CN108632281A - 一种建筑能耗数据采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种建筑能耗数据采集方法，基于建筑能耗数据采集系统，所述建筑能耗数据采集系统包括采集装置、主处理器和服务器，其中包括如下步骤：对采集装置、主处理器和服务器进行初始化配置；所述采集装置实时采集仪表设备的能耗数据，并将所述能耗数据发送至所述主处理器；所述主处理器接收所述能耗数据，对所述能耗数据进行加密，获取加密文件，并将所述加密文件上传至所述服务器；所述服务器接收所述加密文件。本实施例通过采集装置能够对仪表设备进行实时读取，获取仪表设备的能耗数据，解决了现有技术中数据统计缺乏实时性和持续性的技术问题，并且对能耗数据进行加密后再上传，提高了数据传输的安全性。

Description

一种建筑能耗数据采集方法
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，具体地涉及一种建筑能耗数据采集方法。
背景技术
随着建筑能耗在全国总能耗中的比例逐年增加，建筑节能的关注度越来越高，伴随着建筑节能工作的深入推进，节能效果越来越明显，建筑节能的重要性日益突出；研究如何利用现有技术手段帮助公共建筑有效节能已经成为当前公共建筑节能工作的重要方向。
在诸多建筑节能手段中，对建筑能耗数据进行分析可以准确地了解建筑物耗能情况、预测运行费用、确定合适的节能措施，进而为建筑物节能诊断和改造提供决策支持。以往的能耗数据统计往往只能通过人工对水、电、煤、油等能源费用单据的审核进行统计，这种统计的缺点在于：缺乏实时性，往往只能通过月末的各种能源费用单据进行统计，无法得知实时的动态用电信息；缺乏分类细项，往往只能统计总量，对分类分项的用能无法得知；缺乏持续性：每年都要进行统计，缺乏长期有效的检测体系。以上的缺点造成了能耗数据不准确，既无法完整描述建筑的用能特征，也无法为能源审计、能耗分析诊断等工作提供更多的依据。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种建筑能耗数据采集方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供一种建筑能耗数据采集方法，基于建筑能耗数据采集系统，其中，所述建筑能耗数据采集系统包括采集装置、主处理器和服务器，其中包括如下步骤：
步骤1：对采集装置、主处理器和服务器进行初始化配置；
步骤2：所述采集装置实时采集仪表设备的能耗数据，并将所述能耗数据发送至所述主处理器；
步骤3：所述主处理器接收所述能耗数据，对所述能耗数据进行加密，获取加密文件，并将所述加密文件上传至所述服务器；
步骤4：所述服务器接收所述加密文件。
在本发明的一个实施例中，所对所述能耗数据进行加密，获取加密文件，包括：
给所述能耗数据增加附加信；
所述附加信的数据包格式包括报文头、报文类型、报文长度和报文体。
在本发明的一个实施例中，所述步骤1包括：
确定所述采集装置的采集端口的配置信息和采集点的配置信息，并下载到所述采集装置中；
所述主处理器配置软件主动连接所述服务器的服务器模式，进行信息配置；
所述主处理器配置软件开启监听模式，等待所述服务器主动连接并验证。
在本发明的一个实施例中，所述步骤2还包括：
所述采集装置利用配置信息对指定的仪表设备实时读取所述能耗数据；
所述采集装置将所述能耗数据发送至能耗监测平台，所述能耗监测平台对所述能耗数据进行处理，获取监测结果；
所述能耗监测平台将所述携带有所述监测结果的所述能耗数据上传至所述主处理器。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3还包括：
所述主处理器对所述能耗数据添加身份验证信息，获取第一数据；
所述主处理器对所述第一数据进行加密，获取加密文件；
所述主处理器将所述加密文件通过以太网或者无线网络上传至所述服务器。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3还包括：
所述主处理器对所述能耗数据进行存储；
所述主处理器对所述第一数据进行存储；
所述主处理器对所述加密文件进行存储。
在本发明的一个实施例中，所述主处理器接收所述能耗数据，包括：
主处理器发送数据上传指令给所述采集装置；
所述采集装置产生一个中断，
所述主处理器接收所述中断，触发中断服务程序，并在所述中断服务程序中触发数据接收功能。
在本发明的一个实施例中，所述服务器接收所述加密文件，包括：
所述服务器发送数据上传指令给所述主处理器；
所述主处理器产生一个中断；
所述服务器接收所述中断，触发中断服务程序，并在所述中断服务程序中触发数据接收功能。
在本发明的一个实施例中，所述身份验证信息包括建筑物编号、采集装置编号、数据包类型和操作类型
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的建筑能耗数据采集方法，通过采集装置能够对仪表设备进行实时读取，获取仪表设备的能耗数据，解决了现有技术中数据统计缺乏实时性和持续性的技术问题，并且对能耗数据进行加密后再上传，提高了数据传输的安全性。
2、本发明提供的采集方法中，采集装置和主处理器之间，主处理器与服务器之间的数据接收均通过中断进行，因此本发明实施例中，接收数据是由中断触发的中断服务程序执行的，这样数据传输就可以在中断服务程序中进行，而避免占用系统资源。
3、本发明提供的数据采集方法，将读取的能耗数据发送至能耗监测平台，能耗监测平台对接收的能耗数据进行分类和处理，获取该项能耗数据的监测结果，然后将能耗数据和监测结果一起发送给主处理器，因此本发明能够对采集的数据进行分类和统计，最终呈现给使用者更为直观的数据分析结果，便于使用者根据采集数据进行工作推进。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种建筑能耗数据采集方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种建筑能耗数据采集系统的结构图；
图3是本发明实施例提供的一种加密过程的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
本发明提供一种建筑能耗数据采集方法，基于建筑能耗数据采集系统，所述建筑能耗数据采集系统包括采集装置、主处理器和服务器，其中采集装置用于采集仪表设备上的能耗数据，主处理器用于对该能耗数据进行处理和加密，从而安全高效地将能耗数据上传至服务器中。具体的，如图1所示，能耗数据采集的方法包括如下步骤：
步骤1：对采集装置、主处理器和服务器进行初始化配置；
具体的，在建筑物上设置有多个仪表设备，用于计量和监测该建筑物内的水电气煤以及其他能源消耗，本发明中，采集装置与建筑物内的多个仪表设备电连接，用于实时读取该些仪表设备计量的能耗数据，实时，即仪表设备每出现一个新的数据则采集装置对该新的数据进行一次采集。一栋建筑物内的仪表设备数量和种类往往很多，而采集装置并不必须要安装在每一个仪表设备上，而只需要在设备总线上的特定采集点上进行设置也能够获取该建筑物的能耗数据，这样减少了采集装置的数量，降低成本。
进一步的，采集装置进行初始化配置，也即采集装置的配置软件主动获取采集端口的配置信息和与采集端口连接的采集点的配置信息，根据采集端口的配置信息和采集点的配置信息安装特性文件，使数据能够在采集端口和采集点之间有效传递。这样采集装置才能够读取仪表设备上的数据。
需要说明的是，采集装置支持不同协议和不同总线，以适应不同类型的
主处理器和服务器进行初始化配置，即服务器接通电源，并启动服务器模式，主处理器连接到服务器，并通过配置软件给服务器安装特性文件，以使服务器能够接收和处理主处理器发送的数据；
同时，主处理器的配置软件自动开启监听模式，当服务器发起数据上传请求，主处理器接收该数据上传请求并启动数据上传模式，向服务器上传数据。
步骤2：所述采集装置实时采集仪表设备的能耗数据，并将所述能耗数据发送至所述主处理器；
具体是，采集装置利用已经安装好的特性文件对采集点的仪表设备的能耗数据进行实时读取；
然后采集装置将能耗数据发送给能耗监测平台，该能耗监测平台上设置有能耗阈值，采集装置向能耗监测平台发送能耗数据，其中，能耗监测平台将接收到的能耗数据与对应的能耗阈值进行比较，当能耗数据超过能耗阈值时，监测结果为警戒；当能耗数据未超过能耗阈值时，监测结果为正常；进一步的，能耗监测平台将监测结果连同能耗数据一起打包发送至主处理器。本实施例中，能耗监测平台电连接至少两台采集装置。
步骤3：所述主处理器接收所述能耗数据，对所述能耗数据进行加密，获取加密文件，并将所述加密文件上传至所述服务器；
步骤4：所述服务器接收所述加密文件。
具体的，主处理器包括处理芯片、串行通信接口和加密模块，其中，串行通信接口包括上行通信接口和下行通信接口，采集装置通过下行通信接口将能耗数据发送给主处理器，主处理器中的处理芯片对能耗数据进行处理，使之携带身份验证信息；或者，能耗监测平台将携带有监测结果的能耗数据通过下行通信接口发送给主处理器，主处理器中的处理芯片对携带有监测结果的能耗数据添加身份验证信息，获取第一数据。
本实施例中，身份验证信息包括建筑物编号、采集装置编号、采集点编号和数据包类型。为了便于数据统计和项目分类，预先每栋建筑物进行编号，并对建筑物内的每一个采集装置按照采集项目进行编号，例如采集用水量的为1号，采集用电量的为2号等等，对应的采集装置所在的采集点也进行编号，例如采集用水量的第2个采集点编号为102，采集用电量的第1个采集点为201等等，数据包类型其具体为数据的单位，即用水量的单位为吨，则该数据包类型为吨，用电量的单位为度，则该数据包类型为度。处理芯片将上述身份验证信息的部分或者全部添加至能耗数据(或者携带监测结果的能耗数据)中，形成第一数据，然后将该第一数据发送给加密模块；加密模块对该携带身份验证信息的第一数据进行加密，形成加密文件。
对第一数据进行加密具体如下：
为保证主处理器与服务器之间数据传输的可靠性，在传输报文基础上增加附加信，附加信的数据包格式包括报文头、报文类型、报文长度和报文体：
Head Type Length Data
2字节 1字节 4字节 n字节
i.报文头Head，内容固定为0x16166868；
ii.报文类型Type，0X01表示身份认证，此时Data为明文数据；0X02表示心跳数据，此时Data为明文数据；0X03表示能耗数据，此时Data体是采用AES加密后的数据。
iii.报文长度Length，指的报文体的Data字节数，采用网络字节序。
iv.报文体Data，AES加密的密文或未加密的明文。
关于加密方式，基于数据安全方面的考虑，数据采集器采用了两种数据加密算法：
MD5算法和AES算法。MD5算法主要用来进行身份认证时数据的加密，AES算法主要用来对通信数据进行加密和解密。
MD5(Message-Digest Algorithm 5，信息-摘要算法5)，具有普遍、稳定、快速的特点，目前被广泛应用于信息的一致性验证、数字证书、操作系统的登陆认证等。MD5算法的原理概述：MD5以512位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为16个32位子分组，经过一系列的处理后，算法的输出由四个32位分组组成，将这四个32位分组级联后将生成一个128位散列值。
AES(Advanced Encryption Standard，高级加密标准，又称Rijndael加密法)是一个对称分组算法，它是美国联邦政府采用的一种区块加密标准，用来替代原先的DES(DataEncryption Standard，数据加密标准)，已经被多方分析且广为全世界所使用。Rijndael算法具有分组长度和密钥长度均可变的分组算法，密钥长度和分组长度可以独立地指定为128位、192位或是256位，本文采用的密钥长度和分组长度均为128位AES算法，128位的加密过程如图3所示，在此不再赘述；AES算法的解密是加密的逆过程。
然后主处理器将该加密文件通过上行通信接口发送至服务器，服务器通过对该加密文件进行解密后，对其进行进一步的处理。
具体的，主处理器通过上行通信接口将加密文件发送出去之后，通过上层通信模块到达服务器上，上层通信模块包括太网通信模块和无线通信模块，数据传输的过程中，可以选用有线以太网上传，也可以通过无线4G或者5G网络传输；这样在一些不具备有线以太网布线条件的场合，就可以通过无线方式传输，解决了现有技术受限于数据传输布线的技术问题，也降低了采集装置对采集点的要求。
需要说明的是，本实施例中，主处理器还包括存储模块，对能耗数据进行暂存，具体的，主处理器对接收到的能耗数据进行存储，然后当处理芯片对能耗数据进行处理之后，存储模块对获得的第一数据进行存储，进一步的，当加密模块对第一数据进行加密后，存储模块对获得的加密文件进行存储；这样一方面对整个数据流进行了全面的记录，便于溯本追源；另一方面当主处理器和服务器之间的上传通路发生故障时，加密文件处于等待上传状态，不会丢失；而且主处理器中存储的该些能耗数据、第一数据以及加密文件为原始数据可以作为数据备份，当服务器出现故障或者需要查找备份资料时，便于数据调取。本实施例中，主处理器的存储模块的数据存储期限为30天。
需要说明的是，本发明实施例中，采集装置和主处理器之间的数据传输是通过中断服务程序进行，而主处理器和服务器之间的数据传输也是通过终端服务程序进行，具体的，主处理器发送数据上传指令给所述采集装置；采集装置接收该指令并产生一个中断，主处理器接收该中断，并触发中断服务程序，数据的接收过程在该中断服务程序中进行，从而避免占用系统资源，提高数据传输效率。
相类似的，服务器需要主处理器上传数据时，服务器向主处理器发送数据上传指令，主处理器接收该指令，并产生一个中断，服务器接收该中断，触发中断服务程序，则加密文件的传输在中断服务程序中进行，而不占用系统资源，提高数据传输效率。
本发明提供的建筑能耗数据采集方法，通过采集装置能够对仪表设备进行实时读取，获取仪表设备的能耗数据，并且对能耗数据进行加密后再上传，提高了数据传输的安全性。进一步的，采集装置和主处理器之间，主处理器与服务器之间的数据接收均通过中断进行，接收数据是由中断触发的中断服务程序执行的，而避免占用系统资源。并且，采用能耗监测平台对能耗数据进行分类和处理，并向使用者提供更为直观的数据分析结果，提高工作效率。
本实施例能通过串行通信方式、以太网络采集目标建筑物上的建筑能耗数据，还能通过无线通信方式采集具备无线通信功能的目标仪表设备的建筑能耗数据，其应用面很宽，能应对现有的98％以上的建筑能耗监测仪表设备，能给建筑物能耗数据采集带来方便，而且还能通过以太网络将采集数据实时上传到服务器中进行实时处理。
在本发明的一个实施例中，所述处理芯片为ARM920T芯片。
本发明的建筑能耗数据采集系统采用了低功耗、高性能的ARM920T芯片，外围扩展丰富的通信模块，能够很好的完成采集系统的数据采集工作，并且使用了的串行通信接口技术作为通信方式，实现了通信稳定和传输速率快的目的，其准确率高，优越的性价比；设备安装改造方便；单片机使用寿命长，降低设备维护费用；且数据查询方便。
实施例二
在上述实施例的基础上，如图2所示，图2是本发明实施例提供的一种建筑能耗数据采集系统的结构图。对本技术方案中的建筑能耗数据采集系统进行举例说明：
1、核心模块选型
1.1主处理器选用基于ARM&reg；CortexTM-M4内核的STM32F407ZET6主控芯片，该主控芯片具有512K的FLASH，192K的SRAM，支持全双工工作，相比STM32F1系列，具有更低的功耗238uA/MHz，更快的主频168M，更丰富的外设接口，2个既可以做USB接口(主/从)，6个串口，3个SPI接口(速率37.5Mbps)，2个IIC接口，2个CAN总线，同时，还支持日历计时等丰富的功能，非常适合工业级的应用，所以完胜市场上的其他型号系列，所以能够满足业务当前的需求，以及未来的扩展需求。
1.2嵌入式操作系统选择，uCOS操作系统是一种免费公开源代码，结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。它是一种专门为嵌入式应用而设计内核，目前已经被移植到40多种不同的CPU上，能够支持8位到64位的各种系统。它的内核能够提供任务调度与管理、时间管理、进程之间相互通信、内存管理和中断服务等功能。和市面上其他操作系统相比，特别适合小型控制系统，具有响应速度快、扩展性好等优点。
1.3以太网通信模块选用DP83848C由美国国家半导体(NS)公司生产的集成以太网控制芯片，芯片是一种10/100Mbit/s单路物理层以太网收发器器件，支持10/100M的以太网通信，同时也支持MII和RMI接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。由于远超过IEEE规格的电缆长度性能，以及为10BASE-T和100BASE-TX以太网协议的应用提供低成本解决方案的特性，该器件在基于高端外围设备、工业控制、工厂自动化、通用的嵌入式应用等领域中广泛采用，并确保与基于其他标准的以太网产品相互兼容及实现互操作。
1.4无线通信模块(4G网络)选用的是济南有人物联网技术有限公司生产的USR-LTE-7S4型号，它是基于Linux开发，支持全网通4G高速接入，同时支持移动、联通3G和2G接入；支持RNDIS远程网络驱动接口，PC可以通过USB连接该设备访问互联网，并且还支持4个网络连接同时在线，支持TCP和UDP传输，每路连接支持10KB串口数据缓存，连接异常时可选择缓存数据不丢失；支持多种工作模式，分别是网络透传模式以及HTTPD模式等，以及功能等，并且价格便宜，性价比高。
2、硬件设计
2.1采集装置和主处理器之间采用主从半双工方式进行通信，主处理器作为主机，采集装置作为从机，下层通信模块设置于采集装置和主处理器之间，或者设置于能耗监测平台与主处理器之间，整个下层通信模块由三个RS485接口实现，主处理器通过RS485接口向采集装置发送读数据请求，采集装置发送响应数据给主处理器。
具体的，RS485驱动电路负责把采集装置发送的信号转成RS485电平特性，然后从RS485标准转换为0～2V数字电压，这里通过SP3485芯片完成转换。采集装置端采用SP3485芯片的RS485收发器进行设计，这里采用了3路RS485。
2.2电源模块
电源模块为整个系统提供电源，是能耗数据采集系统工作的基础。它采用12V直流电源输入，这里选用输出电流达到4A的LM2596_5.0开关型电源稳压芯片，输出5V的输出电压VCC，作为主处理器的电源VDD，同时它也可以提供给其他模块所需要的5V电压。
2.3上层通信模块
由于本数据采集系统是基于无线通信模块和以太网通信模块实现的，所以整个上层通信模块由两部分构成，无线通信模块和以太网通信模块。
无线通信模块(4G模块或者5G模块)与主控制器的连接是基于串口连接的；以太网通信模块和主控制器的连接是基于RMII45接口实现的，以太网MAC控制器采用46引脚的DP83848IVV芯片。
3、软件设计关键点
3.1初始化配置(串口和中断)
3.11串口配置
本发明中，串口的配置首先要对串口对应得GPIO口进行配置，本发明中用到的STM32F407ZET6中的USART1和USART3。USART1对应TPTX+、TPTX-、TPRX+、TPRX-，于是TPTX+和TPTX-配置为推完输出模式，TPRX+和TPRX-配置为浮空输入模式。USART3对应的485_3B、485_3A以及485_2B、485_2A和485_1B、485_1A都是这样的配置。
3.12中断配置
本发明中所有串口数据的接收都是在中断中进行的。
3.2Modbus协议(帧格式)
Modbus协议详细定义了地址码、功能码、校验码的数据序列定义，这些都是特定数据交换的必要内容。该协议在一根通信线上使用主从应答式连接(半双工)，这意味着在一根单独的通信线上信号沿着相反的两个方向传输。首先，主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备(从机)，然后，终端设备发出的应答信号以相反的方向传输给主机。
本协议只允许在主机(PC，PLC等)和终端设备之间通信，而不允许独立的终端设备之间的数据交换，这样各终端设备不会在它们初始化时占据通信线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。
信息传输为异步方式，并以字节为单位，在主机和从机之间传递的通信信息是11位字格式，包含1个起始位、8个数据位(最小的有效位先发送)、奇偶效验位(无校验)、2个停止位。
Modbus协议支持两种有效的传输模式，其中一种是RTU传输模式，在本发明中我们选择RTU传输模式，下面表格是标准的RTU模式数据帧格式：
地址码 功能码 数据区 CRC效验码
1字节 1字节 n字节 2字节
为保证主处理器与服务器之间数据传输的可靠性，在传输报文基础上增加附加信。主处理器远传数据包格式定义如下表所示：
Head Type Length Data
2字节 1字节 4字节 n字节
4、工作过程
能耗数据采集系统启动包括：同时主处理器和服务器，主处理器主动连接服务器的服务器模式，进行信息配置；主处理器配置软件开启客户端监听模式，等待服务器主动连接并验证，进行能耗数据的上传。
能耗数据采集系统配置软件先对采集装置和主处理器进行配置，确定采集端口的配置信息，以及采集点的信息，并下载到采集装置中。采集装置利用配置的信息对指定的电表读取数据，打包成xml文件，上传到主处理器。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明提供的一种建筑能耗数据采集方法的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种建筑能耗数据采集方法，基于建筑能耗数据采集系统，其特征在于，所述建筑能耗数据采集系统包括采集装置、主处理器和服务器，其中包括如下步骤：
步骤1：对采集装置、主处理器和服务器进行初始化配置；
步骤2：所述采集装置实时采集仪表设备的能耗数据，并将所述能耗数据发送至所述主处理器；
步骤3：所述主处理器接收所述能耗数据，对所述能耗数据进行加密，获取加密文件，并将所述加密文件上传至所述服务器；
步骤4：所述服务器接收所述加密文件。
2.根据权利要求1所述的建筑能耗数据采集方法，其特征在于，所对所述能耗数据进行加密，获取加密文件，包括：
给所述能耗数据增加附加信；
所述附加信的数据包格式包括报文头、报文类型、报文长度和报文体。
3.根据权利要求2所述的建筑能耗数据采集方法，其特征在于，所述步骤1包括：
确定所述采集装置的采集端口的配置信息和采集点的配置信息，并下载到所述采集装置中；
所述主处理器配置软件主动连接所述服务器的服务器模式，进行信息配置；
所述主处理器配置软件开启监听模式，等待所述服务器主动连接并验证。
4.根据权利要求3所述的建筑能耗数据采集方法，其特征在于，所述步骤2还包括：
所述采集装置利用配置信息对指定的仪表设备实时读取所述能耗数据；
所述采集装置将所述能耗数据发送至能耗监测平台，所述能耗监测平台对所述能耗数据进行处理，获取监测结果；
所述能耗监测平台将所述携带有所述监测结果的所述能耗数据上传至所述主处理器。
5.根据权利要求4所述的建筑能耗数据采集方法，其特征在于，所述步骤3还包括：
所述主处理器对所述能耗数据添加身份验证信息，获取第一数据；
所述主处理器对所述第一数据进行加密，获取加密文件；
所述主处理器将所述加密文件通过以太网或者无线网络上传至所述服务器。
6.根据权利要求5所述的建筑能耗数据采集方法，其特征在于，所述步骤3还包括：
所述主处理器对所述能耗数据进行存储；
所述主处理器对所述第一数据进行存储；
所述主处理器对所述加密文件进行存储。
7.根据权利要求2所述的建筑能耗数据采集方法，其特征在于，所述主处理器接收所述能耗数据，包括：
主处理器发送数据上传指令给所述采集装置；
所述采集装置产生一个中断，
所述主处理器接收所述中断，触发中断服务程序，并在所述中断服务程序中触发数据接收功能。
8.根据权利要求7所述的建筑能耗数据采集方法，其特征在于，所述服务器接收所述加密文件，包括：
所述服务器发送数据上传指令给所述主处理器；
所述主处理器产生一个中断；
所述服务器接收所述中断，触发中断服务程序，并在所述中断服务程序中触发数据接收功能。
9.根据权利要求5所述的建筑能耗数据采集方法，其特征在于，所述身份验证信息包括建筑物编号、采集装置编号、采集点编号和数据包类型。
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