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[導(dǎo)讀]摘要:為了保證能耗數(shù)據(jù)可進行計算機或人工識別和處理,保證數(shù)據(jù)得到有效的管理,支持高效的查詢以及能耗的實時監(jiān)控,實現(xiàn)數(shù)據(jù)組織、存儲、交換以及在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)共享,按照國家規(guī)范的標準,基于QT平臺設(shè)計出

摘要:為了保證能耗數(shù)據(jù)可進行計算機或人工識別和處理,保證數(shù)據(jù)得到有效的管理,支持高效的查詢以及能耗的實時監(jiān)控,實現(xiàn)數(shù)據(jù)組織、存儲、交換以及在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)共享,按照國家規(guī)范的標準,基于QT平臺設(shè)計出一套能夠?qū)Υ笮徒ㄖ椭悄芗揖酉到y(tǒng)進行能耗管理的智能終端系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:能耗管理;QT;實時監(jiān)控;物聯(lián)網(wǎng)

引言
    目前,我國對國家機關(guān)企事業(yè)單位大型公共建筑的用電情況采取多表制管理。不同的大功率電器接入電表不同。由于表類繁多,如空調(diào)、動力等,以及其他一些用途功能用電,不同電表之間的傳輸協(xié)議的不同,使得系統(tǒng)在能耗的管理上難度加大。大型公共建筑在電能節(jié)省和管理方面的需求日益增強,通過計劃性的用電和節(jié)電可以更加合理地用電并且能夠節(jié)約成本。此外,在智能家居系統(tǒng)的飛速發(fā)展中,能耗也成了一個重要的問題,在人們追求簡潔方便的生活同時,降低能耗也成為了一個急待解決的問題。
    針對這種情況,本文設(shè)計了針對大型建筑和智能家居的能耗管理系統(tǒng),主要是對多個電能表進行數(shù)據(jù)采集和管理。設(shè)計了一套完整、安全、可靠的采集系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的采集、處理、上傳及分析等功能。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的時代,對能耗的管理發(fā)展成為物聯(lián)網(wǎng)中一個關(guān)鍵的部分。對大型建筑和智能家居系統(tǒng)來說,能耗管理的入網(wǎng)使得用戶能夠在任何地方都檢測到自己的用電情況,并且能夠進行分析、處理,實現(xiàn)能耗管理和維護。
    本文提出了一種能耗管理系統(tǒng)方案,結(jié)合嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信和加密技術(shù),通過分析終端或服務(wù)器端的數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)大型建筑和智能家居的用電安全化、合理化以及高效化。這種能耗統(tǒng)一化的管理模式使得用戶能夠有效地進行用電規(guī)劃管理,對大型建筑和智能家居系統(tǒng)的節(jié)能有著重要的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
   
能耗管理系統(tǒng)主要設(shè)計思路是設(shè)計一套集能耗采集、能耗分析、能耗管理和數(shù)據(jù)上傳為一體的終端平臺。在此設(shè)計中,能耗管理系統(tǒng)主要包括3部分:能耗終端模塊、子節(jié)點服務(wù)器和終端服務(wù)器。
    ①能耗終端模塊:根據(jù)系統(tǒng)的需求,對能耗管理表的數(shù)據(jù)進行采集、分析,并進行網(wǎng)絡(luò)資源的上傳,主要是由ARM處理器完成的。
    ②子節(jié)點服務(wù)器:接收一個區(qū)域(例如酒店)公共建筑等的能耗終端上傳上來的能耗數(shù)據(jù),可對本區(qū)域能耗進行統(tǒng)一管理,進行能耗數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、報表、分析和預(yù)警。
    ③終端服務(wù)器:區(qū)域管理的資源最終上傳至終端服務(wù)器,終端服務(wù)器是由國家相關(guān)部門所管理的,國家相關(guān)部門可以根據(jù)這些能耗數(shù)據(jù)進行一些相關(guān)調(diào)控,制訂應(yīng)急措施。
    能耗管理系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示。


    三表采集器可以對用戶的水電氣三表進行數(shù)據(jù)采集。接入三表采集器,它可以采用有線或者無線的方式對各家各戶的三表進行數(shù)據(jù)采集,基本上可以實現(xiàn)一個采集器對16戶的水電氣三表進行采集管理,然后通過以太網(wǎng)發(fā)送至子節(jié)點終端服務(wù)器進行數(shù)據(jù)存儲。子節(jié)點服務(wù)器將數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)送給水電氣部門的終端服務(wù)器進行統(tǒng)一管理,用戶也可以通過智能手機或者PC機對本地用戶水電氣三表進行查詢、管理或者完成繳費等業(yè)務(wù)。

2 終端硬件組成
2.1 核心處理器
   
能耗管理系統(tǒng)核心處理器采用S3C6410,它是一種ARM11處理器,工作頻率高達533 MHz,能夠輕松解決一些低成本、低功耗的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計問題。有著豐富的外圍資源,可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、串口通信、液晶顯示等多項功能。其ARM核心處理器上能夠移植Linux操作系統(tǒng),Linux有著豐富的資源、完善的內(nèi)核系統(tǒng)、強大的驅(qū)動模塊、能夠移植硬件系統(tǒng)模塊。
    能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計,需要可靠的圖形界面開發(fā)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集成,以及底層的串口驅(qū)動開發(fā)。在這樣一種工程應(yīng)用性軟件開發(fā)的情況下,采用帶有Linux操作系統(tǒng)的ARM核心處理器是比較容易快捷的一種方式,相對于FPGA、DSP這類數(shù)字信號相關(guān)的開發(fā),ARM核心處理器還是有其自身的優(yōu)勢。
2.2 外圍模塊
   
考慮到系統(tǒng)采集、傳輸、顯示等功能,外圍搭建了網(wǎng)絡(luò)接口、串口、LCD液晶顯示接口,以及基本的晶振、調(diào)試接口。能耗管理系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。


    能耗采集采用了核心處理器的串口資源,目前的水電氣三表集成紅外、RS485總線等接口。其中紅外對方向性要求很高,在多塊電表的采集中這種方案難以實現(xiàn),RS485總線是一種串行通信總線,其資源配置較容易,采用MAX485將串口信號轉(zhuǎn)換為485信號即可,MAX485的遠距離傳輸,可接入多個節(jié)點,解析方便,在能耗管理系統(tǒng)中,優(yōu)勢十分突出。對數(shù)據(jù)資源的采集完成后,進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)上傳存儲。

3 終端軟件設(shè)計
   
能耗管理系統(tǒng)軟件以Linux作為基礎(chǔ),采用QT作為圖形界面應(yīng)用程序開發(fā)框架,Linux操作系統(tǒng)完善的驅(qū)動程序以及高效的內(nèi)核管理系統(tǒng),使得工程應(yīng)用程序在Linux系統(tǒng)上的開發(fā)顯得相對容易。QT是Linux操作系統(tǒng)上的一種GUI軟件,它能夠很好地支持圖形界面程序的開發(fā),使得ARM在圖像應(yīng)用中顯得更加容易。為了實現(xiàn)在ARM上的Linux操作系統(tǒng)的移植,需要加入相應(yīng)的編譯器arm-linux-gcc,其安裝過程如圖3所示。



4 終端功能
4.1 系統(tǒng)功能簡介
   
能耗管理系統(tǒng)主要有4個主要功能。
    (1)能耗數(shù)據(jù)的采集
    能耗數(shù)據(jù)采集采用無線422射頻模塊,其遠距離傳輸及穿透性強的特點,可以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無丟失傳輸。能耗數(shù)據(jù)采集傳輸協(xié)議采用電能表通信協(xié)議規(guī)范,如DLT645—1997、DLT645—2007。在系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)中需要對采集器的屬性定義進行統(tǒng)一規(guī)范,如采集器編號、采集器的電表比率、采集器的類型編號、采集器的傳輸協(xié)議規(guī)范等。
    (2)能耗數(shù)據(jù)的處理分析
    能耗數(shù)據(jù)處理分析主要分為兩個部分:數(shù)據(jù)分析判斷和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)分析判斷主要是對發(fā)送數(shù)據(jù)的地址位、校驗位進行判斷。對地址位判斷主要是對發(fā)送數(shù)據(jù)的地址及接收到的數(shù)據(jù)位地址進行比對,其地址位包含6位二進制數(shù)據(jù)。對校驗位判斷,DLT645—1997是對其前16位數(shù)據(jù)進行相加然后取其16進制的后兩位與17位數(shù)據(jù)進行比對;DLT645—1997是對其前18位數(shù)據(jù)進行相加然后取其16進制的后兩位與19位數(shù)據(jù)進行比對。
    (3)能耗數(shù)據(jù)的組合運算
    能耗數(shù)據(jù)的組合運算主要是針對不同能耗器采集來的電能數(shù)據(jù)根據(jù)其功能的不同進行能耗的數(shù)據(jù)運算組合。其中包括數(shù)據(jù)的相加、相減。在能耗管理系統(tǒng)中對以下5種能耗進行分類管理:總電能、照明、空調(diào)、動力和特殊5類用電。
    (4)能耗數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳
    對于能耗數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳功能主要采用XML技術(shù),將采集數(shù)據(jù)的參數(shù)進行放置匹配。其中包含了樓宇、電表號、電表類型、電表比率、電表數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)上傳的功能中加入了斷電續(xù)傳技術(shù)及安全加密技術(shù),保證了數(shù)據(jù)的安全傳輸。
4.2 數(shù)據(jù)XML存儲功能
   
數(shù)據(jù)存儲采用了XML進行存儲,XML是一種標記的語言,能夠規(guī)范地存儲簡單的信息。智能電表數(shù)據(jù)存儲的格式如圖4所示。


    其中,存儲的類型主要分為3類:Devices設(shè)備類、Consists組合類、Password密碼類,如表1所列。


    在ARM系統(tǒng)中XML的移植采用了TinyXML。它是一款基于DOM模型的XML解析器,在系統(tǒng)程序中主要負責XML的存儲和數(shù)據(jù)提取。在系統(tǒng)中使用了TinyXML文件,需要對其文件進行解壓、動態(tài)庫編譯,生成安裝,并移植到ARM平臺。在QT平臺的工程文件中,加入TinyXML,然后調(diào)用相應(yīng)的頭文件即可實現(xiàn)XML的統(tǒng)一管理規(guī)劃。
4.3 斷電續(xù)傳功能
4.3.1 斷點續(xù)傳流程
   
為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,在服務(wù)器出現(xiàn)故障的情況下,不影響終端的正常數(shù)據(jù)傳輸功能,采用了斷電續(xù)傳的一種保護機制,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)的完整性提供可靠的保證。
    當服務(wù)器端發(fā)生異常情況導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不通時,為了防止數(shù)據(jù)的丟失,將發(fā)送失敗的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)暫時存儲至ARM系統(tǒng)的臨時文件夾mnt下,在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后即可實現(xiàn)存儲文件的繼續(xù)上傳。斷電續(xù)傳的具體流程圖如圖5所示。


4.3.2 文件遍歷
   
針對多個服務(wù)器下的數(shù)據(jù)傳輸,臨時存儲的文件需要分類存儲,發(fā)向不同服務(wù)器的文件采用IP名稱進行臨時存儲,采用文件遍歷的方式進行文件傳輸,根據(jù)名稱提取出相應(yīng)的IP號以及發(fā)送的文件名稱。
    由于文件遍歷的隨機性可能導(dǎo)致臨時的文件排序產(chǎn)生錯誤,使得發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一些混亂,因此斷電存儲的數(shù)據(jù),必須按照一定的順序進行存儲。系統(tǒng)設(shè)計中采用了以時間命名的方式進行對應(yīng)存儲,因為時間不可能存在重名,而且可以按照一定的序列方式進行排列,所以發(fā)送的數(shù)據(jù)可以按照時間順序進行統(tǒng)一發(fā)送,使得服務(wù)器端接收的數(shù)據(jù)不會發(fā)生錯誤。在調(diào)用函數(shù)時如果采用opendir的模式則會產(chǎn)生序列的混亂,這里采用scandir的模式,并且調(diào)用alphasort進行順序排列。

5 系統(tǒng)驗證及應(yīng)用
   
系統(tǒng)選用的采集器是東軟的DDZY-943-Z單項費控智能電能表,如圖6所示。其表讀數(shù)可以從圖中讀出為21.57°。


    如圖7所示,在能耗管理終端平臺上可以看見地址為111111111111的能耗表數(shù)據(jù)為21.57°,分配到照明和空調(diào)處,總能耗為兩個電表相加讀數(shù)。


    對于終端服務(wù)器,可以根據(jù)我們的系統(tǒng)軟件得到采集的時間、采集的電表號及電表的讀數(shù)。終端服務(wù)器數(shù)據(jù)接收如圖8所示。


    此設(shè)計已經(jīng)在重慶郵電大學(xué)智能家居組實驗室開始得到應(yīng)用,實現(xiàn)了智能家居能耗的信息化管理。一方面,該設(shè)計實現(xiàn)家庭內(nèi)部各電器用電信息的查詢、分析和統(tǒng)計管理;另一方面,能耗管理系統(tǒng)給家庭用電管理提供了更高的效率和質(zhì)量保障。

結(jié)語
   
該能耗管理系統(tǒng)應(yīng)用了嵌入式Linux技術(shù)、485總線技術(shù)、數(shù)據(jù)XML存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)運算和解析技術(shù)等。此系統(tǒng)有效解決了大型建筑能耗的管理問題,并且促進了智能家居節(jié)能化發(fā)展。
    利用這項設(shè)計可以有效地實現(xiàn)能耗的遠程采集、能耗系統(tǒng)的分類及遠程的數(shù)據(jù)上傳功能??梢詭椭恍┐笮徒ㄖ档湍芎?,不僅促進了企業(yè)用電的節(jié)能化發(fā)展,對智能家居的發(fā)展也有一定的促進意義。

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