，通過對電能表的脈沖輸出進行計數(shù)，實現(xiàn)電能量采集功能。燃氣量采集單元是一組模擬量輸入采集模塊，通過對燃氣渦輪流量計的輸出信號進行分析處理，得到實時燃氣流量值。油量采集單元/水量采集是一組模擬量輸入采集模塊，通過對柴油渦輪流量計的輸出信號進行分析處理，得到實時柴油流量值。

2.2 協(xié)議單元

協(xié)議單元存儲采集單元相關(guān)協(xié)議并提供設置接口，同時解析采集單元傳入的數(shù)字信號原始數(shù)據(jù)，根據(jù)不同類型的傳感器數(shù)據(jù)進行相應的單位或進制換算，并組裝成專用協(xié)議包。

其中，電能表通信規(guī)約處理單元實現(xiàn)DL/T 645-1997《多功能電能表通信規(guī)約》，對電能表的各項參數(shù)進行設置。ModBus通信規(guī)約處理單元實現(xiàn)柴油流量計和燃氣流量計的通信接口協(xié)議，對流量計的各項參數(shù)進行設置。

2.3 通信單元

接收由協(xié)議單元封裝好的專用協(xié)議包，根據(jù)設置調(diào)用不同的通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

本設備配置的通信模塊為RS485、RS232、以太網(wǎng)通信模塊和GPRS通信模塊。其中RS485和RS232模塊使用在近距離通信場景中，使用數(shù)據(jù)線直接與上位機相連傳輸數(shù)據(jù)；以太網(wǎng)通信模塊使用的遠距離通信場景中，使用固定以太網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心；GPRS無線通信模塊使用在遠距離且沒有固定網(wǎng)絡的場景中，通過移動運營商的無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。

3 傳輸協(xié)議

以GPRS無線通信為例，說明一下數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。能耗監(jiān)測采集設備與數(shù)據(jù)中心服務器之間通過GPRS無線網(wǎng)絡通信，采用標準的TCP/IP以太網(wǎng)協(xié)議，完成整個數(shù)據(jù)通信交換過程。

3.1 一般幀格式

一般幀格式的定義如下。

說明：多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時，高位在前，低位在后。

3.2 電量數(shù)據(jù)上傳

以電量數(shù)據(jù)上傳為例，經(jīng)協(xié)議單元轉(zhuǎn)換，封包格式如下：

序號域長度Byte值說明0 Head 2 0xA8EB通信協(xié)議標識1 Length 2需計算發(fā)送數(shù)據(jù)長度（Byte），不包含Length 2 Frame Type 1 0x80設備向上位機發(fā)送實時數(shù)據(jù)3 Command Flag 1 0x40電量數(shù)據(jù)上傳4 Content N具體的內(nèi)容包括：設備邏輯編號：4字節(jié)。鐵塔的經(jīng)緯度：8字節(jié)經(jīng)度：4字節(jié)，精確到0.001度維度：4字節(jié)，精確到0.001度設備當前狀態(tài)：1字節(jié)0：數(shù)據(jù)有效，狀態(tài)正常；非0：表示數(shù)據(jù)無效，具體的錯誤類型如下：1：通信超時2：幀長度錯誤3：校驗不正確4：地址不正確5：命令號不正確6：數(shù)據(jù)長度不正確電表有功功率KWh：4字節(jié)精確到2位小數(shù)電表無功功率KWh：4字節(jié)精確到2位小數(shù)5 XOR 1異或值

4 設備部署

以搭載GPRS模塊的采集控制器為例，與能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)配合的設備部署圖如圖2所示：

圖2 設備部署圖

1）系統(tǒng)通過控制采集器采集柴油消耗量、電能消耗量、天然氣消耗量數(shù)據(jù)，通過GPRS無線通信網(wǎng)絡，傳輸?shù)奖O(jiān)測中心；

2）采集控制器可以通過485通信接口，獲取柴油流量計的計量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理后，通過GPRS通信模塊，將總量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心；

3）現(xiàn)場采集控制器可以通過485通信接口，獲取天然氣流量計的計量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理后，通過GPRS通信模塊，將總量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心；

4）現(xiàn)場采集控制器可以通過485通信接口，獲取電能表的計量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理后，通過GPRS通信模塊，將總量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心；

5）傳感器支持電池供電方式，當市電丟失時，能繼續(xù)保持數(shù)據(jù)計量功能，當市電恢復后，采集控制器立刻讀取計量數(shù)據(jù)上傳，保證掉電不影響系統(tǒng)監(jiān)測功能；

6）GPRS無線通信支持掉線自動重連功能，避免無線信號不穩(wěn)定造成系統(tǒng)通信故障；

5 總結(jié)

本文設計了一種新型的能耗數(shù)據(jù)采集控制器，能采集不同種類的能源消耗數(shù)量，并采用專用協(xié)議，根據(jù)不同應用場景采用不同傳輸方式，將能耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。給綠色公路施工和運營期的占比較大的能耗項目進行節(jié)能減排方案制定提供數(shù)據(jù)支撐，為能耗數(shù)據(jù)可視化提供了底層硬件保證。

[1]剛紅潤．綠色公路建設期能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]．電子世界,2016,10．

[2]貴州盤興高速公路創(chuàng)建綠色公路實施方案(2015-2017年)．