CN101710883A - 用于楼宇智能化的多协议数据采集网关及其数据采集方法 - Google Patents

Abstract

一种用于楼宇智能化的多协议数据采集网关及其数据采集方法，涉及网络技术领域，所要解决的是数据采集器系统结构复杂、功能简单、可靠性低、兼容仪表少的技术问题；所述网关包括CPU模块和网络通信模块，所述网络通信模块通过总线和所述CPU模块相连并提供网络接口，其中，所述网关还包括：多种类型的数据采集模块，每个数据采集模块通过总线和所述CPU模块相连，不同类型的数据采集模块提供不同的现场设备接口；多个数据服务模块，通过网络通信接口为用户提供定制数据；所述数据采集模块和数据服务模块分别和嵌入式数据库相连，并通过嵌入式数据库存取数据。本发明具有可以采集多种不同类型的数据，同时实现数据实时处理，便于现场监控和分析的特点。

Description

用于楼宇智能化的多协议数据采集网关及其数据采集方法

技术领域

本发明涉及一种网关及其数据采集方法，尤其涉及一种用于楼宇智能化的多协议数据采集网关及其数据采集方法。

背景技术

随着中国经济建设的飞速发展，节能与环保问题已成为我国经济发展的同时必须重点考虑的一个关键问题。目前我国建筑能耗占全社会能耗27％以上，单位建筑面积能耗远远高于发达国家水平。能源计量是实现建筑节能的前提，而准确的计量设备是实现能源计量的基础，建筑物能耗标准的制定、能耗的评估、节能的运行管理及节能效果的评估都离不开准确可靠的数据采集系统。然而，由于对建筑能耗的监测、诊断、分析技术较为缺乏，对建筑物能源系统各个环节能耗情况的认识还不够清楚，这已成为制约建筑节能改造的一个突出问题。

现在国内的数据采集器主要有两大类：一类是将数据采集后直接传输给数据中心，由数据中心负责数据的存储和分析；另一类是将现场仪表数据进行采集并进行简单存储。这些数据采集器大都需要现场进行配置和维护，其系统结构复杂、功能简单、可靠性低、兼容仪表少。楼宇监控系统中除需要采集电表数据外，还需对多种不同接口的仪表进行采集，因此开发接口丰富、功能强大、兼容性好的数据采集装置是楼宇智能化的需要。

传统测控系统现场控制层的控制器与传感器大多是通过有线方式电气连接，受到了结构布局和走线的限制。近年来，通信技术的普及、电子技术的进步为数据采集，特别是远程抄表技术的发展提供了有利条件，在无线抄表方面，比较常用的是基于短消息的抄表系统，它一般是利用GSM(Global System for MobileCommunication，全球移动通信系统)短信息模块将电表信息通过GSM公用网络传输到数据中心。但由于GSM网络信号受终端信号强弱、设备所处位置影响较大，信息传输延迟和丢包的问题降低了系统的可靠性和实时性，无法确保现场设备的安全运行，因此，现场采集装置除了数据采集外，还需要实时监控的能力。此外，很多数据采集系统不但数据采集量大，还需要对采集到的数据进行分析、诊断，对实时性、可靠性的要求要比一般远程抄表高，如对建筑物内的能量管理和环境监测建。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于楼宇智能化的多协议数据采集网关及其数据采集方法，可以采集多种不同类型的数据，同时实现数据实时处理，便于现场监控和分析。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种用于楼宇智能化的多协议数据采集网关，所述网关包括CPU模块和网络通信模块，所述网络通信模块通过总线和所述CPU模块相连并提供网络接口，其中，所述网关还包括：多种类型的数据采集模块，每个数据采集模块通过总线和所述CPU模块相连，不同类型的数据采集模块提供不同的现场设备接口；多个数据服务模块，通过网络通信接口为用户提供定制数据；所述数据采集模块和数据服务模块分别和嵌入式数据库相连，并通过嵌入式数据库存取数据。

上述的多协议数据采集网关，其中，所述多个数据采集模块包括提供串口的多协议数据采集模块、提供ADC电路接口标准模拟信号采集模块、提供开关量接口的开关量IO复用模块和连接在串口上提供无线通信接口的Zigbee无线传输模块。

上述的多协议数据采集网关，其中，所述多个数据服务模块包括嵌入式网页服务器模块、嵌入式图形显示模块和UDP数据上传模块。

本发明为解决上述技术问题还提供一种采用上述网关的多协议数据采集方法，包括如下步骤：(a)将所述网关通过不同的现场设备接口分别和相应的现场设备相连，并通过网络通信接口接入局域网或Internet网络；(b)所述网关通过轮询方式依次调度各个数据采集模块，采集原始数据，每个数据采集模块通过采样状态参数控制数据采集、解析、纠错和验证，并将处理后的正常数据存入嵌入式数据库，同时对异常数据进行报警；(c)每个数据服务模块根据用户请求或定制信息从嵌入式数据库提取相应的数据；(d)如果配置了数据中心，所述网关通过UDP数据上传模块向数据中心转储数据。

上述的多协议数据采集方法，所述采样状态参数通过CGI程序在线设置。

上述的多协议数据采集方法，所述数据中心的IP地址通过CGI程序在线设置。

上述的多协议数据采集方法，所述数据采集模块为连接在串口上Zigbee无线传输模块，所述串口的配置端口和重启端口与CPU模块的I/O端口电气相连，当轮询不同波特率的现场设备时，先配置所述串口的波特率并重启该串口。

上述的多协议数据采集方法，所述数据服务模块为嵌入式网页服务器模块和嵌入式图形显示模块，所述数据服务模块根据用户请求或定制信息从嵌入式数据库提取相应数据后，先由嵌入式图形显示模块绘制曲线，然后将绘制曲线嵌在网页中返回给用户。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的用于楼宇智能化的多协议数据采集网关及其数据采集方法，可以采集多种不同类型的数据，同时实现数据实时处理，便于现场监控和分析。此外，本发明提供的多协议数据采集网关兼具数据采集和数据中心的功能，可自成系统，也可以根据需要和上位数据中心灵活组网。

附图说明

图1是本发明的多协议数据采集网关硬件结构示意图；

图2是本发明的多协议数据采集网关系统架构示意图；

图3是本发明的多协议数据采集网关组网示意图。

图中：

11网关              12现场标准仪表    13Internet网络

14第一Zigbee模块    15现场IO设备

21嵌入式网页服务器模块      22嵌入式图形显示模块

23UDP数据上传模块           24嵌入式数据库

25开关量IO复用模块          26多协议数据采集模块

27标准模拟信号采集模块      28第二Zigbee模块

31现场设备                  32本地用户

33数据中心        34远程用户

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1是本发明的多协议数据采集网关硬件结构示意图。

请参见图1，本发明提供的网关11采用嵌入式硬件平台，所述嵌入式硬件平台包括CPU模块和外围电路。其中，CPU模块采用Samsung的S3C2440ARM CPU芯片，外围电路包括64M～128M NAND FLASH组成的存储电路、复位电路、时钟电路、供电模块以及外围接口模块。外围接口模块包括网络通信电路模块、串口电路模块、ADC(模数转换器)电路模块、开关量IO电路模块。

图2是本发明的多协议数据采集网关系统架构示意图。

请同时参见图1和图2，本发明提供的网关11采用模块化系统构架，上述嵌入式硬件平台划分成CPU模块、网络通信模块和多种类型的数据采集模块。所述网络通信模块和多种类型的数据采集模块通过总线和所述CPU模块相连，网络通信模块提供网络接口和Internet网络13相连，其中，多种类型的数据采集模块包括开关量IO复用模块25，提供开关量接口和现场IO设备15相连，采集开关量；多协议数据采集模块26，提供串口和串行设备相连，如和第一Zigbee模块14相连；标准模拟信号采集模块27，提供ADC电路接口和现场标准仪表12相连，采集模拟信号。为了实现无线通信功能，网关11可以在串口上内置连接第二Zigbee模块28，通过第二Zigbee模块28提供无线通信接口。也就是说，对于串口连接，主机(网关)与从机(现场设备)的物理连接有三种方式：(1)通过物理层RS485/RS232总线直连；(2)从机间通过RS485/RS232总线并联至Zigbee无线收发模块，主机与Zigbee收发模块相连，主从机通过Zigbee无线模块进行通信；(3)主从机通过标准模拟量信号的载体——双绞线进行直连。

此外，所述网关11还包括嵌入式数据库24和多个数据服务模块，所述数据采集模块和数据服务模块通过所述嵌入式数据库24交换数据。多个数据服务模块包括Boa嵌入式网页服务器模块21、GD嵌入式图形显示模块22和UDP数据上传模块23，多个数据服务模块通过网络通信接口和数据中心，本地用户及远程用户相连。

图3是本发明的多协议数据采集网关组网示意图。

本发明提供的多协议数据采集网关兼具数据采集和数据中心的功能，可自成系统，也可以根据需要和上位数据中心继续灵活组网。请参见图3，本发明采用上述网关进行采集处理数据的过程如下：

首先，网关11作为上位机(主机)，现场设备31作为下位机(从机)，现场设备31包括智能电表及各类传感器，采集网关11通过其多种类型的现场设备接口可手拉手连接多个下位机采集数据，并通过网络通信接口接入局域网或Internet网络。例如：(1)使用多协议数据采集模块26，通过串口和单相和三相多功能电表相连，采用DLT-645协议或Modbus协议读取数据，并将读取的数据存入数据库；(2)通过标准模拟信号采集模块27和现场标准仪表12相连，标准模拟信号转换电路负责将仪表标准信号转化为0～3.3V的信号，送入AD转换电路，S3C2440芯片通过AD驱动程序读取数据，量程转化并进行处理后并存入数据库；(3)通过开关量IO复用模块25，对设备状态的开关量进行读取并存储，并按控制工艺要求对一些设备进行控制；(4)通过Zigbee无线传输模块28，使多协议网关与支持RS485/RS232接口的现场仪表及多功能电表进行无线通信。由于不同串口设备往往具有不同的波特率，网关11的S3C2440ARM CPU芯片的两个I/O端口分别与Zigbee无线收发器的配置端口和重启端口电气相连，通过程序对这两个I/O端口进行控制，实现了对Zigbee无线收发器的运行模式的设定，使网关能够通过串口经Zigbee无线收发器对不同波特率的信道数据进行轮询采集。

其次，采集网关11依次调度各个数据采集模块，即对从机电计量一次仪表和传感器进行轮询采集，各种数据采集模块使用不同的协议，因此可以兼容DL-T645协议、MODBUS RTU协议及标准模拟量信号，其中电表数据通过DL-T645协议采集，环境数据如CO2浓度、温度、湿度、光照度通过Modbus协议或标准模拟量数据采集。

接着，采集网关11对采集到的数据进行解析、纠错、验证，出错则丢弃重新采集；正确则对采样数据进行预处理，如对模拟信号进行量程转化，并将数据存入Sqlite嵌入式数据库24；同时采集网关11还可以对采集到的各类数据分析、处理、转储等，对不正常的状态进行报警；具体采样状态设置参数，如采集频率，模拟量上下限报警参数还可以根据现场需要通过CGI(通用网关接口)程序在线设置。

然后，采集网关11调用多个数据服务模块，比如调用Boa嵌入式网页服务器模块21，架设基于B/S架构的Web Server，使本地用户32和远程用户34对本地数据进行访问，能以表格、图形形式显示采集的数据；调用GD嵌入式图形显示模块22，将数据库中的电表历史数据和实时数据以趋势图的形式进行直观显示；上述调用可以采用用户请求的中断模式，也可以根据定制信息，采用定时中断进行调用。网关11调用嵌入式图形显示模块22对采集到的数据进行曲线显示，可用于数据的相关性和异常值分析。具体实现方法是CGI程序调用移植到ARM的GD图形软件包绘制曲线，然后将图形嵌在网页中返回给用户。本网关显示实时采集的电表数据和环境参数的主要步骤为：创建一变量存放空白图像-＞匹配图形的颜色-＞为图像填充以上颜色-＞调用数据库数据绘制png格式实时采集曲线-＞破坏图像流以释放内存。

最后，如果系统配置了上位数据中心，采集网关11还可以通过UDP数据上传模块23向数据中心33转储数据；上位数据中心的配置参数，如数据中心的IP地址也通过CGI程序在线设置，实现将采集到的数据对指定IP地址的数据中心进行发布，使数据中心获取本地的能耗与环境信息。

综上所述，本发明提供的网关，具有多种类型的数据采集模块，采用Sqlite数据库24，作为多协议网关数据存储和处理的核心，具有如下优点：(1)多种类型的数据采集模块集中在一起，运行稳定可靠，数据采集处理准确；(2)组网灵活，大小系统均适宜，无线/有线均适合；(3)实时监测、即时统计、图表图形直观；(4)系统本身节能，最大能耗不到10W；(5)操控方便、易学，内部复杂性对用户透明；(6)成本适当，伸缩性好，无论规模大小均在用户可接受范围；(7)自成系统，也可按有关政府部门、机关要求数据格式上报数据。

本发明提供的网关及其数据采集方法，适用范围包括：(1)政府、机关、学校、厂矿、机房、医院、商厦等公共建筑的新建或既有建筑物的分项电能消耗实时监测和诊断；(2)在建工地的节能监测；(3)市政工程、市政公共设施的能耗监测和管理；(4)空调机组、高层/小高层建筑的电梯用电监测和分析；(5)电力网络/区域用电负荷及功率因数监测、电网运行稳定性监测；(6)住宅小区或独栋楼宇的节能监测；(7)商用建筑内对不同业主的用电、空调监测，更合理地分摊公共用能费用。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种用于楼宇智能化的多协议数据采集网关，包括CPU模块和网络通信模块，所述网络通信模块通过总线和所述CPU模块相连并提供网络接口，其特征在于，所述网关还包括：

多种类型的数据采集模块，每个数据采集模块通过总线和所述CPU模块相连，不同类型的数据采集模块提供不同的现场设备接口；

多个数据服务模块，通过网络通信接口为用户提供定制数据；

所述数据采集模块和数据服务模块分别和嵌入式数据库相连，并通过嵌入式数据库存取数据。

2.根据权利要求1所述的用于楼宇智能化的多协议数据采集网关，其特征在于，所述多种类型的数据采集模块包括提供串口的多协议数据采集模块、提供ADC电路接口的标准模拟信号采集模块、提供开关量接口的开关量IO复用模块和连接在串口上提供无线通信接口的Zigbee无线传输模块。

3.根据权利要求1所述的用于楼宇智能化的多协议数据采集网关，其特征在于，所述多个数据服务模块包括嵌入式网页服务器模块、嵌入式图形显示模块和UDP数据上传模块。

4.一种采用权利要求1所述网关的多协议数据采集方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(a)将所述网关通过不同的现场设备接口分别和相应的现场设备相连，并通过网络通信接口接入局域网或Internet网络；

(b)所述网关通过轮询方式依次调度各个数据采集模块，采集原始数据，每个数据采集模块通过采样状态参数控制数据采集、解析、纠错和验证，并将处理后的正常数据存入嵌入式数据库，同时对异常数据进行报警；

(c)每个数据服务模块根据用户请求或定制信息从嵌入式数据库提取相应的数据；

(d)如果配置了数据中心，所述网关通过UDP数据上传模块向数据中心转储数据。

5.根据权利要求4所述的多协议数据采集方法，其特征在于，所述数据采集模块为连接在串口上Zigbee无线传输模块，所述串口的配置端口和重启端口与CPU模块的I/O端口电气相连，当轮询不同波特率的现场设备时，先配置所述串口的波特率并重启该串口。

6.根据权利要求4所述的多协议数据采集方法，其特征在于，所述数据服务模块为嵌入式网页服务器模块和嵌入式图形显示模块，所述数据服务模块根据用户请求或定制信息从嵌入式数据库提取相应数据后，先由嵌入式图形显示模块绘制曲线，然后将绘制曲线嵌在网页中返回给用户。

7.根据权利要求4所述的多协议数据采集方法，其特征在于，所述采样状态参数通过CGI程序在线设置。

8.根据权利要求4所述的多协议数据采集方法，其特征在于，所述数据中心的IP地址通过CGI程序在线设置。

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