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1、智能計(jì)量節(jié)電控制管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案一、需求分析1. 應(yīng)用范圍智能計(jì)量節(jié)電控制管理系統(tǒng)面向的用戶范圍是學(xué)校、企業(yè)、和辦公大樓等用戶的用電監(jiān)測、控制和管理；以到達(dá)節(jié)約電能、減少浪費(fèi)的目的。2. 計(jì)量監(jiān)測和控制的對象學(xué)校和辦公大樓主要是照明用電、空調(diào)用電等；以單相的用電設(shè)備為主；同時(shí)有三相四線的用電設(shè)備。企業(yè)工廠主要是工業(yè)設(shè)備的用電；以感性負(fù)載為主；如電動機(jī)等；有三相三線、三相四線、單相的用電設(shè)備。3. 功能要求3.1 計(jì)量監(jiān)測功能對單個(gè)設(shè)備或供電線路的電能參數(shù)進(jìn)行測量和計(jì)算；如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、諧波參數(shù)等。能實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測的電能數(shù)據(jù)和以一定的時(shí)間間隔記錄歷史數(shù)據(jù)。能對獲取的實(shí)時(shí)電能數(shù)據(jù)和

2、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。3.2 控制管理功能通過設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)：電能和時(shí)間的量化控制。用電負(fù)荷門限控制。用電的時(shí)段控制。3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制管理通過多種形式的有線和無線網(wǎng)路最終聚集到互聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)中通過網(wǎng)絡(luò)把所有被監(jiān)管設(shè)備的電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡(luò)把用戶的設(shè)置參數(shù)和控制命令下發(fā)給各個(gè)用電監(jiān)控的末端的監(jiān)測單元；進(jìn)行控制和管理。3.4 監(jiān)控中心的軟件管理平臺監(jiān)控中心的軟件采用B/S瀏覽器和效勞器的架構(gòu)；用戶通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就可以查看信息和處理用電管理事務(wù)和控制用電情況。軟件包括通信效勞器局部、數(shù)據(jù)處理局部、和Web管理網(wǎng)站局部。通信效勞器可以處理大量的并發(fā)連接；數(shù)據(jù)處理對電能數(shù)據(jù)和用

3、戶信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)和處理；用戶可以方便快速的獲取想要的信息和處理管理事務(wù)。二、 系統(tǒng)架構(gòu)和組成智能計(jì)量節(jié)電控制管理系統(tǒng)在總體邏輯上可以分為三層：測量控制設(shè)備工作在系統(tǒng)的末端；中間層是現(xiàn)場通信終端或集中器、PDA手持終端；上層是監(jiān)控中心的通信設(shè)備、數(shù)據(jù)設(shè)備和軟件。系統(tǒng)組成框圖如下：監(jiān)測管理中心計(jì)量節(jié)電插座現(xiàn)場通信終端PDA手持終端單相計(jì)量節(jié)電控制器三相計(jì)量節(jié)電控制器1. 末端測量和控制設(shè)備 測量和控制儀器設(shè)備即計(jì)量節(jié)電控制器直接和被監(jiān)測管理的用電設(shè)備和線路相連。通過傳感器采集交流電信號；通過計(jì)算獲得各種電能參數(shù)。通過控制開關(guān)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)對用電線路進(jìn)行控制。計(jì)量節(jié)電控制器內(nèi)部帶微控制器能進(jìn)行根本的數(shù)據(jù)處

4、理、算法和IO控制。計(jì)量節(jié)電控制器形式多樣；有單相計(jì)量節(jié)電控制器、三相計(jì)量節(jié)電控制器；插座形式的；單路的和多路的；直接式的或非直接式的等。計(jì)量節(jié)電控制器有多種通信接口用來組網(wǎng)和通信；如485接口、紅外通信口、小范圍無線通信口等。計(jì)量節(jié)電控制器控制機(jī)構(gòu)有內(nèi)部繼電器控制和繼電器輸出控制外部開關(guān)。2. 現(xiàn)場通信終端現(xiàn)場通信終端在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)收集各個(gè)計(jì)量節(jié)電控制器的電能數(shù)據(jù)并上傳到監(jiān)控中心；接收監(jiān)控中心的設(shè)置和命令并分發(fā)給各個(gè)計(jì)量節(jié)電控制器?，F(xiàn)場通信終端有較強(qiáng)的通信功能；內(nèi)部采用32位的ARM控制器；有大容量的數(shù)據(jù)存儲器。通信接口有485接口、小范圍的無線通信接口和計(jì)量節(jié)電控制器通信；配有GPRS無線通

5、信接口或以太網(wǎng)接口接入互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控中心進(jìn)行通信。3. PDA手持終端PDA手持終端方便用戶在現(xiàn)場對計(jì)量節(jié)電控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)抄讀和設(shè)置。同時(shí)PDA手持終端可以通過網(wǎng)絡(luò)等手段和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫效勞器進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制和同步。把現(xiàn)場抄得的數(shù)據(jù)歸并到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫效勞器中。PDA手持終端運(yùn)行Windows CE的操作系統(tǒng)；友好的圖形用戶界面；同時(shí)給PDA配置各種不同通信接口以適應(yīng)需要如：紅外通信、無線通信、串口通信、WiFi等。4. 監(jiān)控管理中心監(jiān)控管理中心有通信效勞；通過互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議 TCP/IP和所有的現(xiàn)場通信終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的抄讀和接收、設(shè)置參數(shù)和控制命令。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)GSM短

6、信的調(diào)度發(fā)送。監(jiān)控管理中心用數(shù)據(jù)庫效勞器存儲和管理重要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和用戶信息。數(shù)據(jù)處理軟件模塊可以對用電監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等。監(jiān)控管理中心的用戶界面是Web網(wǎng)站的發(fā)布；Web網(wǎng)站的設(shè)計(jì)采用效勞器端的腳本引擎來開發(fā)動態(tài)的數(shù)據(jù)驅(qū)動的網(wǎng)站；同時(shí)用Ajax客戶端技術(shù)來提升用戶操作功能和響應(yīng)速度。Web程序通過數(shù)據(jù)處理模塊來和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。三、系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和形式系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)有現(xiàn)場端的小區(qū)域組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程的公共網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。小區(qū)域組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)有RS485網(wǎng)絡(luò)、小區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)等；用的是標(biāo)準(zhǔn)的或自定義的通信協(xié)議。遠(yuǎn)程的公共網(wǎng)絡(luò)有GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)；通信協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通信協(xié)議；應(yīng)用層的協(xié)議和數(shù)據(jù)

7、格式是自定義的。1. RS485通信網(wǎng)絡(luò)通過 485總線把小范圍的各個(gè)計(jì)量節(jié)電控制器連接起來和一個(gè)現(xiàn)場的通信終端或集中器相連；通信終端為主設(shè)備、計(jì)量節(jié)電控制器是從設(shè)備。485網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淙缦拢含F(xiàn)場通信終端A B 計(jì)量節(jié)電控制器計(jì)量節(jié)電控制器計(jì)量節(jié)電控制器-2. 小范圍無線網(wǎng)絡(luò)目前采用Nordic公司的nRF2401無線收發(fā)器模塊來實(shí)現(xiàn)小范圍的無線通信；工作頻段是2.4G；組網(wǎng)用一點(diǎn)對多點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫切途W(wǎng)絡(luò)；如下所示：通信終端集中器計(jì)量節(jié)電控制器計(jì)量節(jié)電控制器3. 遠(yuǎn)程公共通信網(wǎng)絡(luò)目前的遠(yuǎn)程通信有兩種形式：一種是利用GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)；通過GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)。另外一種是通過以太網(wǎng)

8、接口利用寬帶網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)。現(xiàn)場通信終端的上行端口需具備這兩種形式。網(wǎng)路示意圖如下：互聯(lián)網(wǎng)Internet網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)寬帶接入GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)量節(jié)電控制管理系統(tǒng)通信終端四、硬件根本設(shè)計(jì)框圖1. 計(jì)量節(jié)電控制器的硬件功能框圖電流電壓傳感器 MCU控制芯片電能計(jì)量芯片 小范圍無線通信發(fā)送接收器電力繼電器或開關(guān)電源模塊顯示和按鈕EEPROM485接口紅外接口2. 現(xiàn)場通信終端的功能框圖現(xiàn)場通信終端主要是從無線網(wǎng)絡(luò)收集各個(gè)計(jì)量節(jié)電控制器和插座的測量數(shù)據(jù)并通過GPRS通信口或以太網(wǎng)通信接口傳送到電耗監(jiān)測管理中心的計(jì)算機(jī)。MCU控制芯片小范圍無線通信發(fā)送接收器GPRS無線模塊電源模塊顯示和按鈕EEPRO

9、MRS485通信口以太網(wǎng)控制器五、 監(jiān)控中心上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件建議采用三層架構(gòu): 數(shù)據(jù)效勞層(數(shù)據(jù)庫存取); 通信效勞; 用戶界面.用戶界面 (數(shù)據(jù)庫客戶端或?yàn)g覽器)數(shù)據(jù)通信效勞(和通信客戶交互)數(shù)據(jù)庫效勞器Web效勞器5.2數(shù)據(jù)通信效勞模塊通信效勞程序通過GPRS或以太網(wǎng)接口接收數(shù)據(jù); 先把大塊數(shù)據(jù)收上來; 然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和分解; 再把數(shù)據(jù)單元存入數(shù)據(jù)庫的表中.通信采用TCP/IP互連網(wǎng)協(xié)議。5.2數(shù)據(jù)庫效勞器數(shù)據(jù)庫效勞器選用Microsoft SQL server 或 MySQL server . 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)5.3 Web 效勞 和 直接數(shù)據(jù)庫客戶端: 軟件開發(fā)可以基于Microsoft dot Net 平臺; 六 、系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)1身份認(rèn)證過程數(shù)據(jù)中心使用MD5算法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集器身份認(rèn)證，密鑰長度為128bit，具體過程如下：1TCP連接建立成功后，數(shù)據(jù)采集器向數(shù)據(jù)中心發(fā)送身份認(rèn)證請求；2數(shù)據(jù)中心向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)序列；3數(shù)據(jù)采集器將接收到的隨機(jī)序列和本地存儲的認(rèn)證密鑰組合成一連接串，計(jì)算連接串的MD5值并發(fā)送給數(shù)據(jù)中心;4數(shù)據(jù)中心將接收到的MD5值和本地計(jì)算結(jié)果相比擬，如果一致那么認(rèn)證成功，否那么認(rèn)證失敗。認(rèn)證密鑰存儲在數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)采集器的本地文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)中心可以通過網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)采集器的認(rèn)證密鑰進(jìn)行更新。