CN205139637U - 一种基于mbus的多功能能耗数据采集控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器，包括微处理器，所述微处理器分别与MBUS采集模块、无线网络模块、以太网模块、存储模块及显示模块相连，MBUS采集模块分别与用于采集能耗数据的数据采集单元相连，并将实时数据传输至微处理器，微处理器将实时采集的数据进行运算，将运算后的数据存至片上ROM一级缓存，并将运算后的数据导出至外部FLASH，完成数据信息的本地存储，同时将运算后的数据通过网络传输至服务器端。采集器具备有线和无线两种数据传输方式不再仅仅依赖于有线以太网做数据传输，从而对安装环境要求度不高，使采集器更加适合工业场合。

Description

一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器

技术领域

本实用新型涉及数据采集领域，具体涉及一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器。

背景技术

随着我国经济的发展，国家机关办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题日益突出。为加强对国家机关办公建筑和大型公共建筑的节能运行管理，2007年10月23日，建设部、财政部联合发布了《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》和《国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系建设实施方案》，要求在全国范围内逐步建立部级、省级、市级、区级能耗监测平台，最终建立起全国联网的能耗监测平台。能耗数据采集器是能耗监测采集子系统中对各计量装置能耗数据解析、处理、存储和加密远传到后台数据中心的关键设备。为了现有智能照明产品有机结合，将智能照明从户外引入建筑，需要在能耗数据采集器上增加相应的控制功能，研发新型的建筑能耗数据采集控制器。

目前的数据采集技术发展较快，已经有了不同的数据采集方式，但是目前的数据采集技术存在如下不足：

1、采集方式单一

目前数据采集技术大多采用485物理总线进行数据采集，随着目前居民区密度增加，采集点的密度增加，485总线的劣势愈实用新型显。比如通信速率会随传输距离的加长而迅速下降，这将严重影响采集数据的实时性；尤其布线不能随意连接分支，加大了布线难度，给现场施工人员加大了施工难度。

2、过分依赖于有线以太网的数据传输

当前数据采集技术往往通过485总线采集数据，通过以太网将数据传送至数据中心。在某些场合并不具备有线以太网布线，这就使得采集器传输数据受阻。使得采集器对安装地点了有了比较高的要求。

3、配置方法复杂，不易操作

目前部分厂家数据采集器通过串口方式进行现场的数据配置或通过远程服务器进行采集器的初始化配置，这种方法不易于现场的安装操作。现场串口的配置方式依赖于电脑使施工难度增加，对施工人员有专业性要求。服务器远端的配置方式，一方面不利于现场试验操作，另一方面由于不熟悉现场情况容易配置出错，直接导致数据采集的失败。

实用新型内容

为解决现有技术存在的不足，本实用新型公开了一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器，当有线网络传输不便时，即可通过无线网络完成数据传输。采用MBUS技术和485总线多种方式的完成数据信息的采集，并且支持单端口的多种协议的自适应识别，完成对水、电、气、冷、热量能耗数据的采集功能。

为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下：

一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器，包括微处理器，所述微处理器分别与MBUS采集模块、无线网络模块、以太网模块、存储模块及显示模块相连，MBUS采集模块与用于采集能耗数据的数据采集单元相连，并将实时数据传输至微处理器；

所述MBUS采集模块通过MBUS总线接口与微处理器通信，MBUS采集模块包括发送电路、接收电路及过载保护电路，发送电路通过DCDC升压电路和高速功率MOS管完成物理电平的快速转换，接收电路通过高精度电阻和电压比较电路完成信号解调，过载保护电路能够实时检测MBUS总线的线上电流，起到过载保护的作用。

进一步的，所述MBUS采集模块为MBUS信号调制解调电路，包括光耦隔离电路，光耦隔离电路输出端依次与电平转换电路、推挽功率放大电路、滤波输出电路相连，升压电路的输出端与电平转换电路相连，光耦隔离电路输入端依次与信号解调电路、电流采样电路、输入保护电路相连，所述滤波输出电路及输入保护电路均通过MBUS总线与数据采集单元通信。

进一步的，当微处理器向数据采集单元即终端仪表发送信息时，信号经过光耦隔离电路进入电平转化电路，电平转化电路在独立升压电路作用下实现总线36V电平的转换，电平转化电路的输出信号经过推挽功率放大电路进行放大，放大后的信号再经过滤波输出电路进行滤波，经过放大滤波后信号进入MBUS总线发送给数据采集单元。

进一步的，功率放大电路采用乙类推挽式电路，信号的输入与三极管T3的基极相连，三极管T3的集电极通过电阻Re3与三极管T1的集电极相连，三极管T3的分三路，一路与电阻R1的一端相连，另一路与三极管T4的集电极相连，第三路与三极管T1的基极相连，电阻R1的另一端分两路，一路与三极管T4的基极相连，另一路与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电阻Rc3的一端相连，电阻R2的另一端及三极管T4的发射极分别与三极管T2的基极相连，电阻Rc3的另一端与三极管T2的发射极相连，三极管T2的集电极与三极管T1的发射极相连，三极管T2及三极管T1的公共端为输出端。

进一步的，微处理器向数据采集单元即终端仪表发送信息时，当信号处于正半周时，T2截止，T1承担放大任务；当信号处于负半周时，T1截止，T2承担放大任务，乙类推挽式电路为利用Vbe扩大电路进行偏置的推挽电路，流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，利用T4管的Vbe基本为一固定值，适当调节R1、R2的比值，就可以改变T1、T2的偏压值，以减小信号的失真。

进一步的，当数据采集单元向微处理器发送信息时，信号经过输入保护电路进入电流采样电路，后经过信号解调电路，运用集成运放将电流信号解调为电压信号，通过光耦隔离电路进入微处理器完成通信。

进一步的，MBUS总线为半双工通信总线，在收发方向控制上采用的方式为：由内核自动控制方向，在其底层完成数据发送后，由串口驱动切换到接收模式。

进一步的，微处理器将实时采集的数据根据采集编码进行分类、分项处理，将处理后的数据存至片上ROM一级缓存，并将处理后的数据导出至外部FLASH，完成数据信息的本地存储，同时将能耗数据通过网络传输至服务器端。微处理器中数据的处理根据需要进行简单的加减或者其他算法。

进一步的，所述微处理器还与实时时钟模块通信，微处理器由电源模块进行供电。

进一步的，所述电源模块包括宽电压AC/DC模块及与其相连的过压保护电路、电源滤波电路及线性稳压电路。

进一步的，MBUS采集模块采用电压电流调制方式，微处理器与仪表之间为电压调制方式，仪表与微处理器之间发送数据为电流调制。

进一步的，电压调制时，静止状态时逻辑“1”，此时总线上的电压是36V；逻辑“0”时，总线电压降低12V，变为24V，由于传输线的阻抗会根据仪表和微处理器的距离发生变化，总线静态电流的大小因负载大小而发生变化，所以在仪表端的实际电压要略低于36V。因此仪表是根据12V电平的偏移而不是根据电压的绝对值来识别总线上的码流。仪表向微处理器发送数据时采用的是总线电流调制，总线电压保持不变。

进一步的，电流调制时，当微处理器向仪表发送“1”时，仪表所取电流为Imark；发送“0”时，仪表的MBUS接口会在Imark上加上11～20MA的脉冲电流，微处理器通过电流检测电路检测该调制电流，确定接收到的是“1”还是“0”。仪表为用于采集能耗数据的数据采集单元。

进一步的，所述基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器适用的拓扑结构组成网络包括星状型、环线型、总线型及树杈型。

上述基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器能够接收服务器主机通过上行信道传来的命令，同时通过下行信道对用户热量表进行相应的操作和管理，上行信道采用的是有线或无线以太网通信方式，下行信道则采用M-Bus总线方式连接到采集仪表。

本实用新型的有益效果：

1、采集器具备有线和无线两种数据传输方式不再仅仅依赖于有线以太网做数据传输，从而对安装环境要求度不高，使采集器更加适合工业场合。

2、采集器具备高速稳定的通讯速率，在4.8kb/s的通讯速率时可达到2.4Km的可靠通讯距离。

3、采集器的总线采集容量多，在4.8kb/s、2.4Km的可靠通讯距离时，可有多达500个接点的容量。

4、采集器采集总线允许串型、星型、交叉等任意接线分支的布线方式，并且具备极低的静态功耗，低达200Ua。使用普通双绞线，无极性二线制安装接线。

5、采集器总线与系统之间，隔离通讯设备可保证在遭雷击时可靠工作，恒流的电流环通讯方式，抗干扰性强。

6、具有设备自动登录等功能，可容纳多种设备，预留多种通讯协议，扩展方便；通过总线可向从设备提供200mA电流。

附图说明

图1a-图1c现场布线示意图；

图2采集器系统示意图；

图3MBUS模块示意图；

图4MBUS信号调制解调电路示意图；

图5利用Vbe扩大电路进行偏置的互补对称电路示意图；

图6交越失真示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

如图1a-图1c所示，搭载M-BUS总线的采集器可采用图中所示任一种拓扑结构组成网络，比如如星状型、环线型、总线型、树杈型等。在布线施工过程中，M-BUS总线上各节点的连接不分正负，无极性要求。这一特点为现场施工维护带来很大的方便，从设计上解决了人工接线导致的错误。这一特点使得M-BUS总线的扩展更容易，比RS-485总线的现场安装调试维护更方便。所有节点无须单独电源，全部由总线供给。这非常适合于比如燃气表、热量表、水表等无源节点的数据远程自动采集。网络内任意节点短路故障不会造成网络瘫痪，降低了维护的难度和成本。M-BUS总线通讯是一种适合低速数据采集场合的半双工通讯，主控器向节点发命令采用电平信号方式，节点响应主控器命令采用电流信号方式，这大大提高了通讯的可靠性和抗干扰能力。

如图2所示，微处理器还通过以太网物理层芯片连接以太网实现与远端服务器的通信，同时也可以通过无线网络介质间接接入以太网完成与服务器的通信。微处理器还将实时采集的数据根据采集编码进行分类分项加减运算，例如照明用电、空调用电、工业用水、居民用水等等，而后将数据存至片上nandFLASH一级缓存，并同时将数据导出至外部FLASH，完成数据信息的本地存储，同时将数据通过网络传输至服务器端进行存储和分析。

采集器能够接收服务器主机通过上行信道传来的命令，同时通过下行信道对用户热量表进行相应的操作和管理。上行信道采用的是有线或无线以太网通信方式，下行信道则采用M-Bus总线方式连接到采集仪表。其次，采集器拥有NANDFlash和外部微型SD卡存储能耗数据。并且可以通过液晶屏显示模块显示采集器的功能和运行状态。

如上图3所示，MBUS采用电压电流调制方式，主机到从机为电压调制方式，从机到主机发送数据为电流调制。主机到从机的信号发送采用电压调制，静止状态时逻辑“1”，此时总线上的电压是36V；逻辑“0”时，总线电压降低12V，变为24V，由于传输线的阻抗会根据从设备和主设备的距离发生变化，总线静态电流的大小因负载大小而发生变化，所以在从设备端的实际电压要略低于36V。因此从设备是根据12V电平的偏移而不是根据电压的绝对值来识别总线上的码流。从机向主机发送数据时采用的是总线电流调制，总线电压保持不变。当从机向主机发送“1”时，从机所取电流为Imark；发送“0”时，从站的MBUS接口会在Imark上加上11～20MA的脉冲电流。主站通过电流检测电路检测该调制电流，确定接收到的是“1”还是“0”。

如图4所示，当采集器向终端仪表发送信息时，信号经过光耦隔离进入电平转化电路模块，由独立升压电路实现总线36V电平的转换，为保证总线能够驱动足够多的仪表，信号经过功率放大模块进行放大，功率放大电路采用乙类推挽式电路，当信号处于正半周时，T2截止，T1承担放大任务；当信号处于负半周时，T1截止，T2承担放大任务，为了避免放大过程中产生的交越失真如图6所示。本实用新型采用如图5所示电路，利用Vbe扩大电路进行偏置的推挽电路，流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流。因此，利用T4管的Vbe基本为以固定值，只要适当调节R1、R2的比值，就可以改变T1、T2的偏压值，以减小信号的失真。利用推挽输出使得电平变化过程中的上升沿和下降沿变得更加陡峭，从而使MBUS的通信速率大幅度提高。经过放大滤波后信号进入MBUS总线发送给目标仪表。当仪表向采集器发送信息时，信号经过防护电路进入电流采样模块，后经过信号解调电路，运用集成运放将电流信号解调为电压信号，通过隔离光耦进入采集器主芯片完成通信。因MBUS总线为半双工通信总线，在收发方向控制上可以采用三种方式，一种方式是利用usleep接口，发送数据后，经过延时等待，再切换为接收模式。这种方式适用于波特率固定、发送数据的长度不变的情况。第二种方式是利用tcdrain接口(需要serial驱动中实现了该功能)，调用该接口，它会在底层数据完成发送后返回。由于仪表的响应时间较短，当接口返回后，再切换到接收模式为时已晚，和仪表的回应数据发生了冲突。本实用新型中采用第三种方式，即由内核自动控制方向，在其底层完成数据发送后，由串口驱动切换到接收模式，这种控制由于控制时序位于系统的底层，优先级别高相应快。

本实用新型采集器支持两种联网模式，同时兼容有线以太网和无线网络，能够根据具体安装环境及连接方式自适应连接以太网，访问服务器主机。

本实用新型采集器搭载MBUS主站控制收发电路，能够同时支持500个接点的数据采集。

本实用新型具备两种数据存储方式片上NANDFLASH和外部微型SD卡，最大存储三年能耗数据信息。

本实用新型具备显示功能，并且可实现本地和远程两种配置方式。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器，其特征是，包括微处理器，所述微处理器分别与MBUS采集模块、无线网络模块、以太网模块、存储模块及显示模块相连，MBUS采集模块与用于采集能耗数据的数据采集单元相连，并将实时数据传输至微处理器；

所述MBUS采集模块通过MBUS总线接口与微处理器通信，MBUS采集模块包括发送电路、接收电路及过载保护电路，发送电路通过DCDC升压电路和高速功率MOS管完成物理电平的快速转换，接收电路通过高精度电阻和电压比较电路完成信号解调，过载保护电路能够实时检测MBUS总线的线上电流，起到过载保护的作用。

2.如权利要求1所述的一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器，其特征是，所述MBUS采集模块为MBUS信号调制解调电路，包括光耦隔离电路，光耦隔离电路输出端依次与电平转换电路、推挽功率放大电路、滤波输出电路相连，升压电路的输出端与电平转换电路相连，光耦隔离电路输入端依次与信号解调电路、电流采样电路、输入保护电路相连，所述滤波输出电路及输入保护电路均通过MBUS总线与数据采集单元通信。

3.如权利要求2所述的一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器，其特征是，推挽功率放大电路采用乙类推挽式电路，信号的输入与三极管T3的基极相连，三极管T3的集电极通过电阻Re3与三极管T1的集电极相连，三极管T3的分三路，一路与电阻R1的一端相连，另一路与三极管T4的集电极相连，第三路与三极管T1的基极相连，电阻R1的另一端分两路，一路与三极管T4的基极相连，另一路与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与电阻Rc3的一端相连，电阻R2的另一端及三极管T4的发射极分别与三极管T2的基极相连，电阻Rc3的另一端与三极管T2的发射极相连，三极管T2的集电极与三极管T1的发射极相连，三极管T2及三极管T1的公共端为输出端。

4.如权利要求1所述的一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器，其特征是，所述微处理器还与实时时钟模块通信，微处理器由电源模块进行供电；

所述电源模块包括宽电压AC/DC模块及与其相连的过压保护电路、电源滤波电路及线性稳压电路。

5.如权利要求1所述的一种基于MBUS的多功能能耗数据采集控制器，其特征是，MBUS采集模块采用电压电流调制方式，微处理器与仪表之间为电压调制方式，仪表与微处理器之间发送数据为电流调制。