基于Nios II技術的建筑能耗分項計量集中采集裝置的設計

李 軍

(武漢職業技術學院 電子信息工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著我國經濟的發展，公共建筑高耗能的問題日益突出.據統計，國家機關辦公建筑和大型公共建筑年耗電量約占全國城鎮總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通居民住宅的10～20倍，是歐洲、日本等發達國家同類建筑的1.5～2倍.目前建筑能耗監測工作進展緩慢，其中所采用的技術及其實現成本是主要影響因素之一[1]33-42.

1 技術現狀

1.1 傳統機械式儀表加裝電子遠傳

在機械式電能表轉盤處加裝光電轉換器、在指針水表的指針處加裝磁電轉換器等，將一次計量儀表的機械旋轉轉換為相應的電子脈沖信號以實現能量計量數據的電氣轉換.缺點是，遠傳脈沖信號傳輸距離有限，易受外部電磁干擾；而且還需額外配置脈沖采集設備，倘若一次儀表數量較多，集中采集裝置接線繁冗、結構復雜，且維護困難.

1.2 基于單片機技術的能耗采集設備

通過將傳感器、AD轉換器與單片機相集成并結合相應的嵌入式處理軟件構成特定能源的計量采集設備.由于單片機外部I/O數量及內存容量的限制，此類設備只能完成單一能源的數據采集任務，而且數據傳輸只能是慢速的串行通信方式，尤其是缺乏對能源數據的分析、處理和保存能力.

1.3 基于電子式多功能電能表的低速集采系統

電能表由專用電能計測IC芯片與低端單片機結合構成，其中，計測芯片完成電信號的模數轉換及數據處理，單片機則讀取計量數據并以低速串行信號遠傳，其中最為廣泛采用的是美國Analog Devices公司出品的ADE7500和ADE7700系列單相或三相電能計量IC.此類系統實現了電能數據的分布式采集和網絡化傳輸，但是由于儀表終端設備的計算能力不足，對于能耗數據的處理能力有限，需要過多的依賴于上層計算機軟件系統進行數據的分項統計和分析.

1.4 可編程邏輯控制器(PLC)或遠程終端控制系統(RTU)

PLC解決方案來源于工業自動化集散控制系統，而RTU系統則最初應用于電力能量管理系統，其硬件結構都是模塊化設計并具有較強的數據處理和網絡通信能力.雖然PLC和RTU都可實現能耗的計量和采集，并有在建筑領域中的成功應用，但是其昂貴的初始成本和維護費用卻難以被民用用戶廣泛接受.

1.5 專用的能耗監測與能量管理系統[2]9-11

研發實力雄厚的大公司都根據自身的產品特點開發的能源監測系統解決方案.如，西門子公司提出了“全集成電能管理”理念并推出其在建筑行業的能耗監測系統解決方案；又如，ABB公司的i-bus EIB智能建筑控制系統、施耐德公司的PowerLogic ION-E系統都是建立在其電能監測設備上的能耗計量與采集系統.這些系統功能完備、性能優異，但是價格昂貴，而且對已有的眾多其它廠家能量儀表的兼容能力有限，對于即有的公共建筑而言也不是最佳選擇.

2 存在問題

第一，傳統儀表與智能儀表共存，數據輸出方式不統一、通信接口及協議多樣、通信速率偏低，這些都為構建標準化的建筑能耗監測系統帶來了技術障礙.

第二，功能單一化、采集的能源數量有限，往往是每種能源都采用不同型號甚至不同廠家的監測儀表，而且每路能源必須配置單個監測設備，導致監測系統結構復雜、成本高昂.

第三，數據處理能力不足，尤其是不能分析能源的時間分布及電能質量，若依賴上層監測軟件實現這些功能，其計算負擔過于繁重，容易導致系統不穩定.

第四，缺乏數據存儲能力，完全經通信網絡傳輸給上位機保存，若網絡出現故障，容易導致能耗數據丟失，從而會導致建筑能耗評估結果與實際不符甚至出現錯誤.

3 設計方案

以Altera公司的Cyclone系列FPGA為平臺，實現NiosII +外設+自定制IP的硬件定制，其結構示意圖圖1所示下：

圖1 系統結構示意圖

3.1 硬件開發

PIO模塊實現脈沖輸出形式的能量計量儀表接口，RS485構成下行網絡，NiosII作為485總線的主控器，從具有標準485接口的能量計量儀表讀取能耗數據，CAN作為備用總線接口與具有CAN接口的設備進行通訊，RS232既可作為通訊接口，也可作為現場調試的接口，SPI接口實現SD卡的讀寫.而以太網則構成上行網絡，完成與中心服務器的數據通訊.上述模塊均可根據用戶需求進行裁剪或者擴展，靈活定制.

3.2 軟件開發

在該平臺上移植嵌入式實時操作系統，編寫自定制模塊的驅動，完成SD卡FAT16文件系統及圖形交互界面的驅動開發，并完成各種通信規約包括Modbus，MeterBus等的實現.此外，實現三相電能質量分析的信號分析算法，主要是低通濾波、FFT頻譜分析等.

4 關鍵技術及其特點

4.1 模塊化靈活定制的硬件結構設計[3]38-40

基于可配置的CPU軟核和強大的IP庫，能充分發揮NiosⅡ系統硬件結構靈活可配置的特點，開發出具有良好的兼容性和可擴展性的系統.而且可以根據成本控制的需求，在統一的硬件結構上，對外設接口資源進行裁剪，滿足不同用戶的現場情況，避免重復開發.

4.2 高性能的實時能耗質量分析方法實現

Nios II采用流水線技術、單指令流，采用哈佛體系結構，基于RISC指令集，地址、數據、指令均為32位，最高性能可達到200MIPS，另外可以根據系統需要定制硬件FFT核，掛接到系統的Avalon總線上，采用硬件FFT來完成三相電能中的諧波分析，可以高度實時，并節約大量的軟件指令執行時間.

4.3 統一的軟硬件接口實現各種能耗數據的采集和計量

基于Nios II技術設計能耗采集裝置，可充分擴展各種工業標準的通訊接口(包括以太網口)，實現諸如Modbus協議等通用能量表的通訊協議，最大限度的兼容各種一次能耗儀表的輸出信號，對各種不同形式的能耗分項計量、集中采集，通過以太網口構建的網絡，與中心服務器交換數據，形成各項能耗數據庫，為能耗分項計量提供堅實的數據支撐[4],[5]82-86.

通過在Avalon總線上擴展大容量SD卡控制器并實現文件系統，可以實現采集到的能耗數據本地備份.在線網絡和離線存儲相結合的方式，保證了數據完整性和真實性，此技術特點在網絡故障時顯得尤其重要.

4.4 技術指標

輸入接口：至少支持24路的脈沖量輸入和6路模擬量輸入.

通信接口：實現4路UART控制器，一路擴展為RS232，兩路擴展為RS485，一路擴展為CAN；實現100M以太網接口.

存儲器：8MB FLASH+16MB SDRAM.系統的SD卡接口可支持2GB的離線存儲容量.

實時時鐘：采用I2C接口的實時時鐘日歷芯片PCF8563，對采集到的能耗數據加入時間戳.

分析能力：對三相交流電，硬件流水線FFT核可對6路數據實時處理到63次諧波.

采樣率：Delta-Sigma AD控制器可提供12bit精度的數據，提供500kbps或更高的采樣速度.

人機交互：通過GPIO擴展4*4鍵盤和圖形LCD.

5 結語

隨著大規模集成電路技術、嵌入式軟件技術及通信網絡技術的發展，尤其是將三者有機結合以Nios技術為代表的可編程片上系統技術(SOPC)的突飛猛進，將目前建筑行業中的多種能耗采集方式統一化、標準化、智能化已成為可能.借助該技術的硬件可配置、軟核可定制的優良性質，尋求最佳的系統技術方案，是解決目前建筑分項能耗采集技術問題的必然選擇.

[1] 王文明，鄧 軍，王嚴卿，蘇九生.公共建筑能耗動態監測與信息管理系統的建立、運行及預期效益分析[J].節能，2013(4).

[2] 安 然. 大型公共建筑能耗分項計量系統分析[J].四川建材，2011(6).

[3] 泰 豪.分項計量系統在大型公共建筑中的應用[J].智能建筑，2010(4)．

[4] 孫 超.基于GPRS技術的智能網關在大型公共建筑能耗監測系統中的研究與應用[D].安徽：合肥工業大學，2011.

[5] 彭繼剛，李 璇.基于ZigBee技術在能耗監測系統中的應用 [J]. 信息技術與信息化2010(5).