基于MQX的能耗數據采集器的設計與實現

楊琳芳,曾保權

（1.河源職業技術學院電子與信息工程學院，河源517000；2.廣東雅達電子股份有限公司廣州研發中心，廣州513500）

基于MQX的能耗數據采集器的設計與實現

楊琳芳1,曾保權2

（1.河源職業技術學院電子與信息工程學院，河源517000；2.廣東雅達電子股份有限公司廣州研發中心，廣州513500）

在公共建筑能耗、城市能耗監測系統中，能耗數據采集器作為核心的專用數據采集設備，為能耗監測及管理提供有力的數據之源，以FreeScale MQX嵌入式實時操作系統為核心設計的能耗數據采集器，具有實時性好、多任務并發性、面向組件的架構等優點，根據國家能耗數據采集及傳輸相關技術導則，實現能耗數據的數據采集、數據存儲、數據傳輸、配置和維護等功能，并通過區域性的專門產品測評，在實際項目運用中，取得良好的運行效果，提高能耗監測系統的穩定性與可靠性，提升節能管理工作的效率。

能耗監測；MQX；數據采集；能源管理；產品測評

0 引言

能耗數據采集器是專門針對國家機關辦公建筑和大型公共建筑以及節約型高效節能監管體系建設的市場需求而設計的一款水、電、燃氣、熱量和其他能源的一體化能耗數據采集器,適合應用于企業能耗數據采集、公共能耗數據采集、建筑能耗數據采集等領域。

能耗數據采集器具備一個10M/100M高速的以太網RJ-45通訊接口、大容量存儲介質TF卡（4G）、5路全隔離工業RS485總線接口，其中4路用于采集、1路用于調試。支持硬件看門狗、支持市電220V輸入、多重電源保護、抗雷、抗靜電、過流、防接反保護等，還具備協議在線自定義等功能，以實現針對基于RS485總線的各種不同通信協議設備的數據采集、歷史存儲、遠程傳輸，并具備一定的數據分析處理、故障定位和提示等功能。采集器每路RS485支持32個（儀表）設備，4路串口總共支持128個能耗計量設備；每個采集RS485串口均支持《GB/T19582-2008基于Modbus協議的工業自動化網絡規范》、《DL/T645-1997多功能電表通信規約》、《DL/T645-2007多功能電能表通信協議》、《CJ/T188-2004戶用計量儀表數據傳輸技術條件》等規定的通信協議，且可獨立配置，也可以根據不同采集方案采集不同的數值；支持同時與3個服務器間的通信；支持2年以上歷史數據的保存。

MQX實時操作系統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。該系統具有面向組件架構的特點、可靈活配置多種組件，如網絡、數據通訊、數據存儲等應用，且方便裁剪、便于使用、具有輕量級存儲組件、內存池管理、優良的任務與調度機制等，所有這些優點及特征，實際運行效果證明，選擇MQX實時操作系統來開發能耗數據采集器是符合實際項目需求的。

1 系統設計

采集器按照工業級產品的要求設計，功能符合《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集技術導則》和《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據傳輸技術導則》的要求。

按照建筑能耗監測系統數據傳輸技術導則的相關要求及規定，能耗數據采集器是一種能源管理數據采集的專用裝置，在能耗監測系統中具有重要的作用，是能耗監測系統的通信核心設備。能耗數據采集器的硬件框圖如圖1所示。

圖1 能耗數據采集器硬件框圖

能耗數據采集器具有數據采集、數據處理、數據存儲、數據傳輸一級現場設備運行狀態監控和故障診斷等功能。數據采集器采用MK64FN1M0VLQ12作為主處理芯片，包括顯示、鍵盤、時鐘、下行通信、上行通信、SD卡、電源等模塊組成。能耗數據采集器可支持Mod?bus-RTU、DL/T645、CJ188等能耗計量通信協議，并具有靈活配置管理功能，如支持Web管理配置、批量設備導入、設備模板等功能，針對無行業通信標準的能耗計量裝置，亦提供了數據轉換及自定義協議的支持，具有良好的開放性與拓展性。

2 硬件實現

能耗數據采集器采用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，內置DSP處理器和單精度浮點單元，片上集成了1MB Flash和256KB SRAM，具有實時采集、多任務并發等需求特性。控制器具有5路RS485串口通訊，其中4路用于采集數據、1路用于系統調試。波特率可從600-115200靈活配置，數據位從5-8位可設。并具有2路10M/100M自適應的TCP/IP協議的網絡傳輸，把能耗數據遠傳至能耗控制中心。主控制器拓展一個4G存儲容量的SD卡，可以存儲至少兩年的歷史數據（按國家能耗導則要求，暫按15分鐘間隔）。

主板模塊如圖2所示，網絡通信模塊如圖3所示。

網絡輸出模塊即上行通信模塊采用KSZ8041NL以太網物理層收發器，該收發器支持10/100Mbps速度和全/半雙工模式，可支持進行自動協商和人工選擇操作，在數據采集器的上行通信中可在標準電纜上可以穩健的運作。下行通信采用處理器自帶的4個UART,確保4個串口通信的并行而隔離的采集能耗數據。

圖2 主板模塊

圖3 網絡通信模塊

3 軟件實現

能耗數據采集器根據能耗導則的技術要求，包括數據采集、數據處理、數據存儲、數據傳輸、狀態監控和故障診斷等功能，具體包括監控程序和功能執行程序組成。

圖4 主程序流程圖

系統的相關具體功能由MQX中多任務調度來管理，以上任務在MQX上是由任務模板列表來生成的，具體的模板定義包括模板索引、入口地址、任務棧大小、任務優先級、任務名稱、任務屬性、任務創建參數、默認的時間片選擇等參數來決定。數據采集器分別實現了SD卡存儲、Shell命令、4個采集串口、HTTP采集器參數配置管理、TCP網絡通信（數據上傳）等功能。任務采用自啟動或時間片的方式運行，采用FIFO及輪詢方式進行任務調度，系統通過_task_create（）函數來創建任務并指定優先級別以啟動該任務。

根據技術導則的要求，能耗采集器支持加法、減法、乘法原則，分別實現從多個支路匯總某項能耗數據、從總能耗中除去不相關支路數據得到某項能耗數據、通過典型支路計算某項能耗數據。

采集器可采集能源分類分項能耗數據，計算公式如下：

Q:CO2減排量（kgCO2）

Ai:能源i排放系數（kgCO2/能源計量單位）

Ei:能源i節約量（能源計量單位，如kg、kWh等）；

根據以上公式則可以計算出該采集器所帶設備采集能源計量裝置的全部碳排量。

4 產品測評與驗證

能耗數據采集器產品作為建筑節能管理相關產品，為規范建筑節能監測系統技術產品管理，保證節能監測系統工程質量，促進公共建筑節能工作深入健康發展，地區性節能監察部門一般都要求做產品測評工作，以作為公共建筑能耗監測體系的入網測評，確保該地區公共建筑能耗監測體系的標準化。如圖5所示為能耗數據采集器的產品測評流程。

圖5 產品測評流程

產品測評包括數據接口自身功能、數據上行通信、數據接口處理功能等幾個子項的驗證。經測評，數據采集器均符合以上規定，符合產品的項目準入要求，也為產品后續的大力推廣及使用奠定了基礎。

能耗采集器已在某省建筑物能耗監測子系統中應用，包括102個能源計量裝置（其中電表90個，水表7個，燃氣表5個），考慮到樓層及綜合布線的實際情況，現場安裝了3個數據采集器，對現場的數據進行采集，經過現場1年多的不間斷運行，系統運行穩定可靠，表1是在現場運行過程中獲取的某月通信測試數據，各項技術指標均符合甚至高于系統的設計要求，在項目中取得良好的效果。

圖6 測評數據采集截圖

5 結語

能耗數據采集器作為能耗監測系統中的中樞設備，在系統中具有下行采集數據，上行數據上報等作用，采用ARM Cortex-M4 MCU為核心控制器、采用FreeScale MQX實時操作系統實現了一款專用的能耗數據采集器，在軟件設計中采用MQX的面向組件特性及任務調度的機制，并根據工程運用的實際需要，優化了配置管理功能，提高了工程實施效率，項目產品經過產品測評，達到了項目準入標準，可在建筑能耗、工礦企業、醫院、校園等多種能源管理監測場所中應用。

表1 數據通信實驗結果

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

[2]高歌.大型公建能耗監測系統的設計與實現[D].山東大學,2014.

[3]徐麗華,蔣建武,王宜懷,蘇勇.基于ARM Cortex-M4的MQX調度的上下文切換機制分析[J].計算機應用與軟件,2015,07:236-238+265.

[4]劉丹.大型公共建筑能耗監測平臺及監管模式[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版）,2014,01:96-100.

[5]王鵬,王文慶.基于3G的能耗數據采集器設計[J].計算機測量與控制,2015,12:4202-4206.

[6]李冬輝,賈冠龍,姚樂樂,蘇海嘯.基于LPC1768的能耗采集系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2016,03:48-51.

[7]趙亮,張吉禮,梁若冰.建筑能耗數據特性分析及優化采樣方法研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版）,2013,05:688-693.

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、高級工程師，研究方向為嵌入式技術、電子信息工程技術等；曾保全（1981-），男，江西贛州人，碩士，高級工程師，研究方向為嵌入式技術、電子信息工程技術等收款日期：2017-04-25

2017-07-15

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