謝燦 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院

一種機(jī)房能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

謝燦 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院

為了解決現(xiàn)階段電信運(yùn)營(yíng)商能耗監(jiān)測(cè)管理效率低下和實(shí)時(shí)性不高的問(wèn)題，本研究通過(guò)嵌入式和云計(jì)算平臺(tái)技術(shù)提供一套能源消耗管理云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管理自動(dòng)化、監(jiān)視實(shí)時(shí)化、能耗精細(xì)化，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗提供最可信的數(shù)據(jù)和方案。結(jié)果證明它在性能方面具備較好的可靠型和精準(zhǔn)性，因此有著良好的應(yīng)用前景。

嵌入式系統(tǒng) ARM XML協(xié)議 RS485

“十二五”期間，繼續(xù)深化綠色發(fā)展模式，《“十二五”節(jié)能減排規(guī)劃》的發(fā)布為其發(fā)展提供了新動(dòng)力。電信機(jī)房作為現(xiàn)代通信技術(shù)的重要組成部分，具有終端接入、數(shù)據(jù)處理和交換路由處理等功能，保障用戶日常通信業(yè)務(wù)的管理工作。它集成了大功率傳輸、接入設(shè)備和交換控制設(shè)備，因此屬于通信系統(tǒng)中高能耗的單元，再者因其部署規(guī)模大，耗能集約效應(yīng)明顯。

機(jī)房能耗過(guò)高不但增加環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)，還對(duì)電信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全產(chǎn)生不利影響。本文采用嵌入式和云計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)一套基站能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電信機(jī)房電能消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 架構(gòu)分析

本研究采用了嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互、無(wú)線通信和云計(jì)算等軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)電信機(jī)房能耗監(jiān)測(cè)的解決方案，它包括采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備（下簡(jiǎn)稱(chēng)：采集器）和云計(jì)算中心軟件系統(tǒng)兩個(gè)核心部分。采集器采用高性能32位ARM內(nèi)核的微處理器，它通過(guò)擴(kuò)展RS485總線與多個(gè)智能電表集群相連接，實(shí)時(shí)獲取電能各參數(shù)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，采集器開(kāi)機(jī)后一方面主動(dòng)發(fā)送查詢命令檢驗(yàn)智能電表是否處于工作狀態(tài)，并利用自身的flash存儲(chǔ)器存儲(chǔ)工作狀態(tài)；另一方面采集器啟動(dòng)自身的身份驗(yàn)證工作，主動(dòng)向軟件系統(tǒng)發(fā)起連接請(qǐng)求，軟件系統(tǒng)驗(yàn)證無(wú)誤后，完成對(duì)采集器認(rèn)證從而進(jìn)入工作運(yùn)行態(tài)。

已經(jīng)獲取軟件系統(tǒng)授權(quán)的采集器則可以將智能電表的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送給軟件系統(tǒng)，完成信息監(jiān)測(cè)和管理。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 采集器硬件平臺(tái)

采集器是本系統(tǒng)的重要組成部分，它采用三星公司基于ARM1176內(nèi)核的16/32位的高性能低功耗的RSIC通用微處理器。

高性能ARM處理器利用全性能的MMU單元支持文件系統(tǒng)從而保證該平臺(tái)支持操作系統(tǒng)的運(yùn)行。本采集器主要通過(guò)RS485接口與智能電表連接，獲取電力能耗數(shù)據(jù)的采集。RS485接口是一種國(guó)際通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它是將串行通信的TTL電平轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)在雙絞線上面?zhèn)鬏?，因此具有較強(qiáng)的抗共模干擾能力，數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到10Mbps以上，是一種智能電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐胼d體。

2.2 采集器協(xié)議設(shè)計(jì)

采集器智能電表間可通過(guò)有線RS485串行總線接口或者無(wú)線協(xié)議通信。它采集到電表數(shù)據(jù)通過(guò)ModBus協(xié)議匯報(bào)給軟件系統(tǒng)。云計(jì)算中心軟件系統(tǒng)配置管理軟件可通過(guò)協(xié)議對(duì)采集器進(jìn)行配置操作。

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。支持電力系統(tǒng)所有的儀器和儀表，通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信，它是一種真正意義上的通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

重啟報(bào)文的功能碼是0x03，目的是軟件系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制采集器進(jìn)行復(fù)位重啟操作。此報(bào)文不需要應(yīng)答。設(shè)備接收到此報(bào)文后會(huì)在5秒后重啟，5秒保存信息釋放資源。配置RS485接口報(bào)文，發(fā)送方向?yàn)檐浖到y(tǒng)發(fā)往采集器，用于配制通信接口的參數(shù)。本消息需要重新啟動(dòng)采集器才能生效。通過(guò)配置協(xié)議，云計(jì)算中心軟件系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程的控制采集器。

2.3 云計(jì)算中心軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器的架構(gòu)，即核心任務(wù)主要依靠服務(wù)器來(lái)完成，終端用戶的平臺(tái)不需要額外準(zhǔn)備程序，只需要具有瀏覽器就可以完成管理工作。軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML來(lái)定義，本系統(tǒng)主要包括設(shè)備基本信息配置、RS485接口配置XML文件、采集內(nèi)容項(xiàng)配置和采集值上報(bào)數(shù)據(jù)等五大類(lèi)。其中采集值上報(bào)數(shù)據(jù)是軟件系統(tǒng)的重點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

采集器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將上述的XML文件送給云計(jì)算中心軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)按照XML協(xié)議定義解封裝有用信息（如時(shí)間信息等）并進(jìn)行顯示和分發(fā)工作，從而完成智能電表網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)。

3 方案實(shí)現(xiàn)

目前本系統(tǒng)已經(jīng)完成了研發(fā)，并在電子信息工程實(shí)驗(yàn)中心完成驗(yàn)證工作，其測(cè)試界面如下所示：

圖2 市級(jí)部門(mén)能耗統(tǒng)計(jì)

本系統(tǒng)可以分成市級(jí)部門(mén)和子公司進(jìn)行監(jiān)測(cè)，市級(jí)本門(mén)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括了子公司的總和，而子公司則只能監(jiān)測(cè)本地的數(shù)據(jù)。通過(guò)兩級(jí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以清晰的展示不同級(jí)別的數(shù)據(jù)，也方便了不同職能部門(mén)的監(jiān)管。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)房能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)和云計(jì)算等軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了完整的機(jī)房能耗監(jiān)測(cè)解決方案。結(jié)合本行業(yè)實(shí)際問(wèn)題將遠(yuǎn)程安全性作為重點(diǎn)研究目標(biāo)，既考慮處理信息的實(shí)時(shí)性、多樣性和準(zhǔn)確性，又考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性，從而將上述技術(shù)科學(xué)的應(yīng)用到本系統(tǒng)中，達(dá)到了預(yù)期效果，為地域覆蓋廣的機(jī)房能耗監(jiān)測(cè)工作供了可靠的應(yīng)用保證。

[1]王彩紅,崔勇,張慶輝等.基于嵌入式LINUX的智能用電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表,2016,53(11):72-75.DOI:10.3969/ j.issn.1001-1390.2016.11.013

[2]沈昌國(guó),朱金大,李貴民等.新型電能量集中采集器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003,27(5):76-78.DOI:10.3321/j.issn:1000-1026.2003.05.018

TP399

A

10.7666/d.y2060648

10.3969/j.issn.1000-436X.2011.07.002

重慶電子工程職業(yè)學(xué)院《以市場(chǎng)為導(dǎo)向，多方共建應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心—電子信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心》資金資助。

謝燦（1980-），男，重慶市沙坪壩區(qū)，高級(jí)工程師（電子信息），碩士，主要研究方向通信數(shù)字信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)和數(shù)字圖像處理與模式識(shí)別。

[4]羅軍舟,金嘉暉,宋愛(ài)波等.云計(jì)算:體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J].通信學(xué)報(bào),2011,32(7):3-21.