世博会绿色交行能耗分项监测

　　应用背景

　　交通银行作为2010上海世博会商业银行全球合作伙伴，为世博会独家提供全方位金融服务，位于世博浦西园区内的交通银行主网点每天将迎来大量参观园区的游客。交通银行邀请IBM协助构建网点内部的信息化展示系统，从而向人们传达“绿色银行”的理念。“绿色”理念的践行之一就是建立网点的环境和能耗分项监测系统。 上海聚星仪器应邀为IBM设计并搭建网点能耗分项监测系统。

　　挑战

　　能耗分项监测系统必须能实时、准确地获取能耗数据，并“无缝”接入现场的信息展示系统中。 系统的现场安装必须在场馆落成之后进行，不能对已建成的电气线路和建筑结构造成任何影响。此外，系统的待测线路位于不同机房的两个配电箱中，需要完成分布式采集。

　　应用方案

　　根据展馆的电气设计图，我们把展馆划分为六大功能区：展示大厅区域、休闲区、工作人员休息区、柜台区、ATM区和机房，每个功能区分别对空调用电、插座用电和照明用电三项能耗进行统计。结合现场勘察，我们把展馆的电气线路和功能分区映射起来，监测18项能耗参数[1]。

　　为确保在短时间内实现系统的开发和部署，我们选用NI CompactRIO(cRIO)[2]和无线传感器网络(WSN)分别安装在两个配电箱中，通过Zigbee无线方式集中至cRIO集中处理。基于NI Labview和聚星的cRIO开发者套件，快速建立了一套高可靠性高性能的能耗分项监测系统。

　　系统硬件

　　传感器

　　电能检测参数包括电流、电压和功率因素等[3]，为便于现场安装，我们选取了轻巧的开启式电流互感器对线路电流进行测量，采用导轨式变压器将相电压有效值从220V降至6V，满足采集模块±10V测量范围。

　　数据采集和分析

　　系统的核心部分(数据采集和分析)采用cRIO和WSN平台来实现，cRIO包括控制器NI cRIO-9014、底板NI cRIO-9113和两块模拟输入NI 9205，完成64通道、采样率1kS/s的数据采集和分析;无线传感网络由无线网关WSN 9071和两个无线采集节点WSN 3202组成，无线节点安放在通道数较少的配电箱中，通过Zigbee方式把采集数据汇总至cRIO。

　　数据传输

　　作为嵌入式处理器，cRIO不仅拥有高处理性能，还支持各种传输方式。该系统中cRIO借助路由器的无线桥接功能，以Wi-Fi方式“无缝”接入现场局域网中，把监测结果发送至交行信息管理系统的数据服务器，供展馆的显示和记录。由于展馆外网接口受限，我们采用3G路由器，将cRIO监测结果直接发送至我们的Web服务器RIO-Mesh上，用户通过Internet浏览器即可远程实时查看测试结果。

　　系统软件

　　聚星cRIO开发者套件

　　聚星cRIO开发者套件定义了一个标准化的软件框架，以动态调用的方式并行实现了数据采集和分析、数据上传和命令响应、数据流盘、调试接口等诸多功能，适用于所有的cRIO平台。此外，该套件提供一组模块化的VI库，对不同类型信号的采集任务模块化与规范化，兼顾了效率优化和功能拓展等需求。基于cRIO开发者套件的软件框架和VI库，用户只需简单的配置和修改，就可以快速建立定制化的数采记录系统，缩短开发周期，节约开发成本。同时，软件的高度标准化和模块化，便于系统的拓展，如硬件的更新、测点的增加和修改等。

　　能耗监测系统的软件设计采用了cRIO开发者套件中的标准框架和模块，实现了72通道能耗的分项数据采集和电能质量的分析，不但获取了实时耗电量信息，还实现了电能质量分析，计算出线路的功率因数和谐波系数，并通过能耗统计模型，为能耗管理提供数据依据。

　　人机交互界面

　　聚星cRIO开发者套件定义了TCP数据包格式和指令格式，上位机只需按照预定义的数据格式解析和封装即可实现与cRIO的数据交互。此外，cRIO开发者套件还提供了C#、Java、Delphi等开发语言的上位机TCP数据通讯例程，便于用户根据编程语言习惯进行非Labview的上位机设计，实现与cRIO的数据交互。

　　世博交行馆能耗监测的人机交互界面位于展示大厅的一台触摸屏电脑上，需要用Java语言完成数据显示、数采指令传递等程序设计[4]。服务器端上位机Java程序根据cRIO的数据格式进行解析获取各分项能耗数据，写入指定xml文件中，Flash读取xml文件的数值进行动画显示，如图3所示。Flash中以不同颜色示意不同功能分区，以高度值反映分区的用电总量。同时，Flash中饼图显示了空调用电、插座用电和照明用电的比重。

　　RIO-Mesh Web服务器

　　为了给客户一个简单易用的网络平台，用于记录、查询和管理传感数据，聚星建立了Web数据服务器RIO-Mesh(www.rio-mesh.net)。用户在该服务器上建立帐户后可以像博客系统一样实时发布、查看和集中管理分布式传感器数据。

　　测试系统部署现场后，cRIO通过Internet将采集数据上传至RIO Mesh相应目录，远端用户不需要安装任何软件，通过Web浏览器即可查看和管理远程系统的测试结果。如图4所示，cRIO以1S/min的速率将18项能耗统计结果上传至RIO-Mesh服务器，在Web浏览器中通过数据回放分析各项能耗的数值和变化趋势。

　　结论

　　基于NI cRIO和WSN平台，我们在已经完工的交行馆中构建了分布式监测系统，实现了展馆的能耗分项监测[5]。WSN节点采集数据通过无线网关传输到本地处理器CompactRIO中进行确定性控制、数据记录和分析。

　　cRIO内嵌了性能强大的工业级实时控制器，并支持多种采集模块，能够实现电流和电压的高速同步采集，还可以进行电能质量的分析，计算功率因数和谐波系数，并判断电能的品质。借助聚星的cRIO软件开发者套件，节约了大量的软件开发时间，2周即完成了整个系统的设计和实施。

　　此外，借助于不断发展的通信技术，NI CompactRIO可以结合最新的3G技术，将数据集中上传RIO-Mesh网络数据库，此外也可以将处理结果发送回手机、互联网、PDA中，供用户实时查看。