，，

(遼寧裝備制造職業(yè)技術學院 自動控制工程學院, 沈陽 110161)

0 引言

隨著我國對綠色發(fā)展方式和生活方式的倡導，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境已經成為了我國的基本國策，北方采暖地區(qū)城鎮(zhèn)民用建筑集中供熱信息也被住建部列為2018年《民用建筑能源消耗統(tǒng)計調查制度》的重點調查內容，這進一步說明我國對供熱能耗監(jiān)測的重視程度。本文針對北方地區(qū)供熱形式改按面積收費為按用量收費的強烈需求，提出了一種基于云服務器技術的ISM與4G網(wǎng)絡融合無線熱計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要利用ISM無線網(wǎng)絡對建筑內部的熱計量前端節(jié)點進行組網(wǎng)通信，實現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)采集，再通過中心節(jié)點匯總后，經 4G網(wǎng)絡轉換、處理并遠距離上傳至服務器，在云端完成熱計量數(shù)據(jù)的遠程實時集中計量和管理。系統(tǒng)中部署靈活的ISM網(wǎng)絡有效地簡化建筑內部節(jié)點分布結構形式；廣泛覆蓋的高速4G網(wǎng)絡提高了系統(tǒng)的實時性和適用性；云服務器技術的加入則進一步擴展了系統(tǒng)的終端應用場景，實現(xiàn)了云上供熱數(shù)據(jù)的高效集成。

1 ISM與4G網(wǎng)絡融合的無線熱計量云系統(tǒng)功能結構

ISM與4G網(wǎng)絡融合的無線熱計量云系統(tǒng)是融合了智能儀表技術、無線通訊技術、云服務器技術和計算機技術于一體的遠程無線熱計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉換處理、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲和遠程監(jiān)控等功能，主要包含了單體建筑內部連接熱量表的ISM網(wǎng)絡無線熱計量前端節(jié)點模塊、負責遠程數(shù)據(jù)收發(fā)的4G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊、能夠對數(shù)據(jù)采集方式控制的本地數(shù)據(jù)采集配置系統(tǒng)、進行數(shù)據(jù)存儲的TCP/IP云服務器數(shù)據(jù)庫和用于數(shù)據(jù)管理服務的系統(tǒng)軟件五部分構成，其基本系統(tǒng)功能結構如圖1所示。

圖1 ISM與4G網(wǎng)絡融合的無線熱計量云系統(tǒng)功能結構 圖2 ISM網(wǎng)絡無線熱計量系統(tǒng)前端節(jié)點模塊參數(shù)配置

在本系統(tǒng)中，多個與用戶熱量表相連的無線前端節(jié)點和負責匯總的無線中心節(jié)點通過無線透明傳輸方式構成了頻率為433 MHz的ISM自組織網(wǎng)絡完成單體建筑內部的熱計量數(shù)據(jù)近距離無線采集，該數(shù)據(jù)經RS485接口以表號作為地址標識上傳至熱計量數(shù)據(jù)采集模塊完成協(xié)議解析后，再通過4G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)射模塊與云服務器建立TCP/IP連接實現(xiàn)計量數(shù)據(jù)的保存和管理服務應用。

2 ISM網(wǎng)絡無線熱計量節(jié)點模塊

ISM網(wǎng)絡是世界各國開放給工業(yè)、科學和醫(yī)療所使用的頻段，使用該頻段時無需授權許可，由于發(fā)射功率較低，所以對其它設備造成干擾小，適合在建筑內部構建無線熱計量節(jié)點網(wǎng)絡，同時降低布線成本并實現(xiàn)靈活部署。本系統(tǒng)使用433.078 2 MHz作為ISM網(wǎng)絡中心載波頻率完成熱計量數(shù)據(jù)的無線傳輸，系統(tǒng)所使用的ISM網(wǎng)絡熱計量節(jié)點模塊由若干個無線前端節(jié)點和少量無線中心節(jié)點組成，無線熱計量節(jié)點通過RS485接口與熱量表進行連接并對計量數(shù)據(jù)進行采集，采集后的數(shù)據(jù)以熱量表表號作為地址標識發(fā)送至ISM網(wǎng)絡中的中心節(jié)點進行匯總，無線中心節(jié)點負責對建筑內所有前端節(jié)點所發(fā)送的熱計量數(shù)據(jù)進行匯總和管理，以此方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成及節(jié)省4G模塊數(shù)據(jù)采集端口的目的，其信號數(shù)據(jù)幀格式按照CJ T188-2004《戶用計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技術條件》國家標準設計，如表1所示。

為了簡化系統(tǒng)節(jié)點網(wǎng)絡結構、提高其適應性，在某一建筑內部的節(jié)點模塊通訊鏈路層無線信號采用廣播模式，模塊之間的熱計量數(shù)據(jù)通訊采用半雙工透明傳輸，當任意節(jié)點發(fā)出信號時，在其信號覆蓋范圍內，相同信道的節(jié)點都能夠接收到信息，并通過節(jié)點的地址標識對其進行識別。此外，為了避免建筑內多個節(jié)點模塊通訊相互干擾，可以采用設置不同的載波頻率的方法對網(wǎng)絡節(jié)點分組，以實現(xiàn)同一個建筑內有多個ISM網(wǎng)絡并存，節(jié)點模塊參數(shù)可以通過軟件進行配置，其配置方式如圖2所示。

表1 熱計量數(shù)據(jù)信號幀格式

其主要功能參數(shù)如表2所示。

表2 ISM網(wǎng)絡無線熱計量系統(tǒng)前端節(jié)點模塊參數(shù)配置

3 G網(wǎng)絡熱計量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊

4G網(wǎng)絡熱計量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊由采集模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩部分組成。

熱計量數(shù)據(jù)采集模塊主要負責將多個無線中心節(jié)點所采集到的熱計量數(shù)據(jù)進行匯總收集，并按照CJ 128-2007《熱量表》國家標準中的協(xié)議要求對所采集的數(shù)據(jù)進行解析，以實現(xiàn)對熱計量數(shù)據(jù)的提取，此外還為ISM網(wǎng)絡中心節(jié)點提供RS485接口并為本地數(shù)據(jù)采集配置系統(tǒng)提供所使用的RJ45網(wǎng)卡接口；4G數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的主要功能是將采集到的熱計量數(shù)據(jù)轉換為4G信號的形式在傳輸層使用基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡發(fā)送給云服務器上的數(shù)據(jù)管理終端，4G網(wǎng)絡熱計量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊硬件電路構成如圖3所示。

圖3 4G網(wǎng)絡熱計量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊硬件電路構成

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊采用ATMEL低功耗處理器AT91SAM9200作為MCU，該處理器接口豐富，且多數(shù)接口均集成于該SoC芯片內部，具有較高的處理速度和抗干擾性能；RS485接口電路由驅動芯片SN65VHD12、ESD和防雷擊等保護電路組成，采用半雙工通信，用于與ISM網(wǎng)絡中心節(jié)點之間通信；具有RJ45接口的網(wǎng)卡MAC層集成在MCU內部構成10 M/100 M自適應網(wǎng)卡供本地數(shù)據(jù)采集配置系統(tǒng)使用，物理層采用DM9161AEP和2KV隔離變壓器；控制臺接口主要提供程序跟蹤、程序更新以及部分參數(shù)配置功能，由RS232電平轉換芯片及其外圍電路組成，采用全雙工通信；數(shù)據(jù)存儲電路為T-Flash卡，可備份較長時間內的熱計量歷史數(shù)據(jù)；時鐘系統(tǒng)主要由高精度PCF8563T時鐘芯片、振蕩電路、電池備份等電路組成，為系統(tǒng)提供準確的實時時間；由SP706R芯片組成的硬件看門狗電路可以實現(xiàn)死機后系統(tǒng)的自動恢復功能；此外，電源電路采用9～24 V直流電源供電，經穩(wěn)壓流、濾波后由電源管理芯片和LDO芯片分別輸出5 V和3.3 V直流電壓供模塊使用。

4G網(wǎng)絡熱計量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊的軟件設計采用開源的RT-Thread嵌入式實時操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)由驅動層，中間層和應用層組成，具有實時性高，易維護、性能穩(wěn)定、占用資源少等優(yōu)點。驅動層位于整個系統(tǒng)的底層，它為其它層提供硬件操作接口，通過調用該層的API接口即可完成相應操作，無需直接對硬件執(zhí)行具體操作；中間層負責處理公共事務，為應用層提供相關服務；應用層則主要處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集和控制臺三個具體應用事務，并與其它次要任務協(xié)同完成采集收發(fā)模塊的整體功能，具體設計如圖4所示。

圖4 4G網(wǎng)絡熱計量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊軟件設計

4 TCP/IP無線熱計量云系統(tǒng)設計

無線熱計量云系統(tǒng)構建于Windows Server云服務器平臺上，它的主要功能是對多個數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊進行集中管理，并對熱計量數(shù)據(jù)包進行信息的提取及解密、將有用數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)庫，同時為無線熱計量系統(tǒng)軟件提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)多建筑熱計量數(shù)據(jù)(熱量、流量、累計流量、供回水溫度和累計工作時間等)的遠程采集、集中存儲和管理。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信為基于IP協(xié)議的云數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，在傳輸層使用TCP協(xié)議，全雙工傳輸方式，C/S模式，各建筑內的采集收發(fā)模塊為客戶端，數(shù)據(jù)中心云服務器上的數(shù)據(jù)服務和管理軟件為服務端，其通信示意圖如圖5所示。

圖5 無線熱計量云數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信示意圖

當進行熱計量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信時，數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊首先向數(shù)據(jù)中心云服務器發(fā)起連接請求，數(shù)據(jù)中心云服務器響應后啟用TCP監(jiān)聽，連接建立后，數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊將定時向中心云服務器發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包以監(jiān)測連接狀態(tài)，如果連接中斷則重新建立連接。TCP連接建立后，中心云服務器首先對數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊進行身份認證，完成后，將通過心跳包對采集收發(fā)模塊進行授時，校驗數(shù)據(jù)采集模式，并采用加密方式對命令和數(shù)據(jù)包進行傳輸；系統(tǒng)數(shù)據(jù)包使用XML格式，并以文本形式上傳，所有數(shù)據(jù)包均包含對應的建筑編碼和采集收發(fā)模塊編碼，此外還包括身份驗證、請求數(shù)據(jù)包、隨機序列數(shù)據(jù)包、MD5值數(shù)據(jù)包、認證結果數(shù)據(jù)包、系統(tǒng)授時和心跳、請求數(shù)據(jù)包、響應數(shù)據(jù)包、配置驗證、響應數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)遠傳包等。當網(wǎng)絡發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊將暫時存儲未上傳的熱計量數(shù)據(jù)，待連接恢復后進行斷點續(xù)傳；而當熱計量節(jié)點或數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊則主動向云服務器發(fā)送故障信息，熱計量數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊與中心云服務器熱計量數(shù)據(jù)傳輸流程

5 熱計量數(shù)據(jù)管理服務系統(tǒng)軟件

熱計量數(shù)據(jù)管理服務系統(tǒng)軟件是安裝于Windows Server云服務器平臺的熱計量數(shù)據(jù)監(jiān)測、管理云服務器程序，通過它能夠進行熱計量數(shù)據(jù)的實時顯示與歷史查詢，發(fā)送遠程指令控制采集收發(fā)模塊及其所連接的熱量表，其基本流程如圖7所示。

圖7 熱計量數(shù)據(jù)管理服務軟件流程

此外，軟件中的設備管理窗口可以顯示熱計量數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊的基本信息和連接狀態(tài)，通過列表中的建筑編碼就可以進行對應采集收發(fā)模塊的狀態(tài)查看、傳輸配置、數(shù)據(jù)刷新、固件升級和設備重啟等操作；軟件中的日志信息窗口負責軟件運行狀態(tài)和日志信息的顯示，包括顯示當前建筑總數(shù)、在線模塊數(shù)、數(shù)據(jù)保存模式，數(shù)據(jù)庫類型，上線下線數(shù)據(jù)庫表更新等信息。運行參數(shù)設置界面可以用于配置云服務器IP地址、訪問端口號、保存接收數(shù)據(jù)的方式與路徑等信息，系統(tǒng)軟件提供了兩種數(shù)據(jù)存儲方式：第一種是直接將 XML 數(shù)據(jù)包寫入到云服務器指定的路徑中，第2種是將熱計量數(shù)據(jù)包解析后存入云服務器上指定的數(shù)據(jù)庫中。

6 實驗結果與分析

為了測試系統(tǒng)的工作性能，在后期實驗與應用中對ISM與4G網(wǎng)絡融合的無線熱計量云系統(tǒng)的關鍵性能指標進行了測試，實驗結果如表3所示。

表3 ISM與4G網(wǎng)絡融合的無線熱計量云系統(tǒng)的性能指標

實驗結果表明，使用本系統(tǒng)所采集的熱計量數(shù)據(jù)項數(shù)與類型符合CJ 128-2007《熱量表》國家標準中對熱量計量的技術規(guī)范；無線前端節(jié)點和中心節(jié)點的工作頻率也符合我國對ISM頻段的使用許可要求，較低的發(fā)射功率既保證對其它設備干擾微小，又適用于大部分單體建筑內的數(shù)據(jù)近距離、低功耗傳輸；采集收發(fā)模塊利用廣泛覆蓋的4G網(wǎng)絡實現(xiàn)了多節(jié)點熱計量數(shù)據(jù)的遠距離采集，擴大了系統(tǒng)的應用范圍；本地和云服務器并行的數(shù)據(jù)存儲方式也極大地提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。

7 結束語

使用ISM與4G網(wǎng)絡融合的方法能夠在云服務器上高效地對無線熱計量數(shù)據(jù)進行遠程采集與匯總，系統(tǒng)所使用的ISM網(wǎng)絡解決了建筑內部熱量表節(jié)點安裝過程中布線復雜、施工難度大的問題，極大地提升了熱量表節(jié)點網(wǎng)絡部署的靈活性；通過數(shù)據(jù)采集與收發(fā)模塊能夠有效地對熱計量數(shù)據(jù)進行解析、轉換、信息提取和本地采集配置；另外，覆蓋廣泛的4G網(wǎng)絡與云服務器的協(xié)同工作極大地提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性并擴展了系統(tǒng)終端的交互性，為建筑能耗智能化、網(wǎng)絡化計量提供了一種有效的解決途徑，具有廣闊發(fā)展空間與前景。