李嘉鴻

【摘 要】以低碳照明、節(jié)能減排、智能用電管理為目標(biāo)，研發(fā)智能插座、用電采集器、互動終端、智能用電管理平臺，以計算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)通信，實現(xiàn)對學(xué)校公共照明和宿舍用電的實時監(jiān)控、用電信息的集中采集、分析和管理，提高學(xué)校用電管理水平和節(jié)約電能水平。

【關(guān)鍵詞】互動終端；RS485；G24

0 引言

按照國家電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，2009年、2010年為智能電網(wǎng)的“規(guī)劃試點階段”，主要工作是制定規(guī)劃和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2011年至2015年，則是智能電網(wǎng)計劃的“全面建設(shè)階段”，這一階段的投資金額接近2萬億元。

國家電網(wǎng)公司計劃在2015年前，智能電表覆蓋率達到80%，2020年全面覆蓋。智能電表的推廣應(yīng)用將催生智能用電服務(wù)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

學(xué)校智能用電管理系統(tǒng)將在提高學(xué)校用電節(jié)能和安全用電管理水平發(fā)揮重要作用。

1 研發(fā)目的和意義及創(chuàng)新和突破點

1.1 利用計算機網(wǎng)絡(luò)通信，降低項目建設(shè)、運維成本

目前學(xué)校的計算機網(wǎng)絡(luò)有線RJ45或無線WI-FI連接基本實現(xiàn)全覆蓋。利用計算機網(wǎng)絡(luò)通信，具有現(xiàn)有物理鏈路、易維護、易推廣、易使用、低成本等優(yōu)點。

1.2 低碳照明，實現(xiàn)節(jié)能減排

學(xué)校的公共場所公共照明用電都是開放式的，沒有明確的用電責(zé)任造成用電的極大浪費，不符合國家正積極倡導(dǎo)的創(chuàng)建節(jié)約型校園的政策。

采用光監(jiān)控和推廣LED等節(jié)能、綠色的新材料、新產(chǎn)品對節(jié)能減排和延長燈具壽命起著積極作用。但光監(jiān)控的整體響應(yīng)限制節(jié)能水平，智能用電管理平臺的集中監(jiān)控和移動監(jiān)控，可以對公共照明用電進行實時、針對性的監(jiān)控，降低勞動強度和維護成本、提高工作效率和照明質(zhì)量。

1.3 提高基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)用度，實現(xiàn)用電信息的集中采集

智能電網(wǎng)以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)。智能電表是由測量、數(shù)據(jù)處理、通信等單元組成，具有電能量計量、信息存儲及處理、實時監(jiān)控、自動控制、信息互動等功能的電能表。智能電表作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，為實時采集用戶用電信息提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。充分利用智能電表功能，在不增加成本的情況下，能從智能電表采集到用電設(shè)備的實時用電量。取代傳統(tǒng)的人工抄表，節(jié)省了人力、財力，大大提高了用電管理的自動化程度，同時通過對用電數(shù)據(jù)進行分析、診斷，幫助學(xué)校了解用電設(shè)備的能耗情況和異常用電分析，提高用戶的節(jié)能減排水平，同時消除學(xué)校用電安全隱患。

1.4 系統(tǒng)創(chuàng)新及突破點

①項目通信協(xié)議支持嵌入指令，提高受控設(shè)備接入的方便性，降低系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)流量；

②采用手機通信，實現(xiàn)移動控制，使項目更具先進性、實用性；

③實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的應(yīng)用系統(tǒng)；

④項目嵌入指令的設(shè)計，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕?jīng)濟性和可靠性。

2 主要研發(fā)內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)

本項目以電力線載波通信技術(shù)為核心，以“低碳照明、節(jié)能減排、智能用電管理”為目標(biāo)，研發(fā)通信協(xié)議、智能插座、用電采集器、互動終端、智能用電管理平臺于一體的學(xué)校智能用電管理系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計框架圖如下（圖1）：

2.1 主要研發(fā)內(nèi)容

其核心研發(fā)內(nèi)容主要集中下面三個方面：

2.1.1 研制項目設(shè)備

（1）根據(jù)面向?qū)ο蟆俺橄?、封裝”設(shè)計原則，研制WI-FI通信模塊、無線G24、通信模塊、電源模塊、軟開關(guān)控制模塊、硬開關(guān)控制模塊等系統(tǒng)設(shè)備的通用模塊。

（2）研制集WI-FI通信模塊、通過RS485通信采集電表用電信息的采集器。

（3）研制集WI-FI通信模塊、無線G24通信模塊的互動終端。

（4） 研制集無線G24通信模塊或WI-FI通信模塊、軟開關(guān)控制模塊、紅外線控制的智能插座。

（5）研制集無線G24通信模塊或WI-FI通信模塊、硬開關(guān)控制模塊的智能插座。

2.1.2 研究系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)方案

（1）設(shè)計系統(tǒng)通信協(xié)議，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕?jīng)濟性和安全性，降低對計算機網(wǎng)絡(luò)的影響程度；支持各種型號的空調(diào)、投影儀、電表的控制指令的透明嵌入，提高系統(tǒng)應(yīng)用的適應(yīng)性。

（2）開發(fā)智能手機操作軟件，實現(xiàn)移動互動、控制和報警信息的短信通知，提高故障響應(yīng)能力、系統(tǒng)運行質(zhì)量和實用性，降低系統(tǒng)運維成本。

（3）通過計算機網(wǎng)絡(luò)把系統(tǒng)設(shè)備、智能手機、管理平臺連接起來，形成一個無需重新布線的系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1.3 開發(fā)用電管理平臺

構(gòu)建智能用電管理平臺，實現(xiàn)對學(xué)校用電信息采集、用電安全、用電設(shè)備進行集中管理和控制。

2.2 擬解決關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 不同電表的用電采集指令不同，目前大部分指令為DL/T 645和MODBUS RTU廠家協(xié)議指令，不同型號電表的數(shù)據(jù)存儲地址各不相同，如何把不同指令嵌入到項目通信協(xié)議，是解決項目設(shè)備適應(yīng)性的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.2 不同型號的空調(diào)、投影儀的控制指令各不相同，如何把不同指令通過項目設(shè)備傳遞到對應(yīng)設(shè)備，是項目需解決的另一個關(guān)鍵技術(shù)。

3 采用的研究方法、技術(shù)路線以及工藝流程

3.1 系統(tǒng)采用的研究方法

本系統(tǒng)將采用多專業(yè)、多學(xué)科人員相結(jié)合、學(xué)?？蒲袉挝慌c生產(chǎn)企業(yè)相結(jié)合的方式，以市場需要為基礎(chǔ)，以學(xué)校需求為導(dǎo)向，依據(jù)最新政策、法律、法規(guī)、條例和規(guī)范進行研發(fā)。

從“學(xué)校低碳照明、節(jié)能減排、智能用電管理”的項目建設(shè)目標(biāo)出發(fā)，應(yīng)用可擴展到其它信息服務(wù)、智能控制所需求的行業(yè)，如：水表、煤氣表集中抄表、城市道路照明智能管理、智能家居等應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2 技術(shù)路線

本系統(tǒng)在借鑒和研究國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，利用已有的研究基礎(chǔ)，根據(jù)市場需求，開發(fā)樣品。經(jīng)過測試，試運行，市場拓展，從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。系統(tǒng)研發(fā)過程以嵌入指令、學(xué)習(xí)指令為技術(shù)重點，對項目設(shè)備電路設(shè)計以“實驗、測試樣品、電路優(yōu)化、樣品制作、模具設(shè)計，先通用后專用”的流程進行；軟件按“需求分析、總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、程序開發(fā)、測試、試運行”的開發(fā)步驟進行。

系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計技術(shù)方案：

系統(tǒng)通信協(xié)議為半雙工問答式連接。請求方發(fā)送包含地址的指令，應(yīng)答方識別請求方發(fā)來的指令，決定產(chǎn)生何種行動。如需回應(yīng)，應(yīng)答方將生成反饋信息并用系統(tǒng)通信協(xié)議發(fā)出。

數(shù)據(jù)幀是傳送信息的基本單元，每幀由開始標(biāo)識，目標(biāo)地址、源地址、數(shù)據(jù)幀序號、數(shù)據(jù)幀識別碼、指令識別碼、數(shù)據(jù)長度、地址域長度、數(shù)據(jù)域【前導(dǎo)數(shù)據(jù)域】+地址域+【后續(xù)數(shù)據(jù)域】、校驗碼CS和結(jié)束標(biāo)識組成。幀格式如表1所示：

①開始標(biāo)識（1字節(jié)）：標(biāo)識一幀信息的開始，其值為68H=01101000B=104D。

②目標(biāo)地址（1字節(jié)）：表示需要接收數(shù)據(jù)幀的目標(biāo)節(jié)點地址。

③源地址（1字節(jié)）：表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀的節(jié)點地址。

④數(shù)據(jù)幀序號（1字節(jié)）：發(fā)送方從01H～FFH自行循環(huán)編號，應(yīng)答方不能修改該編碼，保證數(shù)據(jù)幀的完整和指令不被重復(fù)執(zhí)行。

⑤數(shù)據(jù)幀識別碼（1字節(jié)）（表2）：

數(shù)據(jù)幀識別碼高4位為完整數(shù)據(jù)幀數(shù)量，表示構(gòu)成完整幀的數(shù)量，數(shù)據(jù)幀識別碼高4位D7 D6 D5 D4 = 1111表示完整數(shù)據(jù)幀必須由16個數(shù)據(jù)幀合成；數(shù)據(jù)幀識別碼高4位D7 D6 D5 D4 = 0001，表示為單幀。數(shù)據(jù)幀識別碼低4位 D3 D2 D1 D0為數(shù)據(jù)幀內(nèi)序號，作用于完整數(shù)據(jù)幀的拆分和合成。

⑥指令識別碼（1字節(jié)）（表3）：

指令識別碼D7為保留，暫未定義；標(biāo)識1 D6 = 0表示數(shù)據(jù)幀為本地指令，D6 = 1表示數(shù)據(jù)幀為嵌入指令；標(biāo)識2 D5 = 0表示數(shù)據(jù)幀為請求指令，D5 = 1表示數(shù)據(jù)幀為應(yīng)答結(jié)果；標(biāo)識3 D4 = 0表示指令必須反饋，D4 = 1表示指令不需反饋；指令識別碼低4位D3D2D1D0 為指令碼。

應(yīng)用實例1：如本項目約定指令碼=1000，表示保存第一條操作指令在本節(jié)點，該操作指令的實際作用是開啟某型號的空調(diào)，指令碼=1100，表示讀取存儲在本節(jié)點的第一條操作指令。本系統(tǒng)約定節(jié)點最多可以保存8條操作指令，如指令碼=1011，表示保存第8條操作指令在節(jié)點，該操作指令可能是關(guān)閉某型號的投影儀，指令碼=1111，表示讀取存儲在節(jié)點的第8條操作指令。存取操作指令在節(jié)點，其目的在于初始化時，在節(jié)點保存操作指令，實現(xiàn)嵌入式指令保存在節(jié)點，運行時直接從節(jié)點讀取操作指令，降低數(shù)據(jù)幀的傳輸長度，提高項目操作指令傳輸?shù)慕?jīng)濟性和可靠性。其它指令碼約定由開發(fā)人員根據(jù)系統(tǒng)功能需求進行詳細(xì)約定。

⑦數(shù)據(jù)長度（1字節(jié)）：數(shù)據(jù)長度的高4位D7 D6 D5 D4 表示數(shù)據(jù)域的前導(dǎo)數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)長度L1，數(shù)據(jù)長度的低4位D3 D2 D1 D0表示數(shù)據(jù)域的后續(xù)數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)長度L3。

⑧地址域長度（1字節(jié)）：表示數(shù)據(jù)域的地址域的數(shù)據(jù)長度L2。

⑨數(shù)據(jù)域（可變長）：長度= L=L1+L2+L3。數(shù)據(jù)域作用于傳輸結(jié)果和操作指令，因為地址編碼存在于操作指令的任意位置，把數(shù)據(jù)域分為【前導(dǎo)數(shù)據(jù)域】+地址域+【后續(xù)數(shù)據(jù)域】三部分，使同一型號的相同操作可以共享同一操作指令，降低項目操作指令數(shù)量。

數(shù)據(jù)幀為本地指令時，地址域為全零時表示執(zhí)行指令的節(jié)點為本地節(jié)點；不為零時表示執(zhí)行指令的為本地節(jié)點所管理的下級節(jié)點或子控制單元。數(shù)據(jù)（L-1字節(jié)），為有效數(shù)據(jù)或?qū)嶋H操作指令。

數(shù)據(jù)幀為嵌入指令時，目標(biāo)地址節(jié)點向節(jié)點的分支總線（如用電采集器與電表連接的RS485總線）轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)域（【前導(dǎo)數(shù)據(jù)域】+地址域+【后續(xù)數(shù)據(jù)域】）的完整數(shù)據(jù)。

應(yīng)用實例2：指令"10916202803032391608907856341200010243"是采集電表號為"3032391608"昨天的用電量，要完成這項功能有兩條途徑：

途徑1：請求方編制指令識別碼為"00001001"=09H，表示保存第二條操作指令在目標(biāo)節(jié)點；數(shù)據(jù)長度"01011001"=59H，表示數(shù)據(jù)域的前導(dǎo)數(shù)據(jù)長度為L1=5字節(jié)，后續(xù)數(shù)據(jù)長度L3=9字節(jié)；地址域長度 "00000101"=05H，表示數(shù)據(jù)域的地址域長度L3=5字節(jié)；數(shù)據(jù)域的前導(dǎo)數(shù)據(jù)、地址域、后續(xù)數(shù)據(jù)分別為"1091620280"、"3032391608"、 "907856341200010243" 。目標(biāo)節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)幀后，把前導(dǎo)數(shù)據(jù)和后續(xù)數(shù)據(jù)保存在節(jié)點的永久存儲空間。該操作指令成功執(zhí)行過一次后，請求方編制指令識別碼為"01011101"=5DH，地址域數(shù)據(jù)可以是 "3032391608"或其它有效電表編號，不需前導(dǎo)數(shù)據(jù)和后續(xù)數(shù)據(jù)，節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)幀后，讀取存儲在本節(jié)點的第二條操作指令，合成前導(dǎo)數(shù)據(jù)+地址域+后續(xù)數(shù)據(jù)的完整操作指令后，向分支總線發(fā)送指令，讀取總線反饋數(shù)據(jù)后，編制反饋操作結(jié)果給請求方。

途徑2：請求方編制指令識別碼為"01010001"=51H（0001假設(shè)為讀取電表數(shù)據(jù)指令碼）；數(shù)據(jù)長度"01011001"=59H，表示數(shù)據(jù)域的前導(dǎo)數(shù)據(jù)長度為L1=5字節(jié)，后續(xù)數(shù)據(jù)長度L3=9字節(jié)；地址域長度 "00000101"=05H，表示數(shù)據(jù)域的地址域長度L3=5字節(jié)；數(shù)據(jù)域的前導(dǎo)數(shù)據(jù)、地址域、后續(xù)數(shù)據(jù)分別為"1091620280"、"3032391608"、 "907856341200010243" 。目標(biāo)節(jié)點接收到該數(shù)據(jù)幀后，合成前導(dǎo)數(shù)據(jù)+地址域+后續(xù)數(shù)據(jù)的完整操作指令后，向分支總線發(fā)送指令，讀取總線反饋數(shù)據(jù)后，編制反饋操作結(jié)果給請求方。

與途徑2比較，途徑1使同一型號的相同操作可以共享同一操作指令，降低項目數(shù)據(jù)幀的總長度，提高操作指令傳輸?shù)慕?jīng)濟性和可靠性。

⑩校驗碼CS（1字節(jié)）：累加從數(shù)據(jù)幀的開始標(biāo)識到校驗碼的各字節(jié)，求累加值除以256 的余數(shù)，余數(shù)就是效驗碼。即各字節(jié)二進制算術(shù)和，不計超過256 的溢出值。

{11}結(jié)束標(biāo)識（1字節(jié)）：標(biāo)識一幀信息的結(jié)束，其值為16H=00010110B=22D

利用系統(tǒng)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀識別碼，保證數(shù)據(jù)幀的完整和嵌入指令的可識別，實現(xiàn)不同指令的規(guī)范化嵌入系統(tǒng)通信協(xié)議。提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和實施方便性，降低系統(tǒng)維護成本和工作量。

3.3 研制系統(tǒng)設(shè)備

系統(tǒng)設(shè)備以電路模塊化設(shè)計、部件拼接方式進行研制，降低系統(tǒng)投資成本，增強項目的可擴展性和可維護性。通用模塊部件包括WI-FI通信模塊、無線G24通信模塊、電源模塊、軟開關(guān)控制模塊、硬開關(guān)控制模塊等，其中電源模塊可以應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)備智能插座、用電采集器、互動終端。

3.3.1 互動終端設(shè)計

必要模塊包括WI-FI通信模塊和電源模塊，WI-FI通信模塊作用于通過計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。互動終端必須設(shè)計有存儲操作指令的永久存儲控制。

如果互動終端管轄的智能插座數(shù)量較少，可以把軟開關(guān)控制模塊、硬開關(guān)控制模塊集成到互動終端中，減去互動終端與智能插座之間的無線G24通信模塊。

如果互動終端管轄的智能插座數(shù)量較多，必須集成無線G24通信模塊，便于智能插座的安裝。

3.3.2 用電采集器設(shè)計

必要模塊包括WI-FI通信模塊和電源模塊，通過RS485通信采集電表用電信息的采集器，存儲操作指令的永久存儲控制。

為提高用電安全水平，可以增加硬開關(guān)控制模塊，作用于對電表輸出電源的控制。

3.3.3 智能插座設(shè)計

必要模塊包括無線G24通信模塊和電源模塊，G24通信模塊作用于與互動終端通信。智能插座解釋互動終端下達的指令，直接通過硬開關(guān)控制模塊控制電源或上報設(shè)備用電狀態(tài)；通過軟開關(guān)控制模塊向用電設(shè)備發(fā)送開啟或關(guān)閉設(shè)備，如指令為開啟指令，模塊必須檢測設(shè)備處于通道狀態(tài)，所以可以集成硬開關(guān)控制模塊，先通過指令控制設(shè)備通電，再向用電設(shè)備發(fā)送開啟指令。為了保護用電設(shè)備如投影儀，關(guān)閉時先向用電設(shè)備發(fā)送關(guān)閉指令，再通過指令控制設(shè)備斷電。

3.3.4 操作指令采集器設(shè)計

操作指令采集器具有學(xué)習(xí)、采集不同設(shè)備、不同型號控制指令的功能。對實際應(yīng)用中的設(shè)備控制指令進行采集，通過RS232、藍(lán)牙、或WI-FI通信模塊與管理平臺通信，為系統(tǒng)提供操作指令基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。電表采集指令可以直接通過電腦錄入系統(tǒng)。

3.4 配套手機軟件

開發(fā)用電管理APP軟件，通過智能手機實現(xiàn)移動控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

建立管理平臺，是為了能夠更方便、簡潔地控制設(shè)備、降低網(wǎng)絡(luò)流量，平臺軟件必須具有指令編輯功能。

系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)采用三層C/S結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2。

平臺軟件和手機操作軟件為表示層，通過功能層與數(shù)據(jù)層進行數(shù)據(jù)交換。平臺軟件負(fù)責(zé)完成本系統(tǒng)軟件功能、保證本系統(tǒng)正常運行，操作員必須進行的業(yè)務(wù)操作和會話的功能軟件。平臺軟件采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)，方便手機APP軟件的開發(fā)，提高系統(tǒng)的可維護性和擴展性。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度大，涉及現(xiàn)代生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、智能電網(wǎng)、節(jié)能減排、信息化與工業(yè)化融合等諸多領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。對學(xué)校節(jié)省開支，提高工作效率有積極意義。

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[責(zé)任編輯：湯靜]