作者：云南大學信息學院 何樂生副教授

1、背景

在全球氣候變暖形勢加劇的背景下，節能減排和發展低碳經濟已經成為我國經濟發展的根本性前提。為確保實現“十二五”節能減排約束性目標，緩解資源環境約束，應對全球氣候變化，促進經濟發展方式轉變，建設資源節約型、環境友好型社會，增強可持續發展能力，國務院制定了《節能減排“十二五”規劃》，規劃中明確指出當前節能減排工作存在的主要問題之一是基礎工作薄弱，節能減排標準不完善，能源消費和污染物排放計量、統計體系建設滯后，監測、監察能力亟待加強，節能減排管理能力還不能適應工作需要。

能源消費計量、統計和管理缺乏有效的數據采集和管理手段一直以來都是節能減排工作的瓶頸。其原因在于：能耗數據往往來自于各種各樣的計量儀表，包括五花八門的協議：如ModBus、Meter-Bus、P645等，且這些計量儀表不具備互聯網的功能，也很難通過云計算、大數據和移動互聯技術對能耗數據實時有效的管理、監督和資源調度。

“能耗數據在線感知系統”是在“物聯網”和“互聯網+”時代背景下，滿足云計算和大數據對能耗數據進行存儲、分析和處理需求，而設計的物聯網數據接入系統。系統通過一系列軟硬件，實時、準確的將其管理的能耗數據接入互聯網，對其進行有效的存儲，并通過健壯的用戶軟件接口為基于Web和移動客戶端的應用提供了有效的調用方式。為企業、智能建筑或政府職能部門實時獲取能耗信息，并為進行相應的組織、管理和決策提供了有力的技術保障。

2、系統構架

“能耗數據在線感知系統”屬于物聯網范疇，運行在物聯網的“傳感——傳輸——應用”三層結構中的傳感層和傳輸層，能夠將智能電表、遠傳水表和預付費氣表等智能儀表獲取的能耗數據實時地接入Internet。

能耗數據在線感知系統采用如下圖所示的架構，包括：負責系統調度和存儲的“中心機房”，負責能耗數據實時采集的“現場設備”，以及“最終用戶客戶端”三個主要部分構成，系統的核心是位于中心機房的“數據中心服務器”，而關鍵設備則是位于現場的“數據采集網關”。

1）現場設備

在生產車間或智能樓宇等數據采集現場，我們設計的“GCDG系列工業數據采集網關”實時地讀取連接于其上的各種智能儀表產生的能耗數據，并將其及時地上傳至中心機房中的數據中心服務器。GCDG系列工業數據采集網關采用高可靠性的嵌入式系統構建，提供8路2500V隔離保護的UART口，用于連接各類智能儀表，其中任何一路都可以配置為ModBus^®、P645或MeterBus等儀表類現場總線協議網絡的主機端口。GCDG系列工業數據采集網關的以太網端口則作為TCP服務器端發起與數據中心服務器的遠程通信，并根據服務器要求將能耗數據以可擴展標記語言（XML）格式，上傳至數據中心中的能耗數據庫中。

為防止數據在Internet路由過程中掉包或延遲過大等情況造成的對能耗數據完整性的影響，數據采集網關還支持數據的本地備份——在采集的同時，能耗數據還將被實時的備份于網關SD卡中的SQLite^®數據庫中。當能耗數據在傳輸中丟失或與中心機房數據庫失去同步時，數據中心服務器或現場采集系統的配置終端可通過網絡命令，調閱本地SQLite數據庫中的任何歷史數據。為方便使用，GCDG系列工業數據采集網關采用Web方式配置。任何支持HTTP的配置終端，都可以通過訪問數據采集網關局域網IP地址的80端口，實現對：各個端口現場總線協議類型和參數，數據采樣間隔，局域網IP地址，數據中心服務器IP地址和端口號等重要工作參數的在線配置。

2）中心機房

位于中心機房的“數據中心服務器”作為整個系統的調度者和控制者，首先需要通過Internet，從現場的數據采集網關處獲取能耗數據，并將其存儲在“能耗數據庫”中。為保證上述數據獲取和存儲部分功能軟件的健壯性，防止最終用戶客戶端訪問干擾，這部分功能采用Windows^®或Linux后臺服務形式實現。系統工作時，該后臺服務進程通過：數據采集現場局域網出口的公網IP，數據采集網關在現場局域網中的IP地址，智能儀表所在的數據網關UART口號及其在現場總線網絡中的編號等三個要素將獲取的能耗數據與具體的智能儀表相關聯。并將得到的數據存儲于中心機房的SQL“能耗數據庫”中。

“數據中心服務器”需要完成的另一重要工作是提供方便的最終用戶客戶端的訪問接口，我們通過Windows或Linux前臺運行的“數據中心程序”實現這一功能。數據中心程序提供“OPC^® (OLE for Process Control)服務器”和“開放的SQL數據庫”兩種業界標準數據接口，以供“最終用戶客戶端”的各種用戶平臺調用數據庫中的能耗數據。工業和智能樓宇節能方案提供商可以根據最終用戶習慣提出自己的信息化方案，選擇上述一種或兩種數據接口來獲取能耗數據：對于習慣在傳統的Windows環境下使用組態軟件和SCADA系統的工業用戶，建議采用基于Microsoft^®技術的OPC接口方案，以本系統能夠方便的和“InTouch”、“組態王”、“IFix”等流行組態軟件實現數據連通。對于采用Android、iOS等系統的移動客戶端用戶，則建議采用開發SQL數據庫接口，以實現本系統和這些最終用戶客戶端的數據交互。

對于有條件的大型企業，系統“中心機房”可由支持海量存儲，可長期可靠運行的高性能計算中心構建，對于不具備高性能計算條件的中小企業，系統“中心機房”可由一臺普通PC構成。當然，也可以考慮采用由高馳科技提供的數據中心租用業務，實時數據托管，以降低系統使用和維護成本。

3）最終用戶客戶端

工業和智能樓宇節能方案提供商可根據用戶需求定制最終用戶客戶端軟硬件，既可以針對政府職能部門和傳統工業用戶設計基于PC管理軟件的客戶端，也可以針對新型的移動互聯技術，設計基于Web或移動客戶端應用的客戶端。我們建議采用：

（1）由“陽光基業能源管控有限公司”推出的“能效在線^®”Web系統，該系統提供專業的能效分析，且與本系統的接口經過長時間的實踐驗證，可以在最短的時間內實現一個完整的能耗分析系統；

（2）我們正在設計的，基于Android和iOS的能效管控應用。我們將部分公開該系統的源碼，以供使用本系統的工業和智能樓宇節能方案提供商參考。