能耗數據采集器的設計與應用

2015-11-30 07:19:16李明海徐軼群

機電工程技術 2015年10期

關鍵詞：設計

李明海，徐軼群

（集美大學輪機工程學院，福建廈門 361000）

能耗數據采集器的設計與應用

李明海，徐軼群

（集美大學輪機工程學院，福建廈門 361000）

能耗數據采集系統的設計與應用的目的是為了響應國家節能政策，實現能耗的監測與管理，提高節能意識，提升節能規范。以ARM7為CPU設計的能耗數據采集器，用C語言對采集器應用程序設計和用Java語言對測試系統進行設計，程序設計了采集器對能耗數據的采集，數據處理與存儲，數據轉換，協議轉換和網絡通訊等一系列應用。設計的結果實現了對錯誤數據處理，無網絡下實現數據斷點續傳，采集周期可配置，數據協議可編寫等采集器的應用功能。通過實際應用，結果證明達到了設計指標的要求，能夠對能耗數據準確地、實時地采集統計，能夠較好地適應市場需求。

ARM7；數據采集器；數據監測；TCP通訊

0 引言

目前物聯網技術在國內的應用越來越廣泛，技術越來越成熟，各種物聯網設備應運而生。在我國提倡節能型社會的大背景下，如何體現節能，提高節能意識顯得尤其重要。為此設計了一種對能耗數據進行采集并實時監測，數據統計及對能耗進行統計評估的能耗數據采集器。該數據采集器不僅可以對辦公建筑、工廠設備、船舶、汽車等能耗場所和設備進行能耗實時監測、能耗統計、能耗的數據分析對比，同時還能促進相關負責人提高責任心，規范能源使用。

1 基本組成原理

能耗數據采集系統的設計是以能耗數據采集器為核心的系統。數據采集器以ARM7為處理器的智能網關[1]，能耗數據采集器的下行為通過采集器的485串口連接能耗數字儀表的485串口，通過485協議和數字儀表的通訊協議[2]，對數字儀表的原始數據進行采集。在數據采集器中進行時鐘校驗、數據解析、數據轉換、數據斷點續傳、采集周期配置、XML格式傳輸等一系列操作。采集器的上行通過網口的TCP傳輸XML數據到PC端或服務器中進行數據存儲分析。如圖1所示。

圖1 能耗數據采集系統框架圖

2 硬件部分設計

數據采集器硬件設計以ARM7為核心連接處理個模塊包括電源模塊、數據采集模塊、MCU處理器模塊、數據存儲模塊和上位機接口模塊等。電源模塊用于為各個模塊提供電源；數據采集模塊電連接下位機和MCU處理器模塊；MCU處理器模塊電連接數據存儲模塊和上位機接口模塊[3]。上位機接口模塊用于與上位機電連接，還包括用于進行權限認證和數據加密的SAM模塊，SAM模塊電連接MCU處理器模塊。電路硬件實物圖滿足如下硬件要求。

（1）硬件接口下行支持采集接口有：CAN接口1個；RS485接口2個；RS232接口2個。

（2）硬件上行傳輸接口可通過有線以太網網口傳輸；可通過無線WIFI、無線3G、無線4G傳輸。

（3）內置CPU為STM32F207Z，ST32F103雙ARM7；內含實時時鐘，在斷電情況下可維持一個月。

（4）硬件內置含有帶SAM的安全模塊，Flash存儲為32 M，Eeprom存儲為4kb。

（5）供電電源需求為DC12-24V，具有自適應性。總體功耗小于3W。

本設計主要包括以STM32F207Z為核心包括晶振，電容，電阻組成最小系統。它控制子模塊的應用，主要控制接口分配，同時還預留4*4鍵盤接口[4]。

如圖2所示：RS232模塊通過接口TXD1、TXD4、RXD1、RXD4、PC RST與控制器對應連接，實現RS232的數據收發，數據通過TXD，RXD數據線上傳。主要芯片是RS232收發器MAX202，該模塊接收數據信號后發送到控制系統中，同時通過RS232口進行對控制器程序的燒寫；USB通過USB DM、USB DP與控制器對應連接實現USB控制。

圖2 rs232模塊電路圖

接口存儲通過FMSCL、FMSDA、FMWP、W25CLK、 W25DI、 W25WP1、 W25CS1、W25WP1、W25CS2由控制器控制主要芯片，主要芯片是FM24CL16、W25Q64。該模塊主要是對控制器接收數據做緩存；通過GRST控制LC70-GSP的復位。如圖3所示。

圖3 存儲電路

GPRS通過接口PWRKEY、USBDM2、USB?DP2、GPGS PW與控制器相連接，VCC、RES、CLK、GND、I/O與SAM模塊連接主要實現無線數據發送。

接口轉換通過RXD4、485DE1、TXD4與控制器連接，接口接485B1、485A1。該部分主要芯片是MAX48E，主要是實現接RS485接口轉換成RS232。

SAM 模塊通過 531SCK、 531MOSI、531MISO、531CS、531RST、531IRQ與控制器相連，模塊之間電路連接按圖中所標引腳號連接。該模塊包括芯片有4個SAMCARD，讀卡器RC522，16kB緩存STM32F_LQFP48及三極管、電容、電阻等器件。主要與控制器實現數據加密和權威認證。

以太網模塊通過接口MII_TX_CLK，

MII_TX_EN， MII_TXD3， MII_TXD2，MII_TXD1， MII_TXD0MII_RXER， MII_MDC，MII_MDIO， MII_RX_CLK， MII_RX_DV，MII_RXD3， MII_RXD2， MII_RXD1，MII_RXD0，MII_COL，MII_RESET與主控制器連接。該模塊主要包括以太網收發器RTL8201CP，網絡接口等實現通過以太網發送數據，傳輸方式主要通過TCP形式。

CAN模塊接口CAN_S2，CANTX2，CAN?RX2，CAN_S1，CANTX1，CANRX1與控制器連接；CANH2，CANL2，CANH1，CANL1與接口轉換電路中接口相連接，CAN模塊通過CANL， CANH數據線傳輸數據。主要器件SN65HVD1050，對底層設備數據上傳。

圖4 能耗采集網關程序框圖

3 應用程序設計

能耗數據采集器程序框圖如圖4所示：

底層初始化時對硬件接口的配置與各接口驅動程序，底層子函數等相關函數的初始化，提供應用程序的底層調用基本接口。例如TCP通訊接口子函數有：

int tcp_open_client(int index);

int tcp_check_client(int index);

Int tcp_rece_client(int index，char*recebuf，int*rece_length，int*remote_ip，int*remote_port);

int tcp_send_client(int index，char*sendbuf，int send_length，int remote_ip，int remote_port);

int tcp_close_client(int udp_index，int tcp_in?dex);

應用參數的配置包括串口通訊中波特率，校驗位，停止位，初始采集周期，采集指令，變量初始化等一系列參數配置[5]。

底層數據采集與存儲包括485通訊的的協議解析，數據轉換，原始數據存儲，XML格式傳輸嵌套等。底層數據采集與存儲流程圖如圖5所示。

圖5 底層數據采集與存儲流程圖

部分程序如下：

////////////串口采集///////////

uart_sendbuf_clr(index);

uart_put_bytes(index， a[bh]， 8， 600); uart_send_is_empty(index);

uart_get_bytes(index，inbuf，9，400);

memset(recordbuf，0，24);

////////////存儲///////////

for(i=0;i＜9;i++)

{

recordbuf[i]=inbuf[i];

}

j=0;

for(i=9;i＜15;i++)

{

recordbuf[i]=cjtbuf[j];

j++;

}

trans_record_save(recordbuf);

his_record_save(recordbuf);

//////////////數據部分解析///////////

num=(inbuf[6]+inbuf[5]*16*16+inbuf[4]*16*16* 16*16+inbuf[3]*16*16*16*16*16*16);

n=(num*250*5*10)/10800000; myitoa(n，strshu[bh]，10);

MD5加密驗證[6]為接收上位機發送的原始8位數，通過采集器編寫加密算法，得出加密后的一組數據發送給上位機進行驗證，判斷是否通過。

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