高等学校建筑节能监管系统建设浅谈

天津工业大学 叶 冉

高等学校建筑节能监管系统建设浅谈

天津工业大学 叶 冉

在基础设施和基础服务平台之上，以工业实时Web服务、国际标准OPC服务、现场设备组态以及安全门户服务为核心技术基础，融Web报表服务、Web地图服务为一体，构建符合分布式监控、网格化管理、应用层大集成而需要的数字节能监管系统，包括了校园电能计量管理系统、校园供水管理系统、校园路灯智能管理系统、消防管网用水监管系统、节能管理专家系统（能源综合分析系统）、能源审计管理系统等，如图1。

一、服务及软件

(1)服务及软件具备安全、稳定、可靠、易用之特性；

(2)校园节能监管平台及各相关系统是完全基于工业监控级的实时WEB服务；

(3)系统实现分级授权及身份认证管理；

(4)服务器操作系统采用Microsoft Windows Server2003；

(5)系统采用MS SQL Server 2005数据库服务系统；

(6)系统具备灵活的报表管理和各类格式的报表导出功能；

(7)系统提供集成于浏览器的报表调阅及打印功能；

(8)系统网络中断、维护情况下的离线数据缓存及网络恢复后的数据完整性自动修复功能，保证了网络出现问题情况下的数据完整。

二、面向服务的接口框架

系统支持SOA的集成架构，部分应用组件中已经广泛采用了先进的WebService接口。

开发路线和设计方案详细如下：

1.构建服务

基于JAVA，采用SCA(Service Component Architecture服务组件架构)框架，主要通过WSDL(Web Service Description Language)开发和描述服务接口，采用松耦合的形式构建各部分数据的访问服务以及各类应用的服务组件，集中对外提供基于Web Service的服务调用。

系统将服务接口、实现、部署、调用完全分离，通过配置的形式灵活的组装，绑定，既能够对各类服务应用的访问接口分散开发，同时又可以集中控制服务访问权限，实现服务访问审计。

2.实现服务通信

各服务模块之间，以及服务与后端应用程序之间能够可靠地相互通信，在服务的调用方面支持多种传输协议以及多种通信模型，传输协议包括HTTP、HTTPS、JMS等协议，通信模型则提供同步和异步通信。

3.确保服务安全

能够持久有效的保护和管理服务，提供对服务调用的安全、审核和日志管理。

三、应用程序的开发和运行结构

系统开发及运行结构基于后台数据库的三层架构，即Web服务器、应用服务器和数据库服务器：Web层负责对应用的展示，应用层封装业务逻辑，数据库服务层提供联机事务处理。在三层架构基础上，采用MVC(Model-View-Controller)加上服务容器的体系架构，支持各层之间的松耦合，从而做到服务到业务流程的可配置和可重构。将其它应用包装为服务，有效、无缝地接入到服务容器，实现与其它应用程序集成。

图1 基础设施和基础服务平台

采用基于Eclipse的集成可视化开发环境，集分析、设计、构造(开发/编译/测试/打包)、部署等于一体，从需求分析、设计到代码自动生成，均在统一的开发环境中完成，实现了开发过程的自动化、规范化、标准化，保证了从需求到实现的一致性和可追踪性。

四、RS-485通信方式的特点

1.RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

2.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

3.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

4.RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9(孔)，与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9(针)。

在使用RS485接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。RS-485总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

五、本系统数据采集传输方案

通过以上分析，结合高校的具体情况，由于校区的建设中，线路的铺设均采用了标准方式，在原有基础上，再增加有线传输方式比较方便，所以将主要以“RS485+校园网”的通讯方式为主，如遇特殊情况，在铺设线路有困难或成本过高时，适当配合其它通讯方式。

数据采集和传输方案如下：

1.水、电、气等能源计量仪表数据通过RS 485传输到智能网关；

2.智能网关安装在各个单体建筑相应的弱电配电间，实现RS 485到TCP/IP协议的转换，再传输到校园网的网络设备上；

3.校园网的网络设备同时安装在各个单体建筑相应的弱电配电间，组成一个虚拟专网，专门用于传输数字节能校园的数据到中心机房；

4.在中心机房通过汇聚设备收集各个单体建筑传输来的数据给相应的服务器去分析处理，结果传输到管理中心。

六、数据网关技术要求

1.具有低功耗嵌入式系统/微控制器结构，最大电源消耗不大于10VA；

2.具有接收计量装置输出的四种标准信号功能：RS485信号、脉冲信号(干接点)、电流信号(4~20mA)、电压（0~10V）信号；

3.支持DL/T 645-1997、CJ/T 188-2004通信规约和技术条件；

4.支持两种数据采集模式：数据中心指令采集和主动定时采集，且定时采集的时间间隔可以秒为单位进行配置，其范围为60秒—86400秒(一天)；

5.具有数据采集、数学运算、分类/分项能耗值的计算功能；

6.具有处理更换计量装置时的归零、底码等处理功能；

7.具有实时时钟和自动同步功能；

8.具有存储至少4周历史数据(按10分钟保存1次数据计算)的能力，且存储容量不小于2GB；

9.具有识别和传输计量装置运行状态的能力；

10.具有高可靠性，平均无故障时间不少于10万小时；

11.具备1个RS232系统配置接口(也可通信用)、2个10/100Mbps以太网络接口、2个USB2.0 Host接口、1个USB2.0 Device接口、1路数据及电源隔离CAN-Base2.0总线接口；

12.具有6个隔离的RS485总线接口，每条总线至多可连接128台计量装置，其通讯波特率为1200—115200bps(可选)。注：组网时每条总线按照32台计量装置配置，确保系统实时性、可靠性；

13.具有MiniPCI接口，可以扩展3G模块、GPS模块、GPRS/GSM模块、CDMA模块、WiFi/蓝牙模块；

14.具有远程传输功能：可运用以太网(优先)、GPRS、ADSL、CDMA等方式远程传输能耗数据。传输方式为：网络层使用IP协议；传输层使用TCP/UDP协议；加密层使用点对点加密协议；应用层使用XML语义智能协议。

七、主要功能

1.智能数据网关支持多种类型的计量装置或设备进行数据采集，包括电能表(含单相电能表、三相电能表、多功能电能表)、水表、燃气表、热(冷)量表、温、湿度传感器等。

2.智能数据网关和计量装置之间采用符合各相关行业标准的通信协议。对于电能表，参照行业标准DL/T 645-1997《多功能电表通信规约》执行。对于水表、燃气表和热(冷)量表，参照行业标准CJ/T 188-2004《用户计量仪表数据传输技术条件》执行。支持Modbus开放式协议，参照国家标准GB/T 19582-2008《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》执行。

3.智能数据网关支持不少于对192台计量装置进行数据采集。

4.智能数据网关支持根据数据中心命令采集和主动定时采集两种数据采集模式，且采集周期可以从60秒到1天灵活配置。

5.智能数据网关支持计量装置（如互感电能表）的倍率运算，支持支路能耗类型识别。

6.智能数据网关应配置不小于2GB的专用存储空间(SD卡或CF卡)，支持对能耗数据30天以上的存储。

7.智能数据网关与数据中心的通信协议符合《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则》的要求。

8.智能数据网关应支持断点续传功能，即如因传输网络故障等原因未能将数据定时远传，则待传输网络恢复正常后智能数据网关应利用存储的数据进行断点续传。

9.智能数据网关远传数据包支持AES加密处理。

10.智能数据网关支持向多个数据中心(服务器)并发发送数据。

11.智能数据网关具备本地配置和管理功能(WEB方式配置、专用接口配置与维护等)。

12.智能数据网关支持远程配置和管理功能。

13.智能数据网关支持对数据采集子系统故障的定位和诊断，并支持向数据中心上报故障信息。

14.智能数据网关支持对于故障计量装置的更换不影响智能数据网关其他部分的正常工作。

满足《高等学校校园建筑节能监管系统技术导则》的要求，实现校园整体能耗分项解构，达到对所有楼宇水、电能耗监测，楼内实验室、研究室用电重要设备的重点监测，经营房间的重点监测；行政办公楼、科研楼、实训中心等楼宇每间房间的电能监测，最终达到对各建筑单位分类、分项、分户的五级监测的计量目的。

本文指导教师：万振凯。