作者：云南大学信息学院 何乐生副教授

1、背景

在全球气候变暖形势加剧的背景下，节能减排和发展低碳经济已经成为我国经济发展的根本性前提。为确保实现“十二五”节能减排约束性目标，缓解资源环境约束，应对全球气候变化，促进经济发展方式转变，建设资源节约型、环境友好型社会，增强可持续发展能力，国务院制定了《节能减排“十二五”规划》，规划中明确指出当前节能减排工作存在的主要问题之一是基础工作薄弱，节能减排标准不完善，能源消费和污染物排放计量、统计体系建设滞后，监测、监察能力亟待加强，节能减排管理能力还不能适应工作需要。

能源消费计量、统计和管理缺乏有效的数据采集和管理手段一直以来都是节能减排工作的瓶颈。其原因在于：能耗数据往往来自于各种各样的计量仪表，包括五花八门的协议：如ModBus、Meter-Bus、P645等，且这些计量仪表不具备互联网的功能，也很难通过云计算、大数据和移动互联技术对能耗数据实时有效的管理、监督和资源调度。

“能耗数据在线感知系统”是在“物联网”和“互联网+”时代背景下，满足云计算和大数据对能耗数据进行存储、分析和处理需求，而设计的物联网数据接入系统。系统通过一系列软硬件，实时、准确的将其管理的能耗数据接入互联网，对其进行有效的存储，并通过健壮的用户软件接口为基于Web和移动客户端的应用提供了有效的调用方式。为企业、智能建筑或政府职能部门实时获取能耗信息，并为进行相应的组织、管理和决策提供了有力的技术保障。

2、系统构架

“能耗数据在线感知系统”属于物联网范畴，运行在物联网的“传感——传输——应用”三层结构中的传感层和传输层，能够将智能电表、远传水表和预付费气表等智能仪表获取的能耗数据实时地接入Internet。

能耗数据在线感知系统采用如下图所示的架构，包括：负责系统调度和存储的“中心机房”，负责能耗数据实时采集的“现场设备”，以及“最终用户客户端”三个主要部分构成，系统的核心是位于中心机房的“数据中心服务器”，而关键设备则是位于现场的“数据采集网关”。

1）现场设备

在生产车间或智能楼宇等数据采集现场，我们设计的“GCDG系列工业数据采集网关”实时地读取连接于其上的各种智能仪表产生的能耗数据，并将其及时地上传至中心机房中的数据中心服务器。GCDG系列工业数据采集网关采用高可靠性的嵌入式系统构建，提供8路2500V隔离保护的UART口，用于连接各类智能仪表，其中任何一路都可以配置为ModBus^®、P645或MeterBus等仪表类现场总线协议网络的主机端口。GCDG系列工业数据采集网关的以太网端口则作为TCP服务器端发起与数据中心服务器的远程通信，并根据服务器要求将能耗数据以可扩展标记语言（XML）格式，上传至数据中心中的能耗数据库中。

为防止数据在Internet路由过程中掉包或延迟过大等情况造成的对能耗数据完整性的影响，数据采集网关还支持数据的本地备份——在采集的同时，能耗数据还将被实时的备份于网关SD卡中的SQLite^®数据库中。当能耗数据在传输中丢失或与中心机房数据库失去同步时，数据中心服务器或现场采集系统的配置终端可通过网络命令，调阅本地SQLite数据库中的任何历史数据。为方便使用，GCDG系列工业数据采集网关采用Web方式配置。任何支持HTTP的配置终端，都可以通过访问数据采集网关局域网IP地址的80端口，实现对：各个端口现场总线协议类型和参数，数据采样间隔，局域网IP地址，数据中心服务器IP地址和端口号等重要工作参数的在线配置。

2）中心机房

位于中心机房的“数据中心服务器”作为整个系统的调度者和控制者，首先需要通过Internet，从现场的数据采集网关处获取能耗数据，并将其存储在“能耗数据库”中。为保证上述数据获取和存储部分功能软件的健壮性，防止最终用户客户端访问干扰，这部分功能采用Windows^®或Linux后台服务形式实现。系统工作时，该后台服务进程通过：数据采集现场局域网出口的公网IP，数据采集网关在现场局域网中的IP地址，智能仪表所在的数据网关UART口号及其在现场总线网络中的编号等三个要素将获取的能耗数据与具体的智能仪表相关联。并将得到的数据存储于中心机房的SQL“能耗数据库”中。

“数据中心服务器”需要完成的另一重要工作是提供方便的最终用户客户端的访问接口，我们通过Windows或Linux前台运行的“数据中心程序”实现这一功能。数据中心程序提供“OPC^® (OLE for Process Control)服务器”和“开放的SQL数据库”两种业界标准数据接口，以供“最终用户客户端”的各种用户平台调用数据库中的能耗数据。工业和智能楼宇节能方案提供商可以根据最终用户习惯提出自己的信息化方案，选择上述一种或两种数据接口来获取能耗数据：对于习惯在传统的Windows环境下使用组态软件和SCADA系统的工业用户，建议采用基于Microsoft^®技术的OPC接口方案，以本系统能够方便的和“InTouch”、“组态王”、“IFix”等流行组态软件实现数据连通。对于采用Android、iOS等系统的移动客户端用户，则建议采用开发SQL数据库接口，以实现本系统和这些最终用户客户端的数据交互。

对于有条件的大型企业，系统“中心机房”可由支持海量存储，可长期可靠运行的高性能计算中心构建，对于不具备高性能计算条件的中小企业，系统“中心机房”可由一台普通PC构成。当然，也可以考虑采用由高驰科技提供的数据中心租用业务，实时数据托管，以降低系统使用和维护成本。

3）最终用户客户端

工业和智能楼宇节能方案提供商可根据用户需求定制最终用户客户端软硬件，既可以针对政府职能部门和传统工业用户设计基于PC管理软件的客户端，也可以针对新型的移动互联技术，设计基于Web或移动客户端应用的客户端。我们建议采用：

（1）由“阳光基业能源管控有限公司”推出的“能效在线^®”Web系统，该系统提供专业的能效分析，且与本系统的接口经过长时间的实践验证，可以在最短的时间内实现一个完整的能耗分析系统；

（2）我们正在设计的，基于Android和iOS的能效管控应用。我们将部分公开该系统的源码，以供使用本系统的工业和智能楼宇节能方案提供商参考。