基于物联网技术的建筑能耗数据采集实训平台开发与应用

摘 要 本文结合我院自动化系物联网专业在智能楼宇方面的特色，设计实现了一款物联网综合实训平台及系统，用于物联网专业教学，使学生全面、深入了解建筑物联网能耗数据走向，是物联网与智能楼宇相结合的落地项目，具有实训教学和实用推广双重价值。

关键词 物联网；Zigbee；Modbus；多功能电表；嵌入式网关

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0026-01

近年来，随着物联网技术的快速发展，社会企业对物联网技术人才的需求与日俱增。高校紧跟技术热点，结合自身优势纷纷开设物联网专业。物联网专业涉及层面非常广泛，是一个多技术和多学科互相交叉的综合性专业，如何针对高职院校的特点，开设物联网综合实训课程，即通过一个综合项实训项目，贯穿物联网的各个层次，全方位展示物联网数据处理的全过程，是各高职院校要解决的当务之急。

本文设计开发的综合实训系统贯穿物联网技术的感知层、传输层和应用层，通过末端设备采集建筑物多功能电表、水表、燃气表能耗数据，以有线和无线两种方式上传到Cotex A8智能网关，由网关进行初步存储、处理后最终通过TCP/IP协议上送后台服务器。

1 实训平台总体设计

1.1 系统功能

根据国家节能减排需求，要求各大公共建筑需要实现能耗的分类分项数据采集与统计，因此该实训平台具有以下功能。

1）硬件接口：RS485接口、RS232接口及以太网接口。

2）Zigbee无线网络协调器、路由器及终端节点，构建Zigbee无线采集网络。

3）连接多主机，周期性（周期可调）向主机汇报能耗数据；或者响应主机发来的命令，被动上传指定的能耗数据。

4）智能网关具有本地存储功能，保证在网络不通的情况下补传能耗数据。

5）Web系统能处理各种数据报表，找出异常数据，及时报警或反控设备开关，关闭异常设备。

1.2 硬件设计

1）嵌入式智能网关。智能网关采用具有工业级别的TI处理器TM3358，主频可达1GHz，具有512M SDRAM内存，512M NAND FLASH外存，2个RS232串口，2个RS485接口，2个100兆以太网口。

网关PCB采用核心板加底层扩展板的方式，有利于硬件主板的扩充，接口全部由底板引出，核心板只集成CPU、SDRAM、NAND Flash及时钟电路。核心板支持SD卡引导，方便Linux系统升级。

2）Zigbee数据采集器。无线Zigbee数据采集器基于TI公司的CC2530芯片，该芯片除了具有8051微处理器功能外，还具有2.4G高频RF电路，能够收发无线数据，并且提供性能卓越的Zigbee 2007半开源协议栈，是一个完整的SOC解决方案。

在CC2530上加MAX232芯片扩展出一个RS485接口，连接末端485协议的多功能电表或其他能耗设备。

1.3 系统整体架构

建筑物能耗监测系统基本由三部分组成：数据采集子系统、数据中转处理子系统及数据中心服务子系统。

数据采集子系统安装在被监测的大楼内部，主要由有线计量表具、无线Zigbee数据采集器、嵌入式智能网关等三部分构成，网关通过TCP/IP网络连接能耗数据中心服务器。整个系统应用架构如图1。

图1 建筑能耗监控系统架构图

2 软件设计

2.1 网关操作系统构建

智能网关硬件基于Cortex A8 处理器，通过winbond 83977及MAX232扩展2个RS485接口。系统层主要由Uboot、Linux内核及根文件系统三部分构成，全部针对硬件平台开发相应驱动，实现系统定制。

2.2 网关应用层

根据系统功能要求，网关上层主要设计了三个线程，分别是串口485数据采集线程、串口协调器数据采集线程及服务器命令侦听线程。网关接口挂接的机具参数必须在主线程启动之前进行初始化。

2.2.1 核心控制进程

1）首先与服务器连接，进行身份认证，身份证信息由本地终端配置，由MD5加密算法送至服务器进行检验。

2）从服务器获取表俱参数，如表类型，表地址，和网关的接口参数等。

3）定时器开启，在周期到达时，按照约定命令接口格式向所有主机发送表俱数据。

4）处理本地数据，当网络不通时，将数据存储在智能网关U盘中，网络恢复时补传数据到服务器。

5）智能网关和服务器之间采用心跳包方式保持连接，并通过心跳包向主机发送智能网关状态。

6）智能网关和主机之间的数据格式如下表。

包长度

（4字节） 命令类型4字节 命令私有数据 校验和

（3字节） 结束

（0x0d 0x0a）

2.2.2 电表数据采集线程

1）基于485串口总线的多功能电表、水表、燃气表可同时串联在智能网关的485接口上，由485串口读写线程统一管理。该线程根据核心线程获取的参数轮询采集电表的特定参数，将参数实时数值写在共享内存中，由核心调度线程发送给主机。

2）基于RS232的Zigbee协调器，由Zigbee串口线程负责采集无线Zigbee终端采集器发送过来的能耗数据，统一处理后记录在共享内存中，由核心调度线程处理。

3）采集数据线程关键需要解析特定电表采用的协议：比如Modbus协议、DLT645规约、常工电子多功能电表SIMS协议、CT188协议等。

2.2.3 Web服务器线程

Web服务器侦听线程程，主要是侦听Web服务端发出的命令请求，响应服务端的请求，比如采集特定表、特定时间内的参数，控制表的状态等，实现M2M人机对话功能。

3 实训模块

该系统有效监控建筑物的各项能耗信息，完成从表俱、传感器采集数据至后台云计算处理的全过程，非常适合建筑物联网专业学生进行综合实训。在实训过程中，可让学生完成实训系统的拆装布线，也可让学生针对单一模块功能进行完善或开发训练。具体实训模块如下。

1）综合布线模块：完成表俱的强弱电布线及Zigbee、智能网关的无线组网过程。

2）无线数据采集模块：完成Zigbee终端节点对传感器、多功能电表进行数据采集。

3）网关系统开发模块：完成Cotex A8网关的系统构建，对Uboot、Linux内核进行裁剪移植，制作rootfs文件系统，搭建上层应用。

4）网关控制模块：完成网关和服务器之间的身份认证、数据采集及定期发送功能。

5）Web系统开发：海量数据传送到云服务器后进行云计算，及时给出报表或控制末端设备，必要时发出报警信息。

4 结束语

本文根据我院物联网专业人才培养方案量身定制了一款综合实训平台与系统，实际授课过程学生不仅能对建筑物联网的全数据流程具有感性认识，而且还可以选择其中一个模块进行完善，提高自己物联网系统开发能力。

本系统可部署在学校、企事业单位的大型建筑物内，全面监控建筑能耗中的分类分项数据，实现数据的统计、报表及深度挖掘，满足国家对大型公建的节能减排政策的具体要求，具有推广价值。

基金项目

常州工程职业技术学院教育研究立项课题。

参考文献

[1]高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则.住房和城乡建设部，2009.

[2] DL/T-2007 645-2007多功能电能表通信协议.

作者简介

仲启秀，男，高级工程师，主要研究方向为嵌入式物联网技术与应用，主持开发国光《UT300 一体式Linux图形终端》产品，获常州市科技进步一等奖。