劉倍菡，李樹(shù)林，井含香，張建平

（1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)事業(yè)部，甘肅 蘭州 730000；2.國(guó)網(wǎng)定西供電公司，甘肅 定西 743000）

電資源是不可再生的二次資源，所以我國(guó)提出節(jié)約電資源的政策，目前市面上的用電信息采集終端控制系統(tǒng)采用信息終端上下行采集協(xié)議，協(xié)議在系統(tǒng)運(yùn)行理論中不存在任何弊端，但是在實(shí)際運(yùn)行中信息的上行和下行采集協(xié)議出現(xiàn)偏差，不能滿足用電信息采集的規(guī)范性和控制性[1]。

為了提高各種設(shè)備用電量總結(jié)與評(píng)估的便利性和準(zhǔn)確度，采用了用電信息采集終端控制系統(tǒng)。用電信息采集終端控制系統(tǒng)是集成采集器、終端管理器、脈沖器的一個(gè)微型系統(tǒng)，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)電信息的精確采集、及時(shí)查看設(shè)備電能輸出狀態(tài)、提高電資源的輸送管理。文中根據(jù)哈希函數(shù)的調(diào)用特點(diǎn)，突破傳統(tǒng)用電信息采集終端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，分別設(shè)計(jì)基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)的硬件區(qū)域和軟件區(qū)域，實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)的采集效率和控制效果。

1 系統(tǒng)硬件分析

硬件主要由信息采集器、脈沖器和處理器三部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 信息采集器

信息采集器是基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的重要器件，文中采用RTU78系列的采集器，該采集器主要由電能表、設(shè)備接口、存儲(chǔ)模塊以及采集終端模塊構(gòu)成[2-3]。信息采集器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 信息采集器結(jié)構(gòu)

WRT 電能表的工作電壓為220 V，工作頻率為50 Hz，電能表的接線方式為三相四線，內(nèi)部電源電路為交流電表，極限溫度為-40 ℃和+70 ℃，最高的承載電流為100 A，對(duì)應(yīng)的承載功率為66 W，電能表的尺寸為203 mm×125 mm。設(shè)備的接口分別為RS45接口、無(wú)線接口、串行通信接口、type-c接口以及光纖接口。每種類(lèi)型的設(shè)備接口的信息傳輸速度都至少可以達(dá)到256 Mbps，端口的波特率為9 600 bps，并且遵循RS232C 標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。存儲(chǔ)模塊會(huì)短暫地存儲(chǔ)某一部分的用電信息，當(dāng)一段用電信息全部采集后，硬件區(qū)域的處理器再將信息從存儲(chǔ)模塊中整體調(diào)出，此存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)空間為64 GB[6-7]。

采集芯片是一個(gè)系統(tǒng)硬件區(qū)域的制動(dòng)核心，只有芯片的性能達(dá)到極限，才可以制動(dòng)硬件區(qū)域的其他設(shè)備，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了達(dá)到研究目的和系統(tǒng)運(yùn)行效果，系統(tǒng)硬件區(qū)域的芯片采用ARM9 架構(gòu)的AT9lSAM9260 高性能電能計(jì)量芯片。芯片采用8通道的設(shè)計(jì)模式，分別應(yīng)對(duì)用電信息采集、計(jì)量、信息輸入輸出以及脈沖輸入輸出等功能，并且預(yù)留出兩個(gè)備用通道，每個(gè)通信通道支持并配備8 個(gè)電能測(cè)量表，以實(shí)現(xiàn)用電狀態(tài)的評(píng)估[8-9]。芯片的內(nèi)置存儲(chǔ)空間為128 GB，信息數(shù)據(jù)的有效保存時(shí)間為3 年，AT9lSAM9260 芯片的通信方式為RS485，具有限流功能[10-11]。芯片內(nèi)安裝了NAND flash 轉(zhuǎn)接板、PIC 單片機(jī)和AVR 單片機(jī)，保證系統(tǒng)采集的用電信息的安全性和保密性。采集芯片如圖3 所示。

圖3 AT9lSAM9260芯片

1.2 脈沖器

脈沖器的任務(wù)是根據(jù)設(shè)備的電能信號(hào)波動(dòng)情況，為電能的計(jì)量提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)。文中采用GJI987 脈沖器，此脈沖器由電源模塊、脈沖信號(hào)識(shí)別模塊、看門(mén)狗組成。脈沖器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 脈沖器結(jié)構(gòu)

為了保證系統(tǒng)具有超長(zhǎng)的工作續(xù)航能力，電源模塊采用線性220 V 的交流變壓電源，電源可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的電壓強(qiáng)度進(jìn)行合理降壓，避免系統(tǒng)的內(nèi)部電壓過(guò)高導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)腐蝕的情況。電源模塊內(nèi)置一個(gè)EMC 電源濾波器，濾波器進(jìn)行電源濾波操作的驅(qū)動(dòng)電容為10 μF，電源濾波器最大的優(yōu)勢(shì)是可以隔離不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)信號(hào)并抑制外界高頻信號(hào)的干擾。脈沖信號(hào)識(shí)別模塊分為兩部分，一部分是表脈沖信號(hào)識(shí)別，另一部分是遙脈沖信號(hào)識(shí)別，因?yàn)閮煞N信號(hào)的波動(dòng)頻率與規(guī)律不同，因此分開(kāi)識(shí)別可以保證用電脈沖信號(hào)識(shí)別的精度?？撮T(mén)狗器件的設(shè)計(jì)用于防止程序跑飛，硬件看門(mén)狗器件對(duì)于冗余干擾的用電信息不能完全清除，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位重啟甚至系統(tǒng)癱瘓的情況發(fā)生，看門(mén)狗采用10 ms 定時(shí)觸發(fā)，無(wú)需工作人員協(xié)作即可自動(dòng)工作[12-13]。

1.3 處理器

處理器是基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域重要器件之一，處理器的工作是實(shí)時(shí)監(jiān)控并維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)器件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，文中采用Cortex-M3 系列的STM32F107 內(nèi)核處理器，此處理器包括雙管正激電路和主板。雙管正激電路根據(jù)直流斬波原理，合理地設(shè)計(jì)并控制電路內(nèi)的多路信號(hào)正常傳輸，不發(fā)生碰撞。處理器采用超線程技術(shù)，內(nèi)置8核心16線程，提高用電信息的采集速度和系統(tǒng)的響應(yīng)速度，處理器的熱功耗為65 W，高速緩存為12 MB，可保證數(shù)據(jù)采集的全面性及通信的可靠性[14]。

處理器電路圖如圖5 所示。

圖5 處理器電路圖

主板采用z490 系列主板，該主板可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)觸發(fā)散熱功能，支持硬件系統(tǒng)其他器件的協(xié)作和網(wǎng)絡(luò)通用協(xié)議。用電信息采集終端控制系統(tǒng)的運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)不同于其他網(wǎng)絡(luò)，所以需要特殊的設(shè)計(jì)，文中采用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)于不同的用電信息存儲(chǔ)庫(kù)都具有訪問(wèn)權(quán)限，在一定程度上簡(jiǎn)化了用電信息采集的工作流程，并保證用電信息的安全性和保密性。

2 系統(tǒng)軟件分析

哈希函數(shù)是一種普通的線性函數(shù)，根據(jù)固定的哈希表計(jì)算某兩個(gè)變量之間的關(guān)系，哈希函數(shù)的優(yōu)勢(shì)是具有權(quán)衡計(jì)算功能，避免系統(tǒng)內(nèi)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域之間運(yùn)行出現(xiàn)碰撞。哈希表的計(jì)算原理是將數(shù)據(jù)代入哈希函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。對(duì)于文中的哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，用戶的用電信息就是哈希函數(shù)的自變量，通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算出需要采集用電信息的存儲(chǔ)地址，提高用電信息采集的可靠性。哈希函數(shù)中平衡度的計(jì)算公式如下所示：

其中，r表示自變量值域中原像的數(shù)量；d表示用電信息集合的大小。

哈希函數(shù)計(jì)算系統(tǒng)在完成采集用電信息任務(wù)過(guò)程中，硬件區(qū)域和軟件區(qū)域發(fā)生沖突的概率計(jì)算公式如下所示：

其中，c(F,N)表示沖突的概率；N表示哈希函數(shù)計(jì)算的次數(shù)；μ表示數(shù)據(jù)采集沖突平衡系數(shù)。

在計(jì)算了哈希函數(shù)的平衡度和任務(wù)沖突率后，文中最后通過(guò)映射法則構(gòu)建哈希哈數(shù)，哈希函數(shù)的表達(dá)式如下所示：

其中，K表示哈希表的檢索值；a、b表示常數(shù)[15-16]。

通過(guò)以上對(duì)哈希函數(shù)、系統(tǒng)硬件區(qū)域各個(gè)器件功能的分析和設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)工作網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)，文中總結(jié)出基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)的工作流程，系統(tǒng)流程如圖6 所示。

圖6 基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)流程

1）首先用電信息采集終端控制系統(tǒng)對(duì)需要采集的用戶用電信息向ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請(qǐng)求，建立一個(gè)合法的數(shù)據(jù)采集終端ip 地址[17-18]。采集權(quán)限獲取成功后，根據(jù)用電信息采集的種類(lèi)執(zhí)行不同的脈沖信號(hào)識(shí)別器，調(diào)用哈希函數(shù)，檢索用電信息的存儲(chǔ)地址，并驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件區(qū)域的處理器和數(shù)據(jù)采集器共同運(yùn)行，為用電信息的采集提供基礎(chǔ)。

2）在用電信息采集過(guò)程中，存在一個(gè)信息驗(yàn)證，用于對(duì)照系統(tǒng)采集信息的準(zhǔn)確度，如果驗(yàn)證錯(cuò)誤，則重新調(diào)用哈希函數(shù)，完成用戶信息地址的重新檢索，重復(fù)驗(yàn)證步驟，直到驗(yàn)證通過(guò)。

3）用電信息采集完成后，將信息上傳至系統(tǒng)硬件區(qū)域的存儲(chǔ)器和芯片內(nèi)，完成用電信息的存儲(chǔ)和備份。

4）在用電信息采集終端控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)黑屏、斷開(kāi)連接、短路等運(yùn)行問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)立即調(diào)用處理器快速檢測(cè)硬件區(qū)域內(nèi)設(shè)備斷開(kāi)前的工作狀態(tài)，同時(shí)觸發(fā)脈沖器，恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行，向系統(tǒng)管理員發(fā)送預(yù)警通知。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)以上對(duì)基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，為了驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有實(shí)用性，進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。為了避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，文中選擇基于信號(hào)變換函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)和基于多源異構(gòu)函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)兩種對(duì)照系統(tǒng)共同完成實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，將3 種用戶信息采集終端控制系統(tǒng)分別錄入3 臺(tái)電腦內(nèi)，并且3 臺(tái)電腦連接3 個(gè)數(shù)據(jù)分析器，實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和合理性，文中選擇采集的是同一小區(qū)內(nèi)的3 家用戶的用電信息，當(dāng)3 臺(tái)電腦全部向數(shù)據(jù)分析器提供用電信息后，停止實(shí)驗(yàn)，匯總實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，清理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。

系統(tǒng)功率消耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)功率消耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總和分析得出，文中研究的基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)具有實(shí)用性?；诠：瘮?shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)完成3 戶用電信息采集任務(wù)消耗的功率為30 W，然而基于信號(hào)變換函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)和基于多源異構(gòu)函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)完成用電信息采集任務(wù)消耗的功率分別為60 W 和55 W，得到這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要原因是哈希函數(shù)通過(guò)平衡系數(shù)和沖突概率的權(quán)衡，一方面減少了系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備沖突產(chǎn)生的功率，另一方面系統(tǒng)硬件區(qū)域線性電源根據(jù)用電信息的多少，提供對(duì)應(yīng)級(jí)別的工作電壓，減少系統(tǒng)的功率消耗。因?yàn)榛诠：瘮?shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的芯片具有處理緩沖空間，節(jié)省系統(tǒng)完成采集任務(wù)中的排隊(duì)時(shí)間，提高系統(tǒng)的工作效率。用戶信息采集終端控制系統(tǒng)的信息正確匹配度是衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，如果采集的用電信息正確匹配度低，那么也不具備實(shí)用性。

綜上所述，基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)的性能高，具有實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中首先研究了基于哈希函數(shù)的用電信息采集終端控制系統(tǒng)硬件器件的功能和設(shè)計(jì)，然后在系統(tǒng)軟件部分實(shí)現(xiàn)哈希函數(shù)的合理調(diào)用，更新網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集協(xié)議，保證用電信息采集終端控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。最后通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證文中研究的系統(tǒng)具有實(shí)用性，能夠提高用電信息采集和管理的效率，促進(jìn)用電信息采集的發(fā)展。