基于中间件和流计算的跨业务综合能源信息采集系统

张宇婷，李如雄，孙庆恭，席荣军，唐坚钊

（广东电网有限责任公司汕尾供电局，广东汕尾 516600）

世界范围内的能源安全和环境污染问题迫使人们改变现有的能源消费模式[1]。电力、天然气和热能的综合利用，对于提高能源利用效率、降低能源成本具有重要意义[2]。当前，能源系统有其自身的收费方式和独立的收费模式，为用户付费和查询能源信息造成了极大的困难[3]。因此，应选用较成熟的跨业务综合能源信息采集系统，尽量避免重复建设。

传统的基于STM32 的信息采集系统[4]，以STM32 F103ZET 处理器为硬件平台，在该平台上扩展信息识别模块，结合RFID 技术确定跨业务综合能源信息，然后利用上位机Modbus 协议实时采集相关信息；基于ARM 目标板的信息采集系统[5]，在Linux 编程系统及嵌入式GIS 平台支持下，搭建嵌入式采集结构，并成功将其移植到ARM 目标板上，由此完成信息采集。然而，跨业务综合能源信息采集过程对系统模块化的要求较高，传统的采集系统扩展性能不好，且容易受到谐波分量影响，导致采集过程的功耗和延时均较大。

为此，针对传统系统存在的不足，设计了基于中间件和流计算的跨业务综合能源信息采集系统。

1 系统硬件结构设计

系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

系统的硬件结构采用模块化的设计思路，MCU主控单元包含低压无功补偿控制器。利用GPRS/CDMA/4G 数据通信方式，以公用移动通信网为载体，辅之以RS485 总线和红外线，实现远距离抄表、异常信息报警、负载管理与控制等功能[6]。将MCU的主控制单元作为主控制和管理对象，采集跨业务的综合能源信息。

1.1 信息采集模块

跨业务综合能源信息采集需要对模拟和数字数据采集进行设计。在STM32F4 系列单片机中，三个ADC 均是12 位连续、近似模拟到数据的转换器，具有19个通道，可以单独使用，也可以协同使用[7-9]。这种信道的变换分为单模式、连续模式和间断模式，变换结果被保存在16 位数据存储器。其最大转换速率为2.4 MHz，也就是转换时间为0.41 μs，ADC 可同时进行注入和常规两个通道转换，以此来满足不同的AD 转换要求[10-12]。通过降压和信号调理电路，使模拟量能够满足AD 采集要求。同时，该电流信号还需要经过电流互感器处理，才能输入AD 采集电流信号[13]。

1.2 电源模块电路

在电路板中，电源模块是核心模块。电源模块负责把外部电源转换成电路板所需的电压，并为系统供电，满足电路板所需的各种电源[14]。以ADP7159 芯片为基础设计电源模块电路，其结构如图2 所示。

图2 电源模块电路

图2中，芯片ADP7159的输出电流可以达到3 A，工作电压范围为0.5～1.5 V，能够满足新兴应用的高电流需要。ADP7159 芯片扩展了LDO 输出电流范围为2～3 A。超低频与高PSRR 性能相结合，可设定新的LDO 功率级基准。

1.3 EEPROM存储模块

EEPROM 是一个可擦除可编程的存储器，该存储器可清除电脑或特殊装置上已有的资料，重编程序，即插即用[15]。当写入数据时，EEPROM 仍然需要一些编程电压。使用制造商提供的特殊刷新程序来重新编写内容，所以EEPROM 属于双电压晶片。当跳线开关调整到“ON”位置时，相应增加编程电压即可轻松升级芯片[16]。当跳线开关调到“OFF”位置时，BIOS基本输入输出系统借助于EEPROM 芯片的双电压特性，能够抵抗非法修改BIOS 芯片的CIH 病毒。

1.4 LCD显示模块

LCD 控制器内配有S5PV210 处理器，控制采集系统界面显示，并将系统存储器上LCD 图像数据传送给外部LCD 驱动接口。

1）LCD 驱动器

LCD 驱动器通常与液晶面板集成，该面板需要一些模拟电信号来控制LCD 显示界面。LCD 驱动芯片负责提供控制LCD 显示界面的模拟电信号，驱动器的控制信号(数字信号)是从LCD 控制器提供接口发出的。

2）LCD 控制器

LCD 控制器被集成到SOC 片上系统，通过数字接口给LCD 驱动器提供像素数字信号。按照一定时序与LCD 驱动器进行通信，而SOC 片上系统会把像素数据从内存中提取出来给LCD 控制器，并传送给LCD 屏幕显示模块。

3）LCD 屏幕显示模块

将颜色数据存储在SOC 片上系统中，与LCD 控制器中的像素数据形成映射关系。两者关系建立之后，LCD 控制器会自动地从显存中读取颜色数据，并把这些数据传送给LCD 驱动器。LCD 驱动器会自动控制每一个像素的LCD 分子来形成最终图像。

2 CORBA中间件设计

中间件负责在硬件和软件之间提供公共服务，具有标准程序接口和协议，主要负责处理不兼容的操作系统或文件结构，并调节客户机与服务器之间的通信效率。中间件通常是在网络层或传输层之上工作，不依赖底层通信服务。使用CORBA 中间件能够解决不同跨业务综合能源方面的数据传输问题，实现了基于互连的应用程序间的交互操作。

CORBA 中间件的主要设计思路是结合分布式计算模式和面向对象思想来构建分布式应用。CORBA 架构是在两个传统客户服务器层之间增加一个中间层，可以改善传统主从式结构缺陷。CORBA中间件体系结构如图3 所示。客户机应用程序需要从网络中的某个地方获取某些数据或服务，这些数据或服务可能位于不同的操作系统和特定的查询语言数据库中。客户端/服务器应用程序中负责数据查询的部分仅要求对中间件系统进行访问，通过CORBA 中间件可以找到数据源，然后发送客户请求和回复信息，由此得到的结果返回到应用程序中。

图3 CORBA中间件体系结构

3 系统软件设计

由于跨业务综合能源信息是大规模流量信息，使用传统数据分析模式容易出现数据丢失问题，因此，提出了基于流计算的信息实时分析方法。使用流计算方法实时分析有用信息，并将分析结果发送给下一个信息采集节点。基于流计算的信息采集节点确定流程如图4 所示。

图4 基于流计算的信息采集节点确定流程

基于该流程，以电、水、气、热四种能源采集任务为例，调度信息采集任务。

步骤一：信息采集系统是以信息采集频率动态更新信息聚类的，并对采集过程中丢失的信息进行控制。

由于系统中不断涌入大量新信息，因此需要对历史信息进行聚类处理，才能保证信息不会丢失。聚类中心计算公式为：

式（1）中，α表示延迟因子；at表示新存储到数据库中的数据信息；λt表示历史信息聚类中心。

步骤二：大量新信息聚类后，分析未超出系统采集频率范围的相关任务，将该任务作为控制目标；

步骤三：当采集频率过高时，整个采集系统仍是由系统CPU 控制的，此时使用传统系统难以满足实时处理信息需求。为此，必须切换综合功耗小的硬件，判决根据如下：

式（2）中，Esa表示软件执行所消耗的功率；Ehs表示硬件空闲所消耗的功率；Eha表示硬件执行所消耗的功率；Ess表示软件空闲所消耗的功率。

步骤四：在CPU 和可重构计算单元都可以正常完成计算的情况下，若硬件设备处于OFF 状态，则需要配置可重构设备。当时间t满足式（3）所述条件时，表明硬件任务的执行功耗大于软件任务的执行功耗，并对可重构设备进行配置，以完成硬件任务。

式（3）中，Ehb表示重构组件执行所消耗的功率。

步骤五：在确定功耗最低的软件程序和硬件结构后，所应用的组合系统即为信息采集效率最高的系统。结合图4 确定信息采集节点，通过流计算分析信息，由此完成信息采集。

4 实验与分析

为验证上述设计的基于中间件和流计算的跨业务综合能源信息采集系统的应用性能，将基于STM32 的信息采集系统（W1）、基于ARM 目标板的信息采集系统（W2）与该研究系统（W3）作对比，结合仿真环境分析不同系统的性能。

实验采用Spark-0.8.0 版本处理平台，该平台是一种高吞吐量分布式平台，可以采集综合能源信息系统中的全部数据。在该平台上模拟了150 万次采集，采集任务种类如下：执行Web 任务，采集30 万次；执行接口任务，采集22 万次；执行后台任务，采集31 万次；执行实时自动任务，采集20 万次；执行历史自动任务，采集22万次；执行历史补录任务，采集25万次。

分析不同系统功耗异常对话框弹出次数，对比结果如表1 所示。

由表1 可知，使用两种传统系统时，功耗异常对话框弹出次数较多，说明使用传统系统出现过负载现象较多，导致信息采集任务无法精准执行。而使用基于中间件和流计算信息采集系统在执行实时自动任务时，出现一次功耗异常对话框。说明执行该任务时，信息量较大，导致系统出现过负载现象，导致实时自动采集节点时出现延误，但并不会给系统带来影响，可忽略不计。

表1 不同系统功耗异常对话框弹出次数对比分析

分别使用不同系统分析不同任务的执行完成时间，结果如图5 所示。其中，负向数值代表系统存在延迟。

图5 不同系统不同任务的执行完成时间对比

由图5 可知，使用基于STM32 和基于ARM 目标板的信息采集系统，在执行Web 任务、接口任务、后台任务、实时自动任务时，会出现执行时间延迟问题，导致执行完成时间较长；而使用基于中间件和流计算信息采集系统时，不会出现执行时间延迟问题，执行完成时间较短。

5 结束语

未来的跨业务能源采集系统的开发将逐步由单一能源采集转向多能源统一采集。多功能采集系统对终端开发方案提出了更高的要求，既要保证采集任务按性能要求完成，又要保证终端具有低功耗、低成本等特点，否则将失去其普遍适用的意义。该研究以中间件技术和流计算法为基础，设计了一种跨业务的综合能源信息采集系统，为下一步能源开发提供了参考。