高校能源管理系統EMS平臺研究與構建

顧奕騰 葉小艷 張芒等

摘 要：文章提出了一個基于高校能源管理系統的設計方案，使用一種應用于能源管理系統數據采集接口的以太網控制器，以C8051F340、Windows操作系統的PC機、AD7755電量采集模塊構建能源管理系統的物理架構。采用C51語言和C#進行編程，利用TCP協議實現上位機和下位機之間的通信，完成數據采集及發送。該系統解決手工抄表效率低下的問題，將數據存儲、管理和利用，對數據進行有效的監測與分析，改變用能不可見、不可控的現狀，降低能耗成本，響應國家節能的政策要求等具有一定的實用價值。

關鍵詞：C8051F340；以太控制器；數據采集；能源管理系統

中圖分類號：F206 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）17-0056-03

近年來，高校擴大辦學規模、校園師生數量上升，教學設施增加，加速了能源的消耗。高等院校作為社會的重要組成部分，要積極抑制能源的不合理增長。貫徹落實科學發展觀，加強資源節約型、環境友好型校園的建設，節約不必要的校園開支、提高辦學的效益，為學校可持續發展奠定基礎，這就需要利用能源管理系統對將能源數據采集、存儲、管理和利用，改變用能不可見、不可控的現狀、降低能耗成本。以往人工進行抄表工作，不僅耗費時間長，還不能及時有效地對數據進行分析，加上手工錄入數據效率低下、正確率也受影響，統計報表問題自然是一項大工程，僅憑人力監管已經不能滿足當下的需求。隨著互聯網的普及與應用、網絡逐步趨向智能化，高校廣泛應用以太網技術，本文對基于高校能源管理系統進行了設計，給出基于以太網的遠程數據采集方案。

1 系統結構

1.1 系統的物理結構

運用以太網技術實現采集層與應用層層之間的數據傳輸，采集層由微控制器組成，微控制器通過ADE7755與電表進行連接，一個區域范圍內的微控制器通過網線與交換機連接組成一個采集點，各采集點之間通過路由器連接組成以太網，在應用層的PC機通過以太網連接核心路由，通過核心路由與微控制器進行通信，實現數據采集。物理結構如圖1所示。

1.2 系統邏輯結構

本系統的電量數據由數據采集結點通過以太網與應用層的的PC機進行通信，將數據傳輸到PC機上，PC機將數據存儲到數據庫服務器上。

用戶使用查詢等需要使用到數據的功能時，再經PC機從數據庫服務器讀取數據。系統的數據流向如圖2所示，本系統設計了一個采集接口，完成了數據采集的功能。

2 采集層硬件選擇

2.1 CP2200以太網控制器

CP2200由Silicon Laboratories公司開發的以太網控制器，性能較好，集成了IEE802.3以太網媒體訪問控制器、10 Base-T物理層，片內具有2 KB的發送緩存和4 KB的接收FIFO。

FLASH存儲器容量為8 KB，用作非易失性存儲器，其最后6個存儲單元存放工廠預編程的唯一48位MAC地址8位并行接口可以工作再復用或非復用方式，支持Intel及Motorola兩種總線方式（由MO-TEN位選擇），有多種中斷源，連接/活動LED指示，上電復位，I/O口均耐5 V電壓。

2.2 C8051F340微控制器

Silicon Laboratories公司推出的這款完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有高速、流水線結構的8051兼容的微控制器內核，自帶64 KB的FLASH ROM，256+K字節的RAM和外部并口數據存儲器XRAM，最重要的是因為主要是為TCP/IP協議族的嵌入提供了較大的數據處理空間和穩定性。

2.3 AD7755

AD7755是一款適用于單相配電系統的高精度電能計量IC。該器件規范超過IEC61036標準規定的精度要求。AD7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。

所有其它信號處理（例如乘法和濾波）都是在數字域實現的。這種信號處理方法可在隨環境條件和時間變化的很大范圍內提供優異的穩定性和精度。

電流通道提供高增益模式，可直接連接低阻值分流電阻器而不損失動態范圍，因而選用它。

3 AD7755與微控制器接口

使用CF高頻輸出，頻率設置為2048（F1，F2）。這要求設置高頻（SCF=0和S0=S1=1），見表1。

當滿度交流信號添加到模擬輸入端的時候，CF輸出頻率可在5.6 kHz之間波動。方案可以數字化輸出頻率，實現平均作用如圖3所示。

如圖所示，頻率輸出CF端接到MCU的計度器或端口，MCU在內部定時器設定的積分時間內對CF輸出的脈沖計數，平均功率正比于平均頻率，由下式確定：

平均功率=平均頻率=脈沖個數/積分時間；

在一個積分周期內消耗的電能為：

電能=平均功率×積分時間=（脈沖個數/積分時間）×積分時間=脈沖個數。

4 軟件設計

4.1 下位機軟件設計

在初始化的時候進行IP的設置和子網掩碼的設置

微控制器通過接收脈沖個數計算用電量，以兩個脈沖為0.001度，通過void read_DL_input（void）函數進行換算。

4.2 上位機軟件設計

上位機軟件采用基于.net framework 4.0框架，C#語言開發，利用TCP傳輸協議，采用Socket類對下位機進行連接，從而產生通信，發送采集命令得到數據的返回。將上位機作客戶端，下位機作服務端，向正在監聽的服務端發送命令請求，得到服務端的數據回復。如果服務端出現故障無法回復，則會記錄故障的服務端IP，從而對其進行檢修。

客戶端采集流程如下：

①利用TcpClient的構造函數創建一個TcpClient對象；

②使用Connect方法進行連接。

③利用TcpClient對象的GetStream得到網絡流，然后利用該網絡流和服務器進行數據通信。

④創建線程對指定端口進行監聽，對服務端發送的數據進行監聽。

⑤完成采集工作的時候，發送關閉連接的指令，關閉與服務器之間的連接。

之所以選擇TCP協議而不使用UDP協議為傳輸控制協議，綜合UDP和TCP協議的優缺點，基于TCP是面向連接的、可靠的傳輸協議，傳輸的數據不丟包、能進行錯誤檢測等優點，最終采用TCP作為數據傳輸協議。

主要功能模塊為數據采集模塊和記錄查詢模塊，其他功能模塊基于這2個模塊繼續拓展，主界面，如圖5所示。

5 系統測試

首先，打開數據采集界面，搜索一個采集點的所有微控制器的信息，點擊全選，對該采集點進行電量的采集，采集結束后，顯示采集成功和失敗的信息，采集界面，如圖6所示。

然后，打開數據查詢界面，對采集的數據進行驗證，經驗證，采集到的數據存儲到數據庫中，數據查詢界面，如圖7所示。

對系統采集功能進行測試，經測試，系統能夠快速地完成數據采集，采集到的數據能存儲到數據中。

6 總結與不足

本文設計了應用于高校能源管理系統數據采集接口的以太網控制器，解決AD7755與微控制器（MCU）接口問題，使用AD7755進行計量，解決了電量采集問題。

完成能源管理系統的構建，使用TCP/IP協議實現了數據采集的功能，完成了遠程集抄，解決人工抄表帶來的效率低下問題。

為能源管理后續功能的開發奠定基礎，唯一的不足之處是當微控制器掉電之后，存儲在微控制器本身的電量變量會初始化，這里提供兩種解決方案：

①利用SD卡，將電量變量存儲在SD卡中。

②使用EEPROM，只要5 min內未檢測到脈沖就將電量變量存儲到EEPROM中，微控制器初始化的時候在EEPROM中讀取電量變量，前提是為微控制器提供外接電池，提供斷電后的電源供應。

在后續研究中將考量兩種解決方案，完善能源管理系統，并對報表和圖表等相關功能進行后續的開發。

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