CN103051649A - 综合能耗监测管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合能耗监测管理系统，属于电信技术领域，主要特点是设置NOX业务管理平台，基于嵌入式SoC芯片实现无线工业监控应用平台技术，包含硬件平台和嵌入式操作系统软硬件平台；开发能耗监测管理平台软件，基于NOX业务管理平台，根据用户需求进行业务定制；开发能耗监测采集器，基于无线工业监控应用平台技术，开发设计低功耗低成本的监控终端，本发明采用嵌入式SoC芯片的综合能耗监测系统，具有能耗低，价格低廉，性能指标优越，立足国内后期维护升级方便的优势。从基站电能表自动获取各项参数，再利用通信模块将数据以无线数据通信方式发送到管理中心，最后管理中心对各项数据进行分析处理，并以多种方式将分析结果呈现给管理者。

Description

综合能耗监测管理系统

技术领域

本发明涉及一种综合能耗监测管理系统，属于电信技术领域。

背景技术

在国家开展节能减排工作的大背景下，电信运营商根据国家十二五规划的节能减排总体目标，结合自身情况制定了节能减排目标，开展大量的节能减排工作。集团制定节能减排考核体系，并将纳入对省公司年度考核扣分项。考核指标分定量和定性两方面，定量指标以2010年能耗数据为基础，根据各省实际情况制定2011年各省能耗目标，定性指标将分别从组织保障、统计分析、内外宣传、重点举措等几个方面进行设定。

电信运营商开展节能减排工作，需要经过数据收集、数据分析、节能措施实施、节能改造评估、能耗预测几个阶段。目前电信运营商主要通过人工估算、手工统计的方式管控能耗，采集的数据偏差大，采集的数据颗粒度大，无法进行细化分析。

通过无线进行远程数据采集从80年代起介绍到中国并迅速得到广泛的应用。在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信号电缆用量、节省安装费用等方面的优点也得到用户的肯定。一个监控终端可以有几个、几十个或几百个I/O点，可以放置在测量点附近的现场，能够实现数据采集及处理、数据传输(网络通信)功能，部分产品还具备更复杂的控制功能或逻辑控制功能、流量累计功能等等，使得远程测控终端已经成为构成企业综合自动化系统的核心装置。采用专用SoC芯片的无线网络工业监控系统，可理想地实现企业中央监控与调度系统对生产现场一次仪表的遥测、遥控、遥信和遥调等功能，可以提高相关产品的竞争力、降低成本，是国内外科技的发展趋势。

由于远程采集系统的应用非常广泛，所以国内外从事远程测控研制生产的单位很多，其中无线远程测控产品也比较多。国外的产品主要是有西门子，欧姆龙等著名跨国公司提供无线远程测控网络整个解决方案。国内公司主要有台湾研华、泓格、北京安控科技、中泰研创、浙江华立、深圳宏电、厦门桑容等公司研制生产有线或者无线的工业监控产品，目前在各个行业都有广泛的应用。但是这些产品都采用的多芯片的集成的设计方案，国内的产品也主要使用的是国外进口的核心芯片，产品生产成本比较高，而且升级维护都要得到国外厂商的支持。

无线远程测控网络的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限制，解决了成本问题，通过传感器技术、计算技术和无线通信技术的融合，大大缩短了人和自然之间的距离。但在工业环境特定的应用背景下，直接使用现有的芯片或者现在市场上已经存在的系统不能满足各个行业复杂的应用要求。因此我们与东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心合作采用具有自主知识产权的工业监控专用SoC处理芯片及其无线应用平台来实现本方案。本项目从综合能耗监测管理系统和无线数据采集终端入手，逐步应用于其他领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合能耗监测管理系统，解决现有国外的有线或者无线的工业监控产品都采用的多芯片的集成的设计方案，国内的产品也主要使用的是国外进口的核心芯片，产品生产成本比较高，而且升级维护都要得到国外厂商的支持的现状，通过采用具有自主知识产权的工业监控专用SoC处理芯片及其无线应用平台实现本方案，并从综合能耗监测管理系统和无线数据采集终端入手，逐步应用于具他领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种综合能耗监测管理系统，其特征是，设置NOX业务管理平台，该平台技术能够封装了底层数据通信接口、数据库操作、工作流转、文档搜索功能，提供了界面开发控件库，规范了业务功能开发流程，是进行快速需求响应的基础；建立基于嵌入式SoC芯片实现无线工业监控应用平台技术，该技术包含硬件平台和嵌入式操作系统等软硬件平台，是进一步研究的技术基础；开发能耗监测管理平台软件，基于NOX业务管理平台，根据用户需求进行业务定制；开发能耗监测采集器，基于无线工业监控应用平台技术，开发设计低功耗低成本的监控终端。

本发明所述系统采用嵌入式SoC芯片的综合能耗监测系统，具有能耗低，价格低廉，性能指标优越，立足国内后期维护升级方便的优势。从基站电能表自动获取各项参数，再利用通信模块将数据以无线数据通信方式发送到管理中心，最后管理中心对各项数据进行分析处理，并以多种方式将分析结果呈现给管理者。

附图说明

图1为本发明中SoC芯片的框图。

具体实施方式

结合附图和实施例进一步说明本发明，本发明包括四个方面：

1)开发NOX业务管理平台，该平台技术能够封装了底层数据通信接口、数据库操作、工作流转、文档搜索功能，提供了界面开发控件库，规范了业务功能开发流程，是进行快速需求响应的基础。

2)开发基于嵌入式SoC芯片实现无线工业监控应用平台技术，该技术包含硬件平台和嵌入式操作系统等软硬件平台，是进一步研究的技术基础。

3)开发能耗监测管理平台软件，基于NOX业务管理平台，根据用户需求进行业务定制。

4)开发能耗监测采集器，基于无线工业监控应用平台技术，开发设计低功耗低成本的监控终端。

开发NOX业务管理平台。

NOX平台是一个基于Sun J2EE平台的MVC框架，其设计思想为基于JAVA开源框架Structs2，设计完善的业务库，利用成熟Javascript技术，形成高效的开发规范，使得项目具有共性的80％开发工作量在20％的时间内完成，同时仍保持续良好的可拓展性。NOX平台由NOX核心库、NOX业务库、NOX界面库、NOX二次开发规范四个部份组成。NOX核心库主要完成数据持久、通用数据类型处理、WEB请求处理、数据库封装。NOX业务库整合了Structs2框架、JBPM工作流、luence搜索引擎，实现了通用管理应用平台所应具备的资源、区域、角色、用户、权限日志管理功能、知识库搜索、工作流订制、公文模板套红，实现了一些应用中通用的开发模板如：CURD操作、EXCEL导入导出、FLASH图表、本地插件应用(如读卡器、身份证识别器、指纹机等外围设备)，NOX界面库目前支持两种形式JSP+JQuery，EXTJS，两种界面库均采用了富客户端技术。NOX二次开发规范则描述了采用NOX框架进行设计时，项目组成员之间、应用软件与框架之间、NOX核心库与NOX业务库之间、NOX业务库与NOX界面库之间应遵循的规范。

提供一个统一的开发模式，项目间的人力物力资源可以共享；一些公用的基础库可以共享，并且集中管理和进行不断的改进；在项目业务和细节直接编码之间建立一个中间模块，以提升项目需求的响应效率，提升项目质量。

在设计平台是充分体现了java语言面向对象，抽象建模的编程思想，以达到高内聚低耦合的效果。在同类的B/S架构软件平台中，使用传统MVC设计，利于界面分层开发，并充分考虑到对富媒体Ajax技术的支持，提供了相应的插件式模块设计。

NOX平台是在原有YFFRAMEWORK、YF2010平台基础上增加了丰富的富客户端技术和文档搜索引擎，重新定义了开发流程。提供统一的组织结构管理、统一的业务系统Portal(UI集成技术、SSO)、分层的业务开发模式、统一的业务接口公开框架、统一的第三方业务接口引入框架、统一的数据访问总线控制。

统一的组织结构管理为用户提供组织结构管理、岗位、角色管理、权限控制等管理模板，提高用户二次业务管理开发的速度。

统一的业务系统Portal提供一个功能强大的、可延伸的信息门户及客户关系管理平台。门户应用平台包含客户档案管理(ProfileManagement)、个性化服务、多渠道交互及门户开发管理框架等组件。其中重点研究内容包括：全方位客户视图的建模与管理、个性化规则引擎、内容聚合与信息、知识提取机制、协同工作机制、内容管理与发布机制、多渠道信息管理机制等。

工作流技术为工作流自动化和构建流程应用提供基础平台，实现了流程逻辑与业务逻辑的分离，支持业务流程的分析和规范化定义以及业务单元的自动组装，降低了复杂流程应用的开发难度，提高应用系统的管理效率。工作流技术重点研究内容包括：工作流引擎、工作流管理集成机制、建模工具、协同工作机制、流程设计器和流程监控工具等。

基于嵌入式SoC芯片的无线工业监控前端应用平台的研究

工业监控系统前端终端要求能够实时检测各自检测点的各类参数，进行采集并储存，当调度中心向其下发采集命令时，根据采集要求向中心上报数据。此外，还带有控制输出端口，控制管理级可通过RTU的输出端口对执行设备实现远程控制。其性能指标、可靠性程度、通讯接口的灵活性以及成本价格等，都决定了它的实用性。目前的应用需求主要有：

性能要求越来越强。对于被监控设备环境的数据采集、传输，要求能够进行更多、更快、更准的数据采集、存储和显示。另外，RTU还能够充当系统中一个独立的工作站，需要能够自主运行比较复杂的自动控制算法，可以独立完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID等工业上常用的控制调节功能。这样就对RTU处理器的功能、性能、存储空间等提出了更高的要求。

网络接口要丰富。互联网技术应用的发展，自动控制系统中也开始大量采用INTERNET/INTRANET网络技术、继续扩大SCADA和企业EMS等其他系统的集成。目前，人们提出了网络控制系统(NCS，NetworkedControl System)的概念，用网络控制系统NCS，实现局域乃至全球范围内的监视和控制，是工业控制系统的发展趋势。这也对RTU在通信接口上提出了更高的要求，需要RTU在支持传统现场总线标准、规约的基础上，能够支持以太网，无线通讯等更多的网络接口。

功耗要求更低，可靠性要求更高。随着工业应用自动化水平的提高，以及应用范围的拓展，在很多应用场合要求RTU终端要抛去传统的“两线”，即数据线和电源线，更多的RTU将长期工作在无人值守、周边条件非常恶劣的环境中，譬如沙漠、森林、地下、深水中等等，这就对RTU的可靠性和低功耗提出了非常高的要求。

针对以上对产品的性能、功能、低功耗、可靠性方面要求的提高，以及工业监控网络的广泛应用，本项目致力于采用自主的SoC芯片，配套相关软硬件的开发技术，建立工业监控系统的研究平台。

针对RTU应用的SoC芯片的主要内容有：

1)、低功耗、高性能的32位RISC处理器内核；

业界事实标准的32位RISC处理器内

处理器内核运行在100MHz

支持16位Thumb指令集

EmbeddedICE JTAG软件调试接口

2)、SoC芯片内，内嵌SRAM存储器，可以满足绝大多数工业控制应用领域的程序和数据存储需要，支持扩展存储接口；

可寻址最大可达128Mbytes空间的ROM、SRAM、FLASH。

每个片选支持的最大寻址范围为64M。

每个片选可配的起始地址.

启动片选可以选配16位总线或32位总线

每个片选可以单独配置16位或32位总线

3)、针对RTU对数据采集的需求，采用数模混合设计技术，在SoC芯片内可调增益运算放大器(PGA)和多通道、高精度Δ-∑型A/D转换器，最高分辨率能够达到16位；

4)、针对工业控制应用领域多种通信接口的需求，在SoC芯片内内置3个UART串口，1个以太网MAC控制器，1个支持短距离无线通信的接口控制器；

5)、面向未来越来越广泛的低功耗应用，采用软硬件协同设计的方法，在SoC芯片内内置PMU(功耗管理单元)，系统开发者可以根据应用需求和负载变化，选择最佳的功耗管理策略。

6)、在SoC芯片内嵌比较通用于工业控制场合的IP模块，包括

1个实时时钟(RTC)模块

3个16位计数器(TIMER)模块

1个可变脉宽调制(PWM)模块

2个同步串行口模块(SPI，I2C)

中断控制器模块

7)、内置面向工业控制应用LCD控制器，LCD控制器(LCDC)为外部的灰度或彩色LCD屏提供显示数据。LCDC可支持黑白、灰度、被动矩阵彩色和主动矩阵彩色的液晶屏。

8)、针对工业测控领域应用的多样性、硬件功能有限、资源受限、可靠性、实时性、分布式协作等特点，研究和设计适用于专用SoC芯片的嵌入式软件系统，和SoC芯片共同构成产品开发的基本平台。

开发综合能耗监测管理平台软件。

综合能耗监测系统通过分散计量装置采集原始能耗数据，依托原有动力环境监控系统的传输通道或新建有线、无线传输通道，汇集各类能耗数据。系统能耗监系统应满足各个部门对于能耗数据的要求，根据不同类型机房、不同业务、不同设备的能耗情况，构建能耗基础数据库。在分析能耗特征和现状的基础上，结合业务发展和区域特征，形成有效的能耗评估模型。通过对使用重点节能技术改造前后的能耗数据进行分析，分析其在不同情况下的节能效果、投资效益，为集团下一步推广应用节能技术提供依据。通过能耗监测系统的建设，实时掌握总体能耗消耗数据，掌握能耗增长趋势和增长方向，为制定企业发展策略和业务发展重点提供参考。

省级能耗监测管理系统主要包括能耗数据采集层和能耗管理平台层；对于已建设有能耗监测管理系统地市，要求能够按照省平台规范定期上报数据；对于未建设有能耗监测管理系统地市，则新增能耗数据采集服务器，并能够按照省平台规范要求上报数据至省能耗管理平台，通过省能耗管理平台进行数据分析。在精细化管理应做到以下几个方面，统一资源数据建立统一组织局站、用房、设备、电表、水表等资源数据，可能情况下与资源管理系统相对接；维度分析管理，统一上报数据分析维度(宏观把控)；可自定义的地市分析维度(发现节能改造关键点)；数据分类管理，远程采集可精确到小时，文件导入数据如电、水、油、气、月报颗粒度，用于评估与预测分析；预留集团接口，预留与集团能耗管理平台连接的接口，实现系统应用的灵活扩展。

工业监控终端产品的攻关研究

基于嵌入式SoC芯片和嵌入式操作系统软硬件平台开发工业监控终端应用产品，该产品更适合在恶劣环境中工作；具有多种结构形式、多种配置和多种功能的选择，提供的I/O接口数量可从几个扩展到几百个，用户可根据实际需要进行定制、集成、开发和应用；灵活多样的通讯方式更是让用户在组建无线传输系统时轻松自如。工业监控终端是建立在被称为2.5G的无线数字蜂窝网络，它将分组传输的技术引入GSM\CDMA网络，为无线通讯提供了一种有效的手段，正被逐渐应用于远程数据采集与监控。

基于嵌入式SoC 芯片的嵌入式实时软件设计技术。

面向工业应用的嵌入式实时操作系统的关键在于面对密集并发的需求能够实时响应，设计具有优良性能，能够实时响应，并且功耗敏感的专用操作系统，是自主SoC芯片能够真正发挥作用的关键保证。在设计中，我们将采用任务加事件的两级调度的操作系统任务调度算法，调度的方式是任务不抢占事件要抢占，调度的算法是简单的FIFO，任务队列是功耗敏感。本调度模型有以下的特点，基本的任务单线程运行到结束，只分配单个任务栈，这对内存受限的系统很重要。FIFO的任务调度策略是电源敏感的。当任务队列为空，处理器休眠，等待事件发生来触发调度。采用两级的调度结构可以实现优先执行少量同事件相关的处理，同时打断长时间运行的任务。基于事件的调度策略，只需少量空间就可获得并发性，并允许独立的组件共享单个执行上下文。同事件相关的任务集合可以很快被处理，不允许阻塞，具有高度并发性。除了核心调度算法的重新设计以外，要实现适应于自主SoC芯片应用的操作系统，还要在以下几个方面进行改进：

采用经过特殊设计的组件模型，其目标是高效率的模块化和易于构造组件型应用软件。对于嵌入式系统而言，为了提高可靠性而又不牺牲性能，建立高效的组件模型是必需的。组件模型允许应用程序开发人员方便快捷地将独立组件组合到各层配件文件中，并在面向应用程序的顶层配件文件中完成应用的整体装配。

采用上动消息机制，主动消息模式是一个面向消息通信的高性能通信模式，早期应用于并行和分布式计算系统中。在主动消息通信方式中，每一个消息维护一个应用层级别的处理模块。当目标节点收到这个消息以后，就会把消息中的数据作为参数，并传递给应用层的处理器进行处理。主动消息机制可以让应用程序开发者避免使用忙等方式等待消息数据的到来，而且可以在通信与计算之间形成重叠，这可以极大的提高处理器内核的使用效率，并减少能耗。

基于消息中间件技术解决子系统的异构性。

在保证现有系统正常运行的情况下，解决现有环境下各子系统协议各异(socket、webservice、sybase数据库、sqlserver数据库)、同一子系统不同类型数据提供多个接口(告警、门禁日志、操作、更新、时间同步)、种类繁多的测量值、告警量。与全球眼系统相联，实现局站的图像可视化监测。

为此我们提供了一个基于多网络接入的通用监控平台(简称XMCPL)，能够兼容各种大中型数据库，简化各子系统之间的通信、屏蔽底层异构网络的复杂性。该平台能提供简便易用的开发设计环境，完善的日志跟踪机制，还具备支持省级应用、方便扩容等优点，经过攻关后其技术水平可达到国内领先水平。系统由SPP服务器、SPCOMM消息中间件和其他接口程序组成。系统支持多个SPP服务器进行负荷分担处理，这样方便扩容。每个SPP服务器的SPP主程序之间不通过本方案描述的方式通信。接口程序可以与多个SPP服务器联接。

业务运行环境(SPP)的分布式设计业务运行环境的设计是整个监控平台的核心，如何提供该环境运行时的可靠性、稳定性、安全性成为研究中的重中之重。首先从体系结构入手。平台提供了一个开放、简便的操作环境。采用一组分布在不同节点上的业务引擎来共同协作完成整个业务实例的执行。每个引擎负责完成其中一部分业务实例的执行，不同的工作流引擎之间通过可靠的通信机制(SPCOMM)实现协作。通过分布在不同网络节点上的多个业务引擎的协作来运行业务流程，可以明显改善集中式业务引擎的性能瓶颈问题。

其次从实现机制上入手。主要研究Caching技术、预取技术等。这方面的研究主要从客户访问行为分析入手，研究可以缩小响应时间的方法，这些技术可以在现有服务器设备的基础上尽可能地提高系统的性能，但性能提高的程度有限。

SPCOMM支持HDLC\SDLC\PSTN\GPRS\CDMA\SMS等方式的接入，针对不同网络设计单独的XSSM，统一分配模块ID，采用消息流转中间件进行整合，方便系统扩容。对硬件进行抽象，为应用层提供统一的接口，提供实体硬件驱动，适配常用通信硬件。

SPCOMM消息中间件技术重点研究的内容包括：接入管理、负载均衡、同步/异步数据通信等。建立分布式软件模块之间互操作的机制，屏蔽底层分布式环境的复杂性和异构性，为处于自己上层的应用软件提供运行与开发环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。它能有效的将工作流引擎、业务网关、多网络交换、短信网网关、数据处理引擎、日志服务集成起来。

Claims (6)

1.一种综合能耗监测管理系统，其特征是，设置NOX业务管理平台，该平台封装底层数据通信接口、数据库操作、工作流转、文档搜索功能，提供界面开发控件库，规范业务功能开发流程，进行快速需求响应；基于嵌入式SoC芯片实现无线工业监控应用平台技术，包含硬件平台和嵌入式操作系统软硬件平台；开发能耗监测管理平台软件，基于NOX业务管理平台，根据用户需求进行业务定制；开发能耗监测采集器，基于无线工业监控应用平台技术，开发设计低功耗低成本的监控终端。

2.根据权利要求1所述的综合能耗监测管理系统，其特征是，所述NOX平台由NOX核心库、NOX业务库、NOX界面库、NOX二次开发规范四个部份组成。

3.根据权利要求2所述的综合能耗监测管理系统，其特征是，所述NOX核心库完成数据持久、通用数据类型处理、WEB请求处理、数据库封装。

4.根据权利要求2所述的综合能耗监测管理系统，其特征是，所述NOX业务库整合了Structs2框架、JBPM工作流、luence搜索引擎，实现了通用管理应用平台所应具备的资源、区域、角色、用户、权限日志管理功能、知识库搜索、工作流订制、公文模板套红，实现了一些应用中通用的开发模板。

5.根据权利要求1所述的综合能耗监测管理系统，其特征是，所述NOX界面库目前支持两种形式JSP+JQuery，EXTJS，两种界面库均采用了富客户端技术。

6.根据权利要求1所述的综合能耗监测管理系统，其特征是，所述NOX二次开发规范则描述了采用NOX框架进行设计时，项目组成员之间、应用软件与框架之间、NOX核心库与NOX业务库之间、NOX业务库与NOX界面库之间应遵循的规范。

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