基于中間件和流計算的跨業務綜合能源信息采集系統

張宇婷，李如雄，孫慶恭，席榮軍，唐堅釗

（廣東電網有限責任公司汕尾供電局，廣東汕尾 516600）

世界范圍內的能源安全和環境污染問題迫使人們改變現有的能源消費模式[1]。電力、天然氣和熱能的綜合利用，對于提高能源利用效率、降低能源成本具有重要意義[2]。當前，能源系統有其自身的收費方式和獨立的收費模式，為用戶付費和查詢能源信息造成了極大的困難[3]。因此，應選用較成熟的跨業務綜合能源信息采集系統，盡量避免重復建設。

傳統的基于STM32 的信息采集系統[4]，以STM32 F103ZET 處理器為硬件平臺，在該平臺上擴展信息識別模塊，結合RFID 技術確定跨業務綜合能源信息，然后利用上位機Modbus 協議實時采集相關信息；基于ARM 目標板的信息采集系統[5]，在Linux 編程系統及嵌入式GIS 平臺支持下，搭建嵌入式采集結構，并成功將其移植到ARM 目標板上，由此完成信息采集。然而，跨業務綜合能源信息采集過程對系統模塊化的要求較高，傳統的采集系統擴展性能不好，且容易受到諧波分量影響，導致采集過程的功耗和延時均較大。

為此，針對傳統系統存在的不足，設計了基于中間件和流計算的跨業務綜合能源信息采集系統。

1 系統硬件結構設計

系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

系統的硬件結構采用模塊化的設計思路，MCU主控單元包含低壓無功補償控制器。利用GPRS/CDMA/4G 數據通信方式，以公用移動通信網為載體，輔之以RS485 總線和紅外線，實現遠距離抄表、異常信息報警、負載管理與控制等功能[6]。將MCU的主控制單元作為主控制和管理對象，采集跨業務的綜合能源信息。

1.1 信息采集模塊

跨業務綜合能源信息采集需要對模擬和數字數據采集進行設計。在STM32F4 系列單片機中，三個ADC 均是12 位連續、近似模擬到數據的轉換器，具有19個通道，可以單獨使用，也可以協同使用[7-9]。這種信道的變換分為單模式、連續模式和間斷模式，變換結果被保存在16 位數據存儲器。其最大轉換速率為2.4 MHz，也就是轉換時間為0.41 μs，ADC 可同時進行注入和常規兩個通道轉換，以此來滿足不同的AD 轉換要求[10-12]。通過降壓和信號調理電路，使模擬量能夠滿足AD 采集要求。同時，該電流信號還需要經過電流互感器處理，才能輸入AD 采集電流信號[13]。

1.2 電源模塊電路

在電路板中，電源模塊是核心模塊。電源模塊負責把外部電源轉換成電路板所需的電壓，并為系統供電，滿足電路板所需的各種電源[14]。以ADP7159 芯片為基礎設計電源模塊電路，其結構如圖2 所示。

圖2 電源模塊電路

圖2中，芯片ADP7159的輸出電流可以達到3 A，工作電壓范圍為0.5～1.5 V，能夠滿足新興應用的高電流需要。ADP7159 芯片擴展了LDO 輸出電流范圍為2～3 A。超低頻與高PSRR 性能相結合，可設定新的LDO 功率級基準。

1.3 EEPROM存儲模塊

EEPROM 是一個可擦除可編程的存儲器，該存儲器可清除電腦或特殊裝置上已有的資料，重編程序，即插即用[15]。當寫入數據時，EEPROM 仍然需要一些編程電壓。使用制造商提供的特殊刷新程序來重新編寫內容，所以EEPROM 屬于雙電壓晶片。當跳線開關調整到“ON”位置時，相應增加編程電壓即可輕松升級芯片[16]。當跳線開關調到“OFF”位置時，BIOS基本輸入輸出系統借助于EEPROM 芯片的雙電壓特性，能夠抵抗非法修改BIOS 芯片的CIH 病毒。

1.4 LCD顯示模塊

LCD 控制器內配有S5PV210 處理器，控制采集系統界面顯示，并將系統存儲器上LCD 圖像數據傳送給外部LCD 驅動接口。

1）LCD 驅動器

LCD 驅動器通常與液晶面板集成，該面板需要一些模擬電信號來控制LCD 顯示界面。LCD 驅動芯片負責提供控制LCD 顯示界面的模擬電信號，驅動器的控制信號(數字信號)是從LCD 控制器提供接口發出的。

2）LCD 控制器

LCD 控制器被集成到SOC 片上系統，通過數字接口給LCD 驅動器提供像素數字信號。按照一定時序與LCD 驅動器進行通信，而SOC 片上系統會把像素數據從內存中提取出來給LCD 控制器，并傳送給LCD 屏幕顯示模塊。

3）LCD 屏幕顯示模塊

將顏色數據存儲在SOC 片上系統中，與LCD 控制器中的像素數據形成映射關系。兩者關系建立之后，LCD 控制器會自動地從顯存中讀取顏色數據，并把這些數據傳送給LCD 驅動器。LCD 驅動器會自動控制每一個像素的LCD 分子來形成最終圖像。

2 CORBA中間件設計

中間件負責在硬件和軟件之間提供公共服務，具有標準程序接口和協議，主要負責處理不兼容的操作系統或文件結構，并調節客戶機與服務器之間的通信效率。中間件通常是在網絡層或傳輸層之上工作，不依賴底層通信服務。使用CORBA 中間件能夠解決不同跨業務綜合能源方面的數據傳輸問題，實現了基于互連的應用程序間的交互操作。

CORBA 中間件的主要設計思路是結合分布式計算模式和面向對象思想來構建分布式應用。CORBA 架構是在兩個傳統客戶服務器層之間增加一個中間層，可以改善傳統主從式結構缺陷。CORBA中間件體系結構如圖3 所示。客戶機應用程序需要從網絡中的某個地方獲取某些數據或服務，這些數據或服務可能位于不同的操作系統和特定的查詢語言數據庫中。客戶端/服務器應用程序中負責數據查詢的部分僅要求對中間件系統進行訪問，通過CORBA 中間件可以找到數據源，然后發送客戶請求和回復信息，由此得到的結果返回到應用程序中。

圖3 CORBA中間件體系結構

3 系統軟件設計

由于跨業務綜合能源信息是大規模流量信息，使用傳統數據分析模式容易出現數據丟失問題，因此，提出了基于流計算的信息實時分析方法。使用流計算方法實時分析有用信息，并將分析結果發送給下一個信息采集節點。基于流計算的信息采集節點確定流程如圖4 所示。

圖4 基于流計算的信息采集節點確定流程

基于該流程，以電、水、氣、熱四種能源采集任務為例，調度信息采集任務。

步驟一：信息采集系統是以信息采集頻率動態更新信息聚類的，并對采集過程中丟失的信息進行控制。

由于系統中不斷涌入大量新信息，因此需要對歷史信息進行聚類處理，才能保證信息不會丟失。聚類中心計算公式為：

式（1）中，α表示延遲因子；at表示新存儲到數據庫中的數據信息；λt表示歷史信息聚類中心。

步驟二：大量新信息聚類后，分析未超出系統采集頻率范圍的相關任務，將該任務作為控制目標；

步驟三：當采集頻率過高時，整個采集系統仍是由系統CPU 控制的，此時使用傳統系統難以滿足實時處理信息需求。為此，必須切換綜合功耗小的硬件，判決根據如下：

式（2）中，Esa表示軟件執行所消耗的功率；Ehs表示硬件空閑所消耗的功率；Eha表示硬件執行所消耗的功率；Ess表示軟件空閑所消耗的功率。

步驟四：在CPU 和可重構計算單元都可以正常完成計算的情況下，若硬件設備處于OFF 狀態，則需要配置可重構設備。當時間t滿足式（3）所述條件時，表明硬件任務的執行功耗大于軟件任務的執行功耗，并對可重構設備進行配置，以完成硬件任務。

式（3）中，Ehb表示重構組件執行所消耗的功率。

步驟五：在確定功耗最低的軟件程序和硬件結構后，所應用的組合系統即為信息采集效率最高的系統。結合圖4 確定信息采集節點，通過流計算分析信息，由此完成信息采集。

4 實驗與分析

為驗證上述設計的基于中間件和流計算的跨業務綜合能源信息采集系統的應用性能，將基于STM32 的信息采集系統（W1）、基于ARM 目標板的信息采集系統（W2）與該研究系統（W3）作對比，結合仿真環境分析不同系統的性能。

實驗采用Spark-0.8.0 版本處理平臺，該平臺是一種高吞吐量分布式平臺，可以采集綜合能源信息系統中的全部數據。在該平臺上模擬了150 萬次采集，采集任務種類如下：執行Web 任務，采集30 萬次；執行接口任務，采集22 萬次；執行后臺任務，采集31 萬次；執行實時自動任務，采集20 萬次；執行歷史自動任務，采集22萬次；執行歷史補錄任務，采集25萬次。

分析不同系統功耗異常對話框彈出次數，對比結果如表1 所示。

由表1 可知，使用兩種傳統系統時，功耗異常對話框彈出次數較多，說明使用傳統系統出現過負載現象較多，導致信息采集任務無法精準執行。而使用基于中間件和流計算信息采集系統在執行實時自動任務時，出現一次功耗異常對話框。說明執行該任務時，信息量較大，導致系統出現過負載現象，導致實時自動采集節點時出現延誤，但并不會給系統帶來影響，可忽略不計。

表1 不同系統功耗異常對話框彈出次數對比分析

分別使用不同系統分析不同任務的執行完成時間，結果如圖5 所示。其中，負向數值代表系統存在延遲。

圖5 不同系統不同任務的執行完成時間對比

由圖5 可知，使用基于STM32 和基于ARM 目標板的信息采集系統，在執行Web 任務、接口任務、后臺任務、實時自動任務時，會出現執行時間延遲問題，導致執行完成時間較長；而使用基于中間件和流計算信息采集系統時，不會出現執行時間延遲問題，執行完成時間較短。

5 結束語

未來的跨業務能源采集系統的開發將逐步由單一能源采集轉向多能源統一采集。多功能采集系統對終端開發方案提出了更高的要求，既要保證采集任務按性能要求完成，又要保證終端具有低功耗、低成本等特點，否則將失去其普遍適用的意義。該研究以中間件技術和流計算法為基礎，設計了一種跨業務的綜合能源信息采集系統，為下一步能源開發提供了參考。