建筑能耗数据采集与传输系统设计及实现

1111第29卷第4期2021年4月

建 筑 科 学BUILDINGSCIENCE

Vo.29N.4Apr．202111文章编10028528(2021)04004904建筑能耗数据采集与传输系统设计及实现赵亮张吉礼梁假设冰(大连理工大学建设工程学部大连116024)摘］针对国家机关办公建筑和大型公共建筑的能耗监测需求本文设计研发了一款基于STM32处理器的数据采集与传输系统该系统由数据采集模块数据存储模块和数据传输模块3个局部组成支持对建筑用电量用水量用热量等能耗数据的信息采集通过以太网将数据上传至数据中心效劳器。目前该系统已经投入使用结果说明系统工作稳定可靠能够完成能耗数据采集与传输的工作。键词］数据采集;能耗监测;建筑节能;网络通信图分类号］TU17 献标识码］ADesignandImplementationofAcquisitionandTransmissionSystemofBuildingEnergyConsumptionDataZHAOLiangZHANGJiliLIANGRuobing(FacultyofInfrastructureEngineeringDalianUniversityofTechnologyDalian116024China)Abstrac］InthispaperaimingatthedemandsofbuildingenergyconsumptionmonitoringingovernmentofficebuildingsandlargepublicbuildingsadataacquisitionandtransmissionsystembasedonSTM32microcontrollerwasintroduced．Thissystemconsistedofdatacollectionmoduledatastoremoduleanddatatransmissionmodulewhichcouldcollecttheenergyconsumptionofelectricwaterandheatandtransmitthemtothedatacenterserver．Atpresentthissystemhadbeenappliedinsomebuildingstheresultsindicatedthatitcouldcompletelysatisfytherequirementsofenergyconsumptionacquisitionandtransmission．Keyword］dataacquisitionenergyconsumptionmonitoringbuildingenergyefficiencynetworkcommunication110 引 言2021年英国石油公司公布界能源统计年鉴显示我国能源消费量占全球的20.3%首次超过了占全球能源消费量19%的美］。至此我国已成为世界上能源消耗最大的国家所承受的节能减排压力之大不言而喻。随着我国城市化的快速发展以及工业化进程的加快建筑能耗逐年增加能源需求不断加大与能源相对缺乏的矛盾日益加重。目前建筑在使用过程中的运行能耗已经超过了国民经济总能耗的27%建筑与工业交通并列成为我国能源消耗的3耗能大户2］。因此建筑节能已成为解决能源供给缺乏和提高能源利用效率的重要途径之一对促进全社会节能减排有着重要意义。而实现建筑节能的首要条件是掌握建筑用能情稿日期］2021作者简］赵亮(1983)男在读博士研究生联系方］zliangdut@qq．com

况进一步发现耗能突出的问］。在此背景下，建筑能耗监测平台应运而生。1 系统方案设计1.1 系统需求分析针对?国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统技术导那么等学校校园建筑节能监管系统导那么中对数据采集器的需求分］本系统设计实现的数据采集器具备如下功能。1)数据采集:支持定时采集周期可以从1min到1h灵活配置;支持同时对64台计量装置设备进行数据采集;支持同时对不同种类的计量装置进行数据采集包括电能表(含单相电能表三相电能表多功能电能表)水表燃气表热(冷)量表等。2)数据存储:配置2GB容量的SD卡存储器，可存储1个月的能耗数据信息。3)数据传输:支持同时向2个数据中心(服务器)发送数据因传输网络故障等原因造成传输中1150 建筑科学 第29卷11断时待恢复网络传输功能后利用断点续传可将数据进行重新传输。1.2 系统实现本系统采用STM32F103VET6作为核心处理器该芯片是STM32系列的增强型芯片内部集成较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路。工作频率为72MHz具有5路USART串行通信接口64K字节SRAM存储器512K字节Flash程序存储器，具有2CSPISDIO等多种通用串行通信接口具有较强的抗干扰能力在工业现场得到了广泛的应］。采用W5100作为网络驱动芯片该芯片集成了全硬件的TCP/IP协议栈是一款多功能的单片网络接口芯具备SPI通信接便与STM32控制连接可支持4个独立端口同时运行满足国家导那么的要求。存储模块采用SD卡实现通过高速的SDIO通信接口与STM32处理器进行数据存取。数据采集器系统硬件结构模型如图1所示主要分为STM32核心控制模块数据采集模块数据存储模块网络传输模块硬件看门狗模块等几个部分。其中核心控制模块由系统复位电路时钟电路、JTAG调试电路以及串口监测电路组成。图1数据采集器硬件结构图1.3 系统工作流程依照国家导那么数据采集器与数据中心之间的通信流程如图2所示。数据中心效劳器需要提供1个独立的公网IP地址以及相应的TCP通信端口。首先效劳器开启数据采集软件程序翻开端口进行TCP监听;数据采集器开始工作后主动向数据中心发起TCP连接成功建立连接之后服务器对该数据采集器进行身份验证身份验证通过后数据中心向数据采集器下发配置包其中包括对应该采集器的末端仪表地址编号定时采集周期等相关信息。

数据采集器解析配置包之后进行数据采集数据存储网络传输的循环过程。数据采集器工作过程中，定时向数据中心发送心跳数据包监测网络连接的状态一旦发现连接断开那么进行重新连接。应用层数据包使用XML格式进行编码以文本形式进行数据远传。图2数据采集器和数据中心通信流程图2 系统关键技术分析2.1 数据采集模块数据采集模块采用RS485总线接口计量仪表的通信协议主要是Modbus-RTU协议。RS485总线具有结构简易本钱低廉方便与现场仪表对接等特点［9］。Modbus通信协议的优点是信号传输稳定可靠容错能力强软件编程较容易实现。采集模块首先查找配置包中的各模块的通信地址按照地址进行循环读取。采集程序流程如图3所示为了保证系统RS485网络的正常工作通信过程中必须进行超时检测。一般取超时时间T为系统正常通信时间的3～5倍当系统超时后如果从端没有反响那么退出本次采集重新发送该模块的采集指令进行再次采集程序延时一段时间后重新对该模块进行采集同时超时计数器加1当计数器累加到3时判定该支路模块为物理故障放弃对其进行采集记录该支路信息跳过该模块采集地址加1继续其余11第4期赵亮等:建筑能耗数据采集与传输系统设计及实现5111模块的采集工作。图3数据采集流程图2.2数据存储模块按照数据采集器最多挂载100个计量模块计算这里以电量仪表为例(电量仪表的测量参数最多)具体格式如下:＜MeterModule_01AF_CMName=“140100Fn20211A001〞＞＜F_UA＞xxxx＜/F_UA＞＜F_UB＞xxxx＜/F_UB＞＜F_UC＞xxxx＜/F_UC＞＜F_IA＞xxxx＜/F_IA＞＜F_IB＞xxxx＜/F_IB＞＜F_IC＞xxxx＜/F_IC＞＜F_ZP＞xxxx＜/F_ZP＞＜F_ZQ＞xxxx＜/F_ZQ＞＜F_COSF＞xxxx＜/F_COSF＞＜F_PA＞xxxx＜/F_PA＞＜F_PB＞xxxx＜/F_PB＞＜F_PC＞xxxx＜/F_PC＞＜F_OrigValue＞xxxxxxxx＜/F_OrigValue＞＜/MeterModule_01A＞测量参数包括累计电量三相电压三相电流等共计13项334Bytes。取1min为最小采集周期，那么每天的数据总量为24h×60min×334Bytes×100约为45.9MB1个月的存储所需空间为31×45.9MB=1423MB。本系统采用2GB的SD卡作为存储介质可以满足1个月的存储需求。STM32处理器可以通过SPI或者SDIO两种通信方式与SD卡进行通信。本系统中采用的是SDIO总线模式，

分为主机(HOST)端和设备端(DEVICE)两端所有的通信都是由HOST端发出命令开始的。DEVICE端只要能解析HOST的命令就可以同HOST进行通信。本系统在SD卡中建立1～31个文件夹代表每个月的1～31日每天的数据存入对应的文件夹中。2.3网络模块网络模块主要负责接收效劳器下发的配置信息以及将能耗数据上传。网络模块软件程序主要分为以下几个局部。1)初始化:对W5100的MAC地址默认IP地认网关地址设定，初始化SOCKET0和SOCKE1并设置为TCP客户端工作模式。2)客户端配置:数据采集器工作之前需要对其网络信息进行重新配置主要包括建筑ID数据采集器ID配置真实的IP地址网关地址1号效劳器的IP地址1号效劳器通信端口2号效劳器的IP地址2号效劳器的通信端口。3)接收数据:数据接收采用中断方W5100接收缓冲区收到数据之后会产生1个中断信号通过处理器的中断处理程序进行解析。根据接收的XML文件中TYPE类型进行解析协议分为以下几类:配置包心跳包故障包能耗数据包应答包。4)发送数据:能耗数据发送的流程如图4所示首先根据当前时间信息进入相应的目录读取文件然后分别发送文件名文件大小通知数据中心做好接收准备之后开始发送能耗数据包。尽管TCP提供的是面向连接的可靠的数据流传输但实际应用中因效劳器与客户端之间距离较远网络质量参差不齐为了保证数据传输的稳定可靠程序中启用多重(3次)发送机制。5)断点续传:当网络堵塞或者效劳器掉电等原因导致数据上传失败时首先记录传输失败时对应的时间节点待网络传输功能恢复之后从SD卡中按照时间节点读取能耗数据包重新发送至数据中心。2.4稳定性可靠性设计由于本系统的工作环境多位于强电配电间电磁干扰辐射干扰较强现场的RS485总线传输距离相对较长因此必须采取一定的抗干扰措施以保证系统稳定可靠地运行。1152 建筑科学 第29卷11图4能耗数据传输流程图从硬件软件以及现场布线等方面予以考虑。硬件方面首先对电路板电源电路进行滤波去耦处理参加过流保护装置。RS485电路采用DCDC电源隔离AB通信线上接入瞬态抑制二极管使系统具备自恢复功能。最后将数据采集器安装在1个近乎封闭的金属盒内使其具有较好的电磁屏蔽功能。软件方面主要是采用重复采集技术重复发送技术断点续传等技术。现场采用优质屏蔽双绞线作为RS485通信传输线缆总线型结构布线方式，当总线传输距离过长在相应的节点处加入RS485中继器加强总线信号。3 系统应用目前该数据采集与网络传输系统已经在辽宁省机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台以及山西省太原理工大学建筑能耗监测平台投入应用经过2年多的连续运行可知该系统稳定可靠。在辽宁省选取的50栋建筑中共安装56块数据采集器，在太原理工大学工程中共安装40余块数据采集器。图5为辽宁省工程中能耗监测平台的数据展示图。

图5建筑能耗监测系统实时数据图4 结 论本系统采用工业级ARM芯片作为处理器实现对建筑内电量水量等用能信息的采集存储工作采用硬件集成以太网协议的网络芯片W5100实现数据的网络传输功能支持多个目标上传实现了数据的断点续传等功能。实际工程工程说明该数据采集器能够满足建筑内各用能信息的数据采集存储以及网络传输等要求。［参考文献］［1］CompanyB．StatisticalReviewofWorldEnergy2021．2021．［2］NaWeiWuYongSongYanetal．Governmentmanagementandimplementationofnationalreal-timeenergymonitoringsystemforChinalargescalepublicbuilding．EnergyPolicy202137(6):2087～2091．［3］ChenYongpanMuXianminZhangJilietal．Developmentofmonitoringsystemofbuildingenergyconsumption［C］//Proceedingsof2021InternationalForumonComputerScienceTechnologyandApplications2021:363～366．［4］唐桂忠张广明．公共建筑能耗监测与管理系统关键技术研．建筑科学202125(10):27～29．［5］那威刘俊跃武涌等．国家大型公共建筑能耗监测系统城市级平台建设目标识别与框架研．暖通空调202139(10):4～8．［6］住房和城乡建设部．国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导．2021:4～9．［7］孙启富孙运强姚爱琴．基于STM32的通用智能仪表设计与应．仪表技术与传感器2021(10):34～36．［8］王炳义刘爽张伟等．基于硬件协议栈W5100的图像采集传输系．电子技术应用2021(3):92～93．［9］苗强何凤有邓世建等．基于R485总线的变电所监测系统设．仪器仪表学报202127(6):909～910．

本科生学位论文论多媒体技术在教学中的应用姓名：指导教师：专业：教育管理专业年级：完成时间：

论多媒体技术在教学中的应用[摘要]多媒体不再是传统的辅助教学工具，而是为构造一种新的网络教学环境创造了条件，特别是对于教育社会化来说，多媒体网络是一种更理想的传播工具。多媒体本身具有：融合性、非线性化，无结构性、相互交涉性、可编辑性、实时性等特点；同时运用在教育教学上又有其特长：利于信息的存储利用、是培养发散性思维的工具、促使学习个别化的实现。多媒体在教学中的应用有着多种的形式，它在提高学生学习兴趣上有着积极的作用，同时它还能促进学生知识的获取与保持、对教学信息进行有效的组织与管理、建构理想的学习环境，促进学生自主学习等多方面的效果。立足未来发展，利用多媒体网络技术，开展教学试验。[关键词]多媒体网络教学系统资源共享多媒体技术主要指多媒体计算机技术，加工、控制、编辑、变换，还可以查询、检索。人们借助于多媒体技术可以自然贴切地表达、传播、处理各种视听信息，并具有更多的参与性和创造性。当今多媒体已成为广泛流传的名词，但人们对于它的认识，特别是对于它在教育教学方面如何更好应用，未知的因素还很多。

一、多媒体的教育特长任何一种媒体不管其怎样先进，它只能是作为一种工具被应用到教育领域，能不能促进教育的改革，。。。。。。应当吸取教训，加强理论研究，充分认识多媒体的特性及其教育特长，以便更好地在教育领域开发应用多媒体。

1、多媒体的特性

（1）融合性多种符号系统的融合是多媒体的特性之一，多媒体的这一特性区别于过去媒体符号系统的单一性或复合性。也就是说多媒体技术不是将符号系统叠加，而是具有整体性的融合。

（2）非线性化，无结构性因为多媒体是在超文本、，其组合结构是固定的、不变的。

（5）实时性多媒体信息中的声音、活动视濒、动画于时间有密切联系，对它们进行呈现、交互等集成处理是实时的。在显示某一主体内容时，其视听信息具有同步性。

2、多媒体的教育特长

（1）信息的存储利用便利多媒体特别是多媒体WWW网络信息的存储、提取、双向传输非常便利，它应用于教育，更利于教学信息传播机制的建立。

（2）发散性思维的工具在培养学习者发散性思维方面…………或创造性思维的基础。

（3）促使学习个别化的实现多媒体WWW网络有利于个别化的实现。因为学习者各人需求、学习经验、认知程度等不同，学习方法也有差异，由于多媒体教学信息的多角度多层次性，不具有固定的学习目标和既定学习路径，学习者可以自定学习路径选择自己需要的学习内容。

四、迎接信息时代，运用多媒体技术，实现网络教学传播

21世纪是一个信息高速发展的时代，…………，首先必须认清以下问题：

（一）多媒体不等于光盘化

。。。。。。由于人们认为这就是多媒体，因而也就将多媒体作为一种更完美的形象化教具。

（二）多媒体不是CAI的延伸

日本视听教育协