基于虚拟仪器技术的智能小区电能采集系统设计.pdf

575http:/王港茅佳艺）基于虚拟仪器技术的智能小区电能采集系统设计（董健平杨成佳韩成浩75OO化建筑智能*基于虚拟仪器技术的智能小区电能采集系统设计董健平杨成佳韩成浩王港茅佳艺（吉林建筑大学电气与计算机学院，长春市130118)Design of Power Consumption Data Acquisition System for Intelligent CommunityBased on Virtual Instrument Technology*DONG JianpingYANGChengjia HANChenghaoWANG GanggMAOJiayi(School of Electrical Engineering and Computer Science,Jilin Jianzhu University,Changchun130118,China)Abstract:In response to the data acquisition andtransmission issues of electricity metering devices inboth on-site and remote monitoring scenarios,thisarticle presents the design of a power consumption dataacquisition system for intelligent community based onvirtual instrument technology.The system utilizes theModbus protocol and RS-485 communication circuit tocollect data from electricity meters,which is thenfiltered and transmitted to the on-site power queryinterface and the data acquisition interface of themaster computer for display.The interfaces enabledirect on-site access to power consumption data andremote monitoring，s t o r a g e o f d a t a,a n d r e a l-t i meobservation of power trends.Keywords:powerconsumptiondata;intelligentt community;Modbusprotocol;RS-485communication;serialcommunication;virtualinstrument;data acquisition;data transmission摘要：针对电表设备在现场和远程监测的数据采集传输问题，设计基于虚拟仪器技术的智能小区用电信息电能数据采集系统。系统采用Modbus协议通过RS-485通信电路采集电表数据，数据经筛选处理后传输到现场电能查询界面和上位机数据采集界面进行显示。可以实现在现场直接查询电能数据信息，还可以远程监测、存储数据信息并观测到电能的实时走向。关键词：电能数据；智能小区；Modbus协议；RS48 5通信；串口通信；虚拟仪器；数据采集；数据传输中图分类号：TP274+.2文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1003-8493.2023.08.0130引言随着社会经济的迅猛发展，企业和居民对电力方面的需求量日益增多，用电范围逐渐扩大，这就导致电能信息量的急剧增长，时刻都有大量数据需要采集 。因此，关于电能数据如何采集已逐渐成为各企业关注的热点话题。现如今电能数据查询普遍采用上位机进行查询 2 ，而在采集现场却很少设置专门的查询界面，用户想要查询用电情况十分不便。因此，针对现场电能查询界面缺少情况，提出采用STC8A系列芯片作为微控制器，在远程监测基础上增加电能现场查询界面对智能小区电能数据采集系统进行设计研*：长春市科技计划项目，项目名称：基于大数据的智慧校园管理平台关键技术研究，项目编号：18 DY026。作者信息董健平，女，吉林建筑大学电气与计算机学院。杨成佳，男，吉林建筑大学电气与计算机学院，副教授，硕士生导师。韩成浩，男，吉林建筑大学电气与计算机学院，教授，硕士生导师。王港，男，吉林建筑大学电气与计算机学院。茅佳艺，女，吉林建筑大学电气与计算机学院。576http:IAug.2023Vol.42No.8762023年第8 期ELECTRICITYBUILDING建筑电气究。现场电能查询界面一方面可以进行独立通信显示实际电能用量，另一方面在发生火灾后可以查询用电信息，为事故调查提供重要依据。上位机数据采集界面能够实时接收到电能数据信息、查询用电情况并且可以观测到电能实时走向，这为日后进行大规模数据采集处理 3、预测用电总量、工作人员调整用电结构进行节能设计提供便利。1电能采集系统方案设计1.1系统结构设计本系统主要由终端电表设备、数据采集模块、数据存储模块以及串口屏、上位机等组成，可以实现对多种类型电表的数据接收与显示。此次以STC8A8K32S4A12作为主控制器与各模块进行信息交互，进行数据处理、命令下发等工作。系统整体结构如图1所示。管理层数据库存储串口通信上位机显示主控制器串口通信数据存储模块串口屏MCU现场控制数据采集模块RS-485总线8888B日日日多种电表类型图1电能采集系统总体框图Fig.1Overall block diagram of power consumptiondata acquisition system1.2Modbus通信协议Modbus通信协议是应用于电子设备间进行信息交流的一种通用语言 4。它是在应用层上使用的一种具有主从结构的通信协议。在半双工通信方式下，至少需要一个主机来发送命令，它可以对应一个或多个从机与其进行数据通信。每个从机都具有单独的地址，当主机开始发送命令顿时，所有从机都可以接收到命令，但只有识别到正确地址的从机才会作出反应，根据相应命令向主机发送应答帧，而从机之间则不会产生任何通信。Modbus数据顿格式如图2 所示，设备地址表明主机发送命令顿设备地址设备地址功能码功能码寄存器地址字节数数据长度数据校验码校验码从机返回应答顿图2Modbus数据帧格式Fig.2Modbus data frame format主站要向哪个从机发送命令进行通信，功能码则是代表要对从机执行何种操作命令，寄存器地址放置的是参数的数据标识，从这里可以找到所需信息，数据长度则依照参数类型而设定。正常情况下，应答顿的地址为本机地址，字节数则依照主机查询参数类型而定，数据是按命令帧要求提供给主机的数据信息，Modbus协议有TCP模式、ASCI模式和RTU模式。在RTU模式下的数据顿单个字节（8 位）为2 个16进制字符，同时数据顿发送前后要留有至少3.5个字符的时间间隔，其中要发送连续的数据流并采用CRC校验。相较于ASCI模式而言，它的字符密度更大，会有更多的数据余量，而且通信效率更高。因此目前电表普遍采用ModbusR T U 通信协议进行通信，此次数据采集模块设计也是采用Modbus-RTU协议编写。2系统硬件电路设计2.1主控制器设计系统选用STC8A8K32S4A12单片机作为电路的主控芯片，它有着丰富的数字外设接口与模拟外设，可以满足实际设计需求。2.2通信电路设计RS48 5总线通信电路是为实现电表下行通信数据采集而设计，电表遵循Modbus协议采用RS-485标准串行接口实现电能信息传递。电路采用SN75LBC184芯片对RS-485总线进行差分数据传输。3系统软件设计电能采集系统的主程序设计是通过Keil5软件进577http:基于虚拟仪器技术的智能小区电能采集系统设计（董健平杨成佳韩成浩王港茅佳艺）77OO化建筑智能行编写，对MCU进行初始化参数设定，并依照Modbus协议进行电表数据采集通信设计，还要结合电表实际情况设计出现场电能查询界面以及上位机数据采集界面传输程序。3.1电能采集功能设计数据采集模块在采集数据之前首先要对查询的参数（总有功电能、电压、电流、功率）进行命令顿的初始化配置：将参数按照Modbus数据顿格式进行封装，并采用数组对参数数据顿进行分别存储。数据格式如下：设备地址是从机电表的地址，功能码选择03；寄存器地址按照采集参数所对应地址进行选择；而数据长度是将要采集的数据所占用的寄存器个数 5。由于采用ModbusR T U 协议进行通信，因此采用CRC校验以保证传输准确性。系统向电表发送数据帧格式依照电表地址、功能码、寄存器地址、数据长度和CRC校验码顺序进行指令编写，以读取电表电能数据为例，它的数据（16 进制）应为0103001D0002540D。初始化配置结束后允许RS48 5通信电路发送数据，以偶校验方式向电表发送对应数组。随后允许RS48 5通信电路接收数据，开启延时，等待电表应答并返回数据帧。开启串口中断接收数据帧时，为保证接收顺利，程序中加人5ms定时超过3.5个数据的接收时间，以此判断数据是否接收完成 6 。最后将接收到的数据顿存入数组当中以便后续数据传输。电能采集流程如图3所示。3.2数据通信设计现场数据传输是串口屏与硬件电路之间的通信，开始允许RS-485总线接收数据，开启延时命令顿初始化开启定时器允许RS-485总线发送数据MCU接收数据信息N串口偶校验接收完成发送数据顿YN关闭定时器接收完成Y保存到数组图3数据采集流程图Fig.3Flow diagram of data acquisition process通过串口进行信息传递。在串口屏上选择需要查询的变量，发送自定义数据顿到MCU，传输流程如图4所示。当MCU通过串口接收到数据信息后判断数据顿起始符是否正确，如果正确则开始正式接收数据并判断数据代表的是哪个参数，确认参数后向数据采集模块发送对应采集指令。MCU从串口接收电表返回的数据后会将电能信息进行存储，经过筛选处理后转换成ASCII码发送到串口屏，在上面显示电能信息。开始查询参数串口屏界面查询总有功电能电压电流功率进入MCU发送数据采集命令串口接收从RS-485总线传输来的电表数据进人串口中断，接收对应数据顿电表数据通过其它串口发送给串口屏N接收完成串口屏上显示电能信息Y结束图4王现场数据传输流程图Fig.4 Flow diagram of on-site data transmission process系统经过数据采集后由硬件电路向上位机进行传输，按照总有功电能、电压、电流、功率的顺序向电表循环发送对应数据，每隔1s循环一次，实现对电能的实时监测。向上位机发送的数据要经过处理才能向上传输。因此串口接收到的电表数据顿要依照Modbus协议，找到电能信息存放位置，将代表电能信息的元素从数组中提取出来，随后向上位机发送。由于数据发送量较大，上位机很难准确识别发送的起始位置，因此在电能数据前后加上起始符和结束符以确保上位机能够准确识别。4系统功能测试4.1现场电能采集显示采用TJC8048X570串口屏 7 对电能进行现场数据采集显示操作，该设备通过串口与MCU进行通信。通过USARTHMI软件对串口屏显示界面进行设计，为各查询参数添加“触摸热区”控件并编写指令578http:/Aug.2023Vol.42No.8782023-0717修回2023-05-20来稿2023年第8 期ELECTRICITYBUILDING建筑电气。向单片机发送自定义数据顿，实现电表数据显示功能。串口屏现场界面显示情况如图5所示。硬件电路先与上位机连接进行程序下载工作，下载完成后就可以单独进行数据采集查询，无需再与上位机进行连接。电路可直接与串口屏、电表进行通信，实现远程现场显示。通过在串口屏上点击“查询”按钮，蜂鸣器提示音响起，电能数据即可在屏幕上进行显示，此时显示的是电表当前电能使用情况。查询界面总有功电能2.21kWh查询电压225.8V查询电流0.71A查询总有功功率160W查询2023-05-0510:10:05返回图5现场电能查询界面Fig.5On-site powerquery interface4.2上位机数据采集显示上位机数据采集显示界面采用LabVIEW8软件进行设计，图6 为上位机数据采集界面，每隔1s接收一次数据。此时可以看到电表实时电能为2.31kWh、电压为2 2 6.9 V、电流为0.7 1A、功率为16 1.0 0 W，电能随着时间推移开始增长，电压在合理范围内波动。为了防止数据传输错误，在界面中添加“接收数据字节”模块，实时显示数据传输情况：数据顿以16进制形式向上位机一次发送12 个字节，并在正式数据前后添加自定义的帧起始符和结束符“F”、电表数据采集系统231kWh226.90v231-2306-227.05-227COM4115200286226.95-230关安口2269-2.302226.85-出23-2268246104161820222121462022161.00W4600-0000E608DE00.4700-A145200-a8-4600000E608DO00-4700-A14575-07885000000E60DD004700A14546000000E60BDC004700.A145150-076-46000000E608DC00.4700A14587446000000E608DE004700A145125-4500D000E608DE004700A14507210046000000E50800004700A14546000000E608D0004700A145750.84500000E608DD004700A1454600000E608DE00-4700A14540000000E608DE004700A14525-0644600.0000E608DE00.4700A1454880.0000E608DE004700A145460000E708DE004700A14510121416182022101222图6 上位机数据采集界面Fig.6Data acquisition interface of master computer“E，以此判断数据发送开始和完成。5结语本文基于电表实际应用环境设计了一种基于虚拟仪器技术的智能小区电能采集系统，在不同场所实现电表信息的实时采集、监测管理等功能。系统采用RS48 5通信电路，应用Modbus协议可靠地完成用电信息的数据采集，并设计两个界面供工作人员使用。现场电能查询界面可以直接查询到电能使用情况，无需进行远程查询，提高工作效率；上位机数据采集界面可以对数据进行分析，观测电能走向并记录电能信息。根据采集系统显示情况来看，系统稳定性较好，满足设计要求和实际使用需求，具备一定的应用价值。今参考文献1校杨志豪，陈向民，张静，等大数据环境下电力行业信息生态模型构建及应用研究 J情报科学，2020,38(5):88-92.2齐宝柱，任帅，杜运亮，等基于嵌入式平台的电能信息采集系统研究 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