基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統設計

劉倍菡，李樹林，井含香，張建平

（1.國網甘肅省電力公司市場營銷事業部，甘肅 蘭州 730000；2.國網定西供電公司，甘肅 定西 743000）

電資源是不可再生的二次資源，所以我國提出節約電資源的政策，目前市面上的用電信息采集終端控制系統采用信息終端上下行采集協議，協議在系統運行理論中不存在任何弊端，但是在實際運行中信息的上行和下行采集協議出現偏差，不能滿足用電信息采集的規范性和控制性[1]。

為了提高各種設備用電量總結與評估的便利性和準確度，采用了用電信息采集終端控制系統。用電信息采集終端控制系統是集成采集器、終端管理器、脈沖器的一個微型系統，目的是實現對電信息的精確采集、及時查看設備電能輸出狀態、提高電資源的輸送管理。文中根據哈希函數的調用特點，突破傳統用電信息采集終端控制系統的設計理念，分別設計基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統的硬件區域和軟件區域，實現提高系統的采集效率和控制效果。

1 系統硬件分析

硬件主要由信息采集器、脈沖器和處理器三部分組成，系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統硬件結構

1.1 信息采集器

信息采集器是基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統硬件區域的重要器件，文中采用RTU78系列的采集器，該采集器主要由電能表、設備接口、存儲模塊以及采集終端模塊構成[2-3]。信息采集器結構如圖2 所示。

圖2 信息采集器結構

WRT 電能表的工作電壓為220 V，工作頻率為50 Hz，電能表的接線方式為三相四線，內部電源電路為交流電表，極限溫度為-40 ℃和+70 ℃，最高的承載電流為100 A，對應的承載功率為66 W，電能表的尺寸為203 mm×125 mm。設備的接口分別為RS45接口、無線接口、串行通信接口、type-c接口以及光纖接口。每種類型的設備接口的信息傳輸速度都至少可以達到256 Mbps，端口的波特率為9 600 bps，并且遵循RS232C 標準[4-5]。存儲模塊會短暫地存儲某一部分的用電信息，當一段用電信息全部采集后，硬件區域的處理器再將信息從存儲模塊中整體調出，此存儲模塊的存儲空間為64 GB[6-7]。

采集芯片是一個系統硬件區域的制動核心，只有芯片的性能達到極限，才可以制動硬件區域的其他設備，使系統穩定運行。為了達到研究目的和系統運行效果，系統硬件區域的芯片采用ARM9 架構的AT9lSAM9260 高性能電能計量芯片。芯片采用8通道的設計模式，分別應對用電信息采集、計量、信息輸入輸出以及脈沖輸入輸出等功能，并且預留出兩個備用通道，每個通信通道支持并配備8 個電能測量表，以實現用電狀態的評估[8-9]。芯片的內置存儲空間為128 GB，信息數據的有效保存時間為3 年，AT9lSAM9260 芯片的通信方式為RS485，具有限流功能[10-11]。芯片內安裝了NAND flash 轉接板、PIC 單片機和AVR 單片機，保證系統采集的用電信息的安全性和保密性。采集芯片如圖3 所示。

圖3 AT9lSAM9260芯片

1.2 脈沖器

脈沖器的任務是根據設備的電能信號波動情況，為電能的計量提供準確的數據計算基礎。文中采用GJI987 脈沖器，此脈沖器由電源模塊、脈沖信號識別模塊、看門狗組成。脈沖器結構如圖4 所示。

圖4 脈沖器結構

為了保證系統具有超長的工作續航能力，電源模塊采用線性220 V 的交流變壓電源，電源可以根據系統運行的電壓強度進行合理降壓，避免系統的內部電壓過高導致設備出現腐蝕的情況。電源模塊內置一個EMC 電源濾波器，濾波器進行電源濾波操作的驅動電容為10 μF，電源濾波器最大的優勢是可以隔離不同類型的數據信號并抑制外界高頻信號的干擾。脈沖信號識別模塊分為兩部分，一部分是表脈沖信號識別，另一部分是遙脈沖信號識別，因為兩種信號的波動頻率與規律不同，因此分開識別可以保證用電脈沖信號識別的精度。看門狗器件的設計用于防止程序跑飛，硬件看門狗器件對于冗余干擾的用電信息不能完全清除，就會導致系統自動復位重啟甚至系統癱瘓的情況發生，看門狗采用10 ms 定時觸發，無需工作人員協作即可自動工作[12-13]。

1.3 處理器

處理器是基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統硬件區域重要器件之一，處理器的工作是實時監控并維護系統內各個器件的正常運轉，文中采用Cortex-M3 系列的STM32F107 內核處理器，此處理器包括雙管正激電路和主板。雙管正激電路根據直流斬波原理，合理地設計并控制電路內的多路信號正常傳輸，不發生碰撞。處理器采用超線程技術，內置8核心16線程，提高用電信息的采集速度和系統的響應速度，處理器的熱功耗為65 W，高速緩存為12 MB，可保證數據采集的全面性及通信的可靠性[14]。

處理器電路圖如圖5 所示。

圖5 處理器電路圖

主板采用z490 系列主板，該主板可以根據系統的運行狀態自動觸發散熱功能，支持硬件系統其他器件的協作和網絡通用協議。用電信息采集終端控制系統的運行網絡不同于其他網絡，所以需要特殊的設計，文中采用ZigBee 網絡提供服務，網絡對于不同的用電信息存儲庫都具有訪問權限，在一定程度上簡化了用電信息采集的工作流程，并保證用電信息的安全性和保密性。

2 系統軟件分析

哈希函數是一種普通的線性函數，根據固定的哈希表計算某兩個變量之間的關系，哈希函數的優勢是具有權衡計算功能，避免系統內硬件區域和軟件區域之間運行出現碰撞。哈希表的計算原理是將數據代入哈希函數，實現數據的采集和存儲。對于文中的哈希函數的用電信息采集終端控制系統來說，用戶的用電信息就是哈希函數的自變量，通過哈希函數計算出需要采集用電信息的存儲地址，提高用電信息采集的可靠性。哈希函數中平衡度的計算公式如下所示：

其中，r表示自變量值域中原像的數量；d表示用電信息集合的大小。

哈希函數計算系統在完成采集用電信息任務過程中，硬件區域和軟件區域發生沖突的概率計算公式如下所示：

其中，c(F,N)表示沖突的概率；N表示哈希函數計算的次數；μ表示數據采集沖突平衡系數。

在計算了哈希函數的平衡度和任務沖突率后，文中最后通過映射法則構建哈希哈數，哈希函數的表達式如下所示：

其中，K表示哈希表的檢索值；a、b表示常數[15-16]。

通過以上對哈希函數、系統硬件區域各個器件功能的分析和設計以及系統工作網絡協議的設計，文中總結出基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統的工作流程，系統流程如圖6 所示。

圖6 基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統流程

1）首先用電信息采集終端控制系統對需要采集的用戶用電信息向ZigBee 網絡發送請求，建立一個合法的數據采集終端ip 地址[17-18]。采集權限獲取成功后，根據用電信息采集的種類執行不同的脈沖信號識別器，調用哈希函數，檢索用電信息的存儲地址，并驅動系統硬件區域的處理器和數據采集器共同運行，為用電信息的采集提供基礎。

2）在用電信息采集過程中，存在一個信息驗證，用于對照系統采集信息的準確度，如果驗證錯誤，則重新調用哈希函數，完成用戶信息地址的重新檢索，重復驗證步驟，直到驗證通過。

3）用電信息采集完成后，將信息上傳至系統硬件區域的存儲器和芯片內，完成用電信息的存儲和備份。

4）在用電信息采集終端控制系統運行過程中，一旦系統出現黑屏、斷開連接、短路等運行問題時，系統立即調用處理器快速檢測硬件區域內設備斷開前的工作狀態，同時觸發脈沖器，恢復系統的運行，向系統管理員發送預警通知。

3 實驗分析

通過以上對基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統的設計和分析，為了驗證文中設計的系統具有實用性，進一步進行對比實驗分析。為了避免實驗的偶然性，文中選擇基于信號變換函數的用電信息采集終端控制系統和基于多源異構函數的用電信息采集終端控制系統兩種對照系統共同完成實驗。在實驗進行前，將3 種用戶信息采集終端控制系統分別錄入3 臺電腦內，并且3 臺電腦連接3 個數據分析器，實時記錄系統采集數據時的系統運行參數，為實驗結果的分析提供準確的數據基礎。為保證實驗的科學性和合理性，文中選擇采集的是同一小區內的3 家用戶的用電信息，當3 臺電腦全部向數據分析器提供用電信息后，停止實驗，匯總實驗數據，清理實驗場地。

系統功率消耗實驗結果如圖7 所示。

圖7 系統功率消耗實驗結果

通過對實驗數據的匯總和分析得出，文中研究的基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統比傳統的用電信息采集終端控制系統具有實用性。基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統完成3 戶用電信息采集任務消耗的功率為30 W，然而基于信號變換函數的用電信息采集終端控制系統和基于多源異構函數的用電信息采集終端控制系統完成用電信息采集任務消耗的功率分別為60 W 和55 W，得到這一實驗結果的主要原因是哈希函數通過平衡系數和沖突概率的權衡，一方面減少了系統內設備沖突產生的功率，另一方面系統硬件區域線性電源根據用電信息的多少，提供對應級別的工作電壓，減少系統的功率消耗。因為基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統硬件區域的芯片具有處理緩沖空間，節省系統完成采集任務中的排隊時間，提高系統的工作效率。用戶信息采集終端控制系統的信息正確匹配度是衡量系統性能的關鍵因素，如果采集的用電信息正確匹配度低，那么也不具備實用性。

綜上所述，基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統比傳統的用電信息采集終端控制系統的性能高，具有實用性。

4 結束語

文中首先研究了基于哈希函數的用電信息采集終端控制系統硬件器件的功能和設計，然后在系統軟件部分實現哈希函數的合理調用，更新網絡數據采集協議，保證用電信息采集終端控制系統的正常運行。最后通過對比實驗分析驗證文中研究的系統具有實用性，能夠提高用電信息采集和管理的效率，促進用電信息采集的發展。