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基于物联网的智能热网系统数据通信架构建设与优化

2023-08-29 103 上传者：管理员

摘要：作为现代智能技术的重要表现，物联网技术与供热领域相结合，能有效地解决热力企业在实际的生产运营中存在的各种问题。通讯模块作为整个智能热网系统的重要组成部分，由于其具有终端数量多且位置分散，通信数据量大且次数多的特点，需要对整个智能热网系统的数据通讯架构进行优化，建立一个稳定可靠、安全高效的数据交互通道。为智能热网达到按需供热、节能减排的目标提供技术保障。

关键词：
智能热网
物联网
物联网智能
网络应用
通信架构
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1、智能热网数据通信架构建设

基于物联网的智能热网系统应采用B/S架构建设，其中包括数据感知层、数据管理层、数据访问层、业务逻辑层、表示层与终端访问层。数据感知层包括数据集中器、智能仪表等物联网设备，用于收集数据，远程监控。数据管理层包括热力站上位机，用于采集数据，发送控制信号，并对数据进行集中处理。数据访问层包括实时数据库与关系数据库，用于数据的整合与交互。业务逻辑层、表示层与终端访问层为用户提供管理决策和人机交互。其中数据感知层、数据管理层、数据访问层之间的数据交互是智能热网通信架构的主要组成部分。智能热网数据通讯结构图如图1所示。

1.1数据感知层

数据感知层有两方面的作用：一是收集计量仪表的数据，将数据发送给数据管理层进行数据的集中处理；二是接收数据管理层的控制信号，发送给各个控制设备(电磁阀，调节阀，变频器等)实现自动控制。数据感知层结构如图2所示。

图1智能热网数据通讯结构图

图2数据感知层结构图

1.2数据管理层

数据管理层有两方面的作用。一是采集所属用热片区用户的数据，将重要数据分析计算后，集中发送给数据访问层。二是接收数据访问层的控制指令，将控制指令转化为控制信号后，发送给数据感知层。数据管理层能够降低网络开销，防止网络拥塞，减少数据延迟或数据丢失的情况。数据管理层结构如图3所示。

图3数据管理层结构图

图4数据访问层结构图

1.3数据访问层

数据访问层包含关系数据库与实时数据库，接收并存储来自数据管理层的所有数据。关系数据库存储用户信息、热力站信息、配置信息等关系型数据。实时数据库存储生产运行过程中的实时数据。数据访问层结构如图4所示。

数据访问层还会将数据交付给业务逻辑层，并在进行业务逻辑处理后展现给用户。同时存储来自业务逻辑层的控制指令，将指令发送给数据管理层进行控制指令到控制信号的转换。

2、数据通信协议的选择与优化

2.1数据传输协议分析

在完成数据通信架构的建设后，需要对数据通信协议进行选择。用户数据报协议(User Datagram Protocol,简称UDP)是一种面向非连接的通信协议。与TCP/IP相比，UDP降低了维护连接的开销。同时，UDP数据具有更少的字节，负载消耗更少。但UDP协议只负责数据的发送，不关心数据是否送达，没有确认机制，主机收到数据也不会有响应，可靠性不高。

为了提高UDP协议的可靠性，需要在UDP协议上封装一层可靠的传输机制，使其兼具TCP的安全性和UDP的实时性，并具备一定的灵活性。

2.2基于KCP协议的数据传输

KCP是一个基于UDP的快速可靠的协议，能以比TCP浪费10%～20%的带宽的代价，换取平均延迟降低30%～40%,且最大延迟降低三倍的传输效果。

TCP是为流量设计的(每秒可以传输多少kB的数据),而KCP是为流速设计的(单个数据包从一端发送到一端需要多少时间)。KCP有以下几个技术特性：

(1) RTO不翻倍。

TCP超时后会将RTO(RetransmissionTimeOut)翻倍。如果数据包连续超时，超时时间也会成倍增加。KCP快速模式RTO只增加0.5倍，提高了传输速度。

(2)快速重传。

通过ACK确认号直接判断出丢失的数据包，不用超时等待，直接重传数据包，大大改善了丢包时的传输速度。

(3)非延迟ACK。

TCP为了充分利用带宽，延迟发送ACK。这样超时计算会算出较大RTT时间，延长了丢包时的判断过程。KCP的ACK是否延迟发送可以调节。

(4)非退让流控。

TCP可通过配置跳过丢包退让及慢启动，仅仅使用发送窗口和接收窗口来通信。摒弃了TCP的拥塞控制，以破坏部分公平性来换取相对较高的传输效率。

2.3 KCP协议与TCP协议性能对比

通过搭建测试服务端、测试客户端的方式进行性能对比。

测试客户端逻辑：①启动客户端并连接服务端；②每间隔固定时间向服务端发送一条测试消息；③收到服务端回复的消息，统计延迟。

测试服务端逻辑：①启动服务端并监听端口；②收到客户端消息；③向客户端回复消息。

在外网环境下，部署TCP和KCP的服务端，收集延迟数据并绘制成折线图。其中，图5为TCP协议下的数据通信延迟，图6为UDP协议下的数据通信延迟。图7为KCP协议下的数据通信延迟。

分析3种协议的数据通信延迟，发现在外网环境下，TCP、UDP、KCP协议的平均延迟都接近30 ms。但TCP协议延迟忽高忽低，波动较大。而KCP协议虽然有偶发性的延迟激增的情况，但整体波动近似于UDP协议，相比较与TCP协议有较大的提升。因此，选择KCP协议作为数据通信协议能保证数据通信的实时性与可靠性。在复杂的网络环境下，使数据通讯兼具TCP的安全性与UDP的实时性。能够满足智能热网通信架构对通信协议的要求。

图5 TCP协议数据通信延迟

图6 UDP协议数据通信延迟

图7 KCP协议数据通信延迟

3、结论

随着互联网技术与能源产业的结合，为了满足急剧增长的供热服务需要，智能热网通过物联网、大数据等先进技术实现了对供热系统运行维护的动态优化。本文通过对智能热网系统数据通信架构的建设与优化，为智能热网在集中供热中发挥重要作用提供技术保障，致力于将能源利用效率和集中供热安全性提高到全新水平。

参考文献:

[1]黄平平,高新勇,郑立军,等."互联网+"智能供热系统在集中供热中的研究与应用[J.工业技术创新,2021,8(1):84~89.

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[3]徐汕,单酉,陈俊,等.—种基于KCP协议降低工控设备远程控制延迟的方法[P].

文章来源:王泽浩,魏鑫宇,杨文佳等.基于物联网的智能热网系统数据通信架构建设与优化[J].电站系统工程,2023,39(05):53-54.