數據網關在電能計量管理系統中的設計

吳偉濤

摘要：我國電力市場正在走向國際化。而目前針對傳統電能管理方式存在的電能浪費現象，采用嵌入式系統構建了電能計量管理系統的數據網關，以提高電能管理的智能化和信息化程度，實現節約用電的目的。該數據網關硬件部分模塊結構和功能劃分清晰，工作可靠性較高;軟件部分結合硬件的模塊化結構進行模塊化編程，并對TCP/IP協議族進行了剪裁，數據經MD5校驗和AES加密后，網關系統傳輸數據的可靠性和安全性能均表現良好。

關鍵詞：電能計量管理;數據網關

引言

為了保證我國電力市場更好地發展，在推行和運營過程中，一定要完善相關的制度。尤其是在當今這個科學技術發展較快的時代，任何一個行業的發展和管理制度都必須趨于現代化。數據網關下的電能計量管理系統必須要實現電能數量計量自動化、網絡數據互通自動化等。加快電能計量管理系統的現代化發展，是為了提高電能質量管理系統的工作效率，減少和降低用戶和企業在電能質量管理系統上消耗的時間和精力，為用戶和企業帶來更大的利益。

1硬件設計

1.1數據網關功能分析

數據網關是軟硬件一體化集成設計實現的數據交換中間件，它不僅是各種傳感設備的通信控制網關，還是大量移動傳感設備的數據接收網關。數據網關在系統中可通過串口實現和電表的通訊，通過以太網接口實現和服務器的通訊，通過本地接口完成相關參數設置的功能。該數據網關通過在通訊接口中使用接地屏蔽層，通訊中采用MD5校驗等方法提高系統的可靠性;通過在通訊過程中使用AES算法保障系統的安全性;依靠命令查詢模式，通過中斷來進行響應保證系統的實時性;硬件設計時利用ARM芯片CPU的低功耗特性來降低網關的功耗。

1.2數據網關的技術架構

數據網關的技術架構主要體現在以下四方面：第一，感知接入層。它主要由感知設備和感知網絡構成，如RFID、ZIGBEE、WIFI等。為了能更好的解析各種協議及感知多種類型網絡，必須接入這些相關設備并匹配外插拔模塊，同時根據特定場景選擇相應的協議以實現感知網絡的目的。第二，適配器層。它主要由協議解析和接口管理構成，借助適配器處理各種數據協議，使各類數據和指令更加規范化。第三，轉換控制層。它主要由協議轉換、數據存儲、數據校驗和遠程管理等功能構成，為達到管理協議在上下層之間的相互轉換和通信，轉換控制層將統一封裝下層的適配器和感知網絡的相關數據，同時通信對接上層的物聯網管理平臺。第四，信息網絡接入層。它可與多種接入方式相匹配，這有利于上層管理平臺有效接收數據網關采集的數據，從而為數據統計分析和行業應用開發奠定堅實基礎。

2軟件設計

由于數據網關的核心工作是接收數字式電表發來的電能數據并對其進行處理，同時上傳至數據中心，實現電能管理的數字化和信息化。因此結合功能要求，對數據網關軟件系統設計流程圖。在具體軟件功能實現方面，將軟件系統功能分為串口模塊、存儲器模塊、數據處理模塊、看門狗模塊、實時時鐘模塊等功能模塊。

2.1串口模塊軟件設計

串口模塊分為UART0和UART1兩部分，其中UART0部分主要完成和數字電表的通信，UART1部分主要完成和設置器的通信，完成網關編號、IP地址等參數的設置。以UART0為例，其采用DL/T645—1997多功能電能表通信規約，采用中斷方式接收電表數據。程序主要分為2個部分：第1部分使用的是查詢命令發送函數，主要通過網關給相應的電表發送查詢命令，完成校驗和接收到的數據比較工作。第2部分是中斷接收函數，主要完成對接收數據的校驗工作。判斷接收數據是否正確，如正確，則將數據存儲到對應的位置，同時查詢電表號加1，啟動對下一個電表的查詢;如錯誤，網關重新發送查詢命令，累計錯誤達兩次時，查詢電表號加1，開始查詢下一個電表，直至電表號加1后大于該網關所帶的電表數為止。

2.2數據處理模塊軟件設計

數據處理模塊完成的主要工作是根據數據網關與電表的通訊協議，解包從電表接收的數據，并存儲到指定的緩沖區中。其數據使用XML數據格式，并采用MD5算法進行校驗，采用AES對數據進行加密后上傳。

2.3存儲器模塊軟件設計

存儲器模塊軟件設計主要針對外擴存儲器模塊，其中外擴ram存儲器主要完成緩存功能，只需要對存儲空間控制做出合理分配即可，外擴flash存儲器軟件設計主要包括對數據的讀、寫和擦除3個部分。

2.4TCP/IP協議的剪裁和實現

結合硬件設計中使用嵌入式系統進行開發的特點，對TCP/IP協議進行了剪裁和實現，只保留與系統功能有關的協議，并對部分協議進行簡化。例如ARP協議只保留支持以太網的功能，其他功能全部剪裁掉等。簡化后的協議仍符合標準規定，具體實現內容包括以太網協議、ARP協議、IP協議、ICMP協議的實現等。以ICMP協議為例，與完整的ICMP協議可以完成檢查目的地址、數據控制、檢查路由等各種功能不同，本系統中只保留IC-MP協議中測試網絡是否聯通的功能，

3數據網關的關鍵技術

3.1數據網關處理技術

第一，多線程模型。它可為每一個鏈接都創建一個線程，其操作簡單，效率高。即使出現少量并發鏈接的狀況，多線程模型也能利用創建相關的線程進行有效解決。若出現大量并發鏈接的狀況，多線程模型需采用高性能計算機對其進行計算。第二，事件驅動的單線程模型。它的通用性更強，拓展性更高，主要包括主線程和多個異步操作。主線程對其起著十分關鍵的作用，應對其進行統一調整和管理。主線程的目的就是處理實際的各種計算任務，一旦出現多種任務滯礙的狀況，事件驅動的單線程模型就會自動轉換為異步操作，從而導致編程相對復雜。因此便提出了半異步模式，它將多線程模型與事件驅動的單線程模型相互結合，使其優勢互補，從而綜合提升對數據的處理能力。對基于云計算的數據網關來說，它主要采用異步服務通信層與同步服務通信層相互結合來進行數據處理，利用同步服務通信層來處理多線程應用;利用異步服務通信層來處理需要提高性能的應用。為基于云計算的物聯網數據網關能更好的運行，必須在同步通信層和異步通信層之間添加一個交互層，以確保兩層之間能有效通信，使其掌握每層之間的應用處理狀況。這對簡化并發編程來說十分便利，大幅提升了服務器的性能。

3.2對象數據庫編碼與格式轉換

數據網關主要處理各種主流數據庫的存儲，例如SYSBASE、ORACLE、SQLSERVER等。同時，對象編碼還能與多個技術標準相融合并利用XML編寫所需的對象信息，它綜合了8種編碼類型：GDTI、SGLN、SGTIN、GID、GSRN、GRAI、GIAI、SSCC。

結束語

綜上所述，智能數據網關系統對數據的采集及時可靠，既可以完成命令查詢數據工作，又可以完成主動定時查詢數據工作，還可以實現數據在網絡部分傳輸故障時的數據保存。經運行測試，該網管系統通信方便可靠，作為電量計量管理系統的重要組成部分，可以配合管理系統完成對電表信息和各項數據的傳輸、存儲和處理，具有較好的實用價值。

參考文獻

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