基于Nios II技术的建筑能耗分项计量集中采集装置的设计

李 军

(武汉职业技术学院 电子信息工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着我国经济的发展，公共建筑高耗能的问题日益突出.据统计，国家机关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米年耗电量是普通居民住宅的10～20倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5～2倍.目前建筑能耗监测工作进展缓慢，其中所采用的技术及其实现成本是主要影响因素之一[1]33-42.

1 技术现状

1.1 传统机械式仪表加装电子远传

在机械式电能表转盘处加装光电转换器、在指针水表的指针处加装磁电转换器等，将一次计量仪表的机械旋转转换为相应的电子脉冲信号以实现能量计量数据的电气转换.缺点是，远传脉冲信号传输距离有限，易受外部电磁干扰；而且还需额外配置脉冲采集设备，倘若一次仪表数量较多，集中采集装置接线繁冗、结构复杂，且维护困难.

1.2 基于单片机技术的能耗采集设备

通过将传感器、AD转换器与单片机相集成并结合相应的嵌入式处理软件构成特定能源的计量采集设备.由于单片机外部I/O数量及内存容量的限制，此类设备只能完成单一能源的数据采集任务，而且数据传输只能是慢速的串行通信方式，尤其是缺乏对能源数据的分析、处理和保存能力.

1.3 基于电子式多功能电能表的低速集采系统

电能表由专用电能计测IC芯片与低端单片机结合构成，其中，计测芯片完成电信号的模数转换及数据处理，单片机则读取计量数据并以低速串行信号远传，其中最为广泛采用的是美国Analog Devices公司出品的ADE7500和ADE7700系列单相或三相电能计量IC.此类系统实现了电能数据的分布式采集和网络化传输，但是由于仪表终端设备的计算能力不足，对于能耗数据的处理能力有限，需要过多的依赖于上层计算机软件系统进行数据的分项统计和分析.

1.4 可编程逻辑控制器(PLC)或远程终端控制系统(RTU)

PLC解决方案来源于工业自动化集散控制系统，而RTU系统则最初应用于电力能量管理系统，其硬件结构都是模块化设计并具有较强的数据处理和网络通信能力.虽然PLC和RTU都可实现能耗的计量和采集，并有在建筑领域中的成功应用，但是其昂贵的初始成本和维护费用却难以被民用用户广泛接受.

1.5 专用的能耗监测与能量管理系统[2]9-11

研发实力雄厚的大公司都根据自身的产品特点开发的能源监测系统解决方案.如，西门子公司提出了“全集成电能管理”理念并推出其在建筑行业的能耗监测系统解决方案；又如，ABB公司的i-bus EIB智能建筑控制系统、施耐德公司的PowerLogic ION-E系统都是建立在其电能监测设备上的能耗计量与采集系统.这些系统功能完备、性能优异，但是价格昂贵，而且对已有的众多其它厂家能量仪表的兼容能力有限，对于即有的公共建筑而言也不是最佳选择.

2 存在问题

第一，传统仪表与智能仪表共存，数据输出方式不统一、通信接口及协议多样、通信速率偏低，这些都为构建标准化的建筑能耗监测系统带来了技术障碍.

第二，功能单一化、采集的能源数量有限，往往是每种能源都采用不同型号甚至不同厂家的监测仪表，而且每路能源必须配置单个监测设备，导致监测系统结构复杂、成本高昂.

第三，数据处理能力不足，尤其是不能分析能源的时间分布及电能质量，若依赖上层监测软件实现这些功能，其计算负担过于繁重，容易导致系统不稳定.

第四，缺乏数据存储能力，完全经通信网络传输给上位机保存，若网络出现故障，容易导致能耗数据丢失，从而会导致建筑能耗评估结果与实际不符甚至出现错误.

3 设计方案

以Altera公司的Cyclone系列FPGA为平台，实现NiosII +外设+自定制IP的硬件定制，其结构示意图图1所示下：

图1 系统结构示意图

3.1 硬件开发

PIO模块实现脉冲输出形式的能量计量仪表接口，RS485构成下行网络，NiosII作为485总线的主控器，从具有标准485接口的能量计量仪表读取能耗数据，CAN作为备用总线接口与具有CAN接口的设备进行通讯，RS232既可作为通讯接口，也可作为现场调试的接口，SPI接口实现SD卡的读写.而以太网则构成上行网络，完成与中心服务器的数据通讯.上述模块均可根据用户需求进行裁剪或者扩展，灵活定制.

3.2 软件开发

在该平台上移植嵌入式实时操作系统，编写自定制模块的驱动，完成SD卡FAT16文件系统及图形交互界面的驱动开发，并完成各种通信规约包括Modbus，MeterBus等的实现.此外，实现三相电能质量分析的信号分析算法，主要是低通滤波、FFT频谱分析等.

4 关键技术及其特点

4.1 模块化灵活定制的硬件结构设计[3]38-40

基于可配置的CPU软核和强大的IP库，能充分发挥NiosⅡ系统硬件结构灵活可配置的特点，开发出具有良好的兼容性和可扩展性的系统.而且可以根据成本控制的需求，在统一的硬件结构上，对外设接口资源进行裁剪，满足不同用户的现场情况，避免重复开发.

4.2 高性能的实时能耗质量分析方法实现

Nios II采用流水线技术、单指令流，采用哈佛体系结构，基于RISC指令集，地址、数据、指令均为32位，最高性能可达到200MIPS，另外可以根据系统需要定制硬件FFT核，挂接到系统的Avalon总线上，采用硬件FFT来完成三相电能中的谐波分析，可以高度实时，并节约大量的软件指令执行时间.

4.3 统一的软硬件接口实现各种能耗数据的采集和计量

基于Nios II技术设计能耗采集装置，可充分扩展各种工业标准的通讯接口(包括以太网口)，实现诸如Modbus协议等通用能量表的通讯协议，最大限度的兼容各种一次能耗仪表的输出信号，对各种不同形式的能耗分项计量、集中采集，通过以太网口构建的网络，与中心服务器交换数据，形成各项能耗数据库，为能耗分项计量提供坚实的数据支撑[4],[5]82-86.

通过在Avalon总线上扩展大容量SD卡控制器并实现文件系统，可以实现采集到的能耗数据本地备份.在线网络和离线存储相结合的方式，保证了数据完整性和真实性，此技术特点在网络故障时显得尤其重要.

4.4 技术指标

输入接口：至少支持24路的脉冲量输入和6路模拟量输入.

通信接口：实现4路UART控制器，一路扩展为RS232，两路扩展为RS485，一路扩展为CAN；实现100M以太网接口.

存储器：8MB FLASH+16MB SDRAM.系统的SD卡接口可支持2GB的离线存储容量.

实时时钟：采用I2C接口的实时时钟日历芯片PCF8563，对采集到的能耗数据加入时间戳.

分析能力：对三相交流电，硬件流水线FFT核可对6路数据实时处理到63次谐波.

采样率：Delta-Sigma AD控制器可提供12bit精度的数据，提供500kbps或更高的采样速度.

人机交互：通过GPIO扩展4*4键盘和图形LCD.

5 结语

随着大规模集成电路技术、嵌入式软件技术及通信网络技术的发展，尤其是将三者有机结合以Nios技术为代表的可编程片上系统技术(SOPC)的突飞猛进，将目前建筑行业中的多种能耗采集方式统一化、标准化、智能化已成为可能.借助该技术的硬件可配置、软核可定制的优良性质，寻求最佳的系统技术方案，是解决目前建筑分项能耗采集技术问题的必然选择.

[1] 王文明，邓 军，王严卿，苏九生.公共建筑能耗动态监测与信息管理系统的建立、运行及预期效益分析[J].节能，2013(4).

[2] 安 然. 大型公共建筑能耗分项计量系统分析[J].四川建材，2011(6).

[3] 泰 豪.分项计量系统在大型公共建筑中的应用[J].智能建筑，2010(4)．

[4] 孙 超.基于GPRS技术的智能网关在大型公共建筑能耗监测系统中的研究与应用[D].安徽：合肥工业大学，2011.

[5] 彭继刚，李 璇.基于ZigBee技术在能耗监测系统中的应用 [J]. 信息技术与信息化2010(5).