顧奕騰 葉小艷 張芒等

摘 要：文章提出了一個基于高校能源管理系統(tǒng)的設(shè)計方案，使用一種應(yīng)用于能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口的以太網(wǎng)控制器，以C8051F340、Windows操作系統(tǒng)的PC機、AD7755電量采集模塊構(gòu)建能源管理系統(tǒng)的物理架構(gòu)。采用C51語言和C#進行編程，利用TCP協(xié)議實現(xiàn)上位機和下位機之間的通信，完成數(shù)據(jù)采集及發(fā)送。該系統(tǒng)解決手工抄表效率低下的問題，將數(shù)據(jù)存儲、管理和利用，對數(shù)據(jù)進行有效的監(jiān)測與分析，改變用能不可見、不可控的現(xiàn)狀，降低能耗成本，響應(yīng)國家節(jié)能的政策要求等具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：C8051F340；以太控制器；數(shù)據(jù)采集；能源管理系統(tǒng)

中圖分類號：F206 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0056-03

近年來，高校擴大辦學(xué)規(guī)模、校園師生數(shù)量上升，教學(xué)設(shè)施增加，加速了能源的消耗。高等院校作為社會的重要組成部分，要積極抑制能源的不合理增長。貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀，加強資源節(jié)約型、環(huán)境友好型校園的建設(shè)，節(jié)約不必要的校園開支、提高辦學(xué)的效益，為學(xué)?？沙掷m(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，這就需要利用能源管理系統(tǒng)對將能源數(shù)據(jù)采集、存儲、管理和利用，改變用能不可見、不可控的現(xiàn)狀、降低能耗成本。以往人工進行抄表工作，不僅耗費時間長，還不能及時有效地對數(shù)據(jù)進行分析，加上手工錄入數(shù)據(jù)效率低下、正確率也受影響，統(tǒng)計報表問題自然是一項大工程，僅憑人力監(jiān)管已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的需求。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及與應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)逐步趨向智能化，高校廣泛應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)，本文對基于高校能源管理系統(tǒng)進行了設(shè)計，給出基于以太網(wǎng)的遠程數(shù)據(jù)采集方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)

運用以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)采集層與應(yīng)用層層之間的數(shù)據(jù)傳輸，采集層由微控制器組成，微控制器通過ADE7755與電表進行連接，一個區(qū)域范圍內(nèi)的微控制器通過網(wǎng)線與交換機連接組成一個采集點，各采集點之間通過路由器連接組成以太網(wǎng)，在應(yīng)用層的PC機通過以太網(wǎng)連接核心路由，通過核心路由與微控制器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的電量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集結(jié)點通過以太網(wǎng)與應(yīng)用層的的PC機進行通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上，PC機將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。

用戶使用查詢等需要使用到數(shù)據(jù)的功能時，再經(jīng)PC機從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向如圖2所示，本系統(tǒng)設(shè)計了一個采集接口，完成了數(shù)據(jù)采集的功能。

2 采集層硬件選擇

2.1 CP2200以太網(wǎng)控制器

CP2200由Silicon Laboratories公司開發(fā)的以太網(wǎng)控制器，性能較好，集成了IEE802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器、10 Base-T物理層，片內(nèi)具有2 KB的發(fā)送緩存和4 KB的接收FIFO。

FLASH存儲器容量為8 KB，用作非易失性存儲器，其最后6個存儲單元存放工廠預(yù)編程的唯一48位MAC地址8位并行接口可以工作再復(fù)用或非復(fù)用方式，支持Intel及Motorola兩種總線方式（由MO-TEN位選擇），有多種中斷源，連接/活動LED指示，上電復(fù)位，I/O口均耐5 V電壓。

2.2 C8051F340微控制器

Silicon Laboratories公司推出的這款完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核，自帶64 KB的FLASH ROM，256+K字節(jié)的RAM和外部并口數(shù)據(jù)存儲器XRAM，最重要的是因為主要是為TCP/IP協(xié)議族的嵌入提供了較大的數(shù)據(jù)處理空間和穩(wěn)定性。

2.3 AD7755

AD7755是一款適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計量IC。該器件規(guī)范超過IEC61036標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求。AD7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。

所有其它信號處理（例如乘法和濾波）都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)的。這種信號處理方法可在隨環(huán)境條件和時間變化的很大范圍內(nèi)提供優(yōu)異的穩(wěn)定性和精度。

電流通道提供高增益模式，可直接連接低阻值分流電阻器而不損失動態(tài)范圍，因而選用它。

3 AD7755與微控制器接口

使用CF高頻輸出，頻率設(shè)置為2048（F1，F(xiàn)2）。這要求設(shè)置高頻（SCF=0和S0=S1=1），見表1。

當(dāng)滿度交流信號添加到模擬輸入端的時候，CF輸出頻率可在5.6 kHz之間波動。方案可以數(shù)字化輸出頻率，實現(xiàn)平均作用如圖3所示。

如圖所示，頻率輸出CF端接到MCU的計度器或端口，MCU在內(nèi)部定時器設(shè)定的積分時間內(nèi)對CF輸出的脈沖計數(shù)，平均功率正比于平均頻率，由下式確定：

平均功率=平均頻率=脈沖個數(shù)/積分時間；

在一個積分周期內(nèi)消耗的電能為：

電能=平均功率×積分時間=（脈沖個數(shù)/積分時間）×積分時間=脈沖個數(shù)。

4 軟件設(shè)計

4.1 下位機軟件設(shè)計

在初始化的時候進行IP的設(shè)置和子網(wǎng)掩碼的設(shè)置

微控制器通過接收脈沖個數(shù)計算用電量，以兩個脈沖為0.001度，通過void read_DL_input（void）函數(shù)進行換算。

4.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用基于.net framework 4.0框架，C#語言開發(fā)，利用TCP傳輸協(xié)議，采用Socket類對下位機進行連接，從而產(chǎn)生通信，發(fā)送采集命令得到數(shù)據(jù)的返回。將上位機作客戶端，下位機作服務(wù)端，向正在監(jiān)聽的服務(wù)端發(fā)送命令請求，得到服務(wù)端的數(shù)據(jù)回復(fù)。如果服務(wù)端出現(xiàn)故障無法回復(fù)，則會記錄故障的服務(wù)端IP，從而對其進行檢修。

客戶端采集流程如下：

①利用TcpClient的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個TcpClient對象；

②使用Connect方法進行連接。

③利用TcpClient對象的GetStream得到網(wǎng)絡(luò)流，然后利用該網(wǎng)絡(luò)流和服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信。

④創(chuàng)建線程對指定端口進行監(jiān)聽，對服務(wù)端發(fā)送的數(shù)據(jù)進行監(jiān)聽。

⑤完成采集工作的時候，發(fā)送關(guān)閉連接的指令，關(guān)閉與服務(wù)器之間的連接。

之所以選擇TCP協(xié)議而不使用UDP協(xié)議為傳輸控制協(xié)議，綜合UDP和TCP協(xié)議的優(yōu)缺點，基于TCP是面向連接的、可靠的傳輸協(xié)議，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不丟包、能進行錯誤檢測等優(yōu)點，最終采用TCP作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

主要功能模塊為數(shù)據(jù)采集模塊和記錄查詢模塊，其他功能模塊基于這2個模塊繼續(xù)拓展，主界面，如圖5所示。

5 系統(tǒng)測試

首先，打開數(shù)據(jù)采集界面，搜索一個采集點的所有微控制器的信息，點擊全選，對該采集點進行電量的采集，采集結(jié)束后，顯示采集成功和失敗的信息，采集界面，如圖6所示。

然后，打開數(shù)據(jù)查詢界面，對采集的數(shù)據(jù)進行驗證，經(jīng)驗證，采集到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)查詢界面，如圖7所示。

對系統(tǒng)采集功能進行測試，經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠快速地完成數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)能存儲到數(shù)據(jù)中。

6 總結(jié)與不足

本文設(shè)計了應(yīng)用于高校能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口的以太網(wǎng)控制器，解決AD7755與微控制器（MCU）接口問題，使用AD7755進行計量，解決了電量采集問題。

完成能源管理系統(tǒng)的構(gòu)建，使用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的功能，完成了遠程集抄，解決人工抄表帶來的效率低下問題。

為能源管理后續(xù)功能的開發(fā)奠定基礎(chǔ)，唯一的不足之處是當(dāng)微控制器掉電之后，存儲在微控制器本身的電量變量會初始化，這里提供兩種解決方案：

①利用SD卡，將電量變量存儲在SD卡中。

②使用EEPROM，只要5 min內(nèi)未檢測到脈沖就將電量變量存儲到EEPROM中，微控制器初始化的時候在EEPROM中讀取電量變量，前提是為微控制器提供外接電池，提供斷電后的電源供應(yīng)。

在后續(xù)研究中將考量兩種解決方案，完善能源管理系統(tǒng)，并對報表和圖表等相關(guān)功能進行后續(xù)的開發(fā)。

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