張浩淼

（重慶郵電大學 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡化控制教育部重點實驗室，重慶 400065）

引 言

目前，我國對國家機關企事業(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、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。設計了一套完整、安全、可靠的采集系統(tǒng)，能夠實現(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，結合嵌入式技術、網(wǎng)絡通信和加密技術，通過分析終端或服務器端的數(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)設計方案

能耗管理系統(tǒng)主要設計思路是設計一套集能耗采集、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)點服務器和終端服務器。

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)絡資源的上傳，主要是由ARM處理器完成的。

② 子節(jié)點服務器：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、分析和預警。

③ 終端服務器：區(qū)域管理的資源最終上傳至終端服務器，終端服務器是由國家相關部門所管理的，國家相關部門可以根據(jù)這些能耗數(shù)據(jù)進行一些相關調控，制訂應急措施。

能耗管理系統(tǒng)的總體設計框架如圖1所示。

圖1 能耗管理系統(tǒng)總體框架圖

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)點終端服務器進行數(shù)據(jù)存儲。子節(jié)點服務器將數(shù)據(jù)繼續(xù)發(fā)送給水電氣部門的終端服務器進行統(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。

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533MHz，能夠輕松解決一些低成本、低功耗的復雜系統(tǒng)設計問題。有著豐富的外圍資源，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡、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、完善的內核系統(tǒng)、強大的驅動模塊、能夠移植硬件系統(tǒng)模塊。

能耗管理系統(tǒng)的設計，需要可靠的圖形界面開發(fā)、系統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議的集成，以及底層的串口驅動開發(fā)。在這樣一種工程應用性軟件開發(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)絡接口、串口、LCD液晶顯示接口，以及基本的晶振、調試接口。能耗管理系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 能耗管理系統(tǒng)硬件框圖

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 終端軟件設計

能耗管理系統(tǒng)軟件以Linux作為基礎，采用QT作為圖形界面應用程序開發(fā)框架，Linux操作系統(tǒng)完善的驅動程序以及高效的內核管理系統(tǒng)，使得工程應用程序在Llinux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，需要加入相應的編譯器arm－linux－gcc，[1]其安裝過程如圖3所示。

3 arm－linux－gcc安裝步驟

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、動力和特殊5類用電。

（4）能耗數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡上傳

對于能耗數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡上傳功能主要采用XML技術，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)絡上傳的功能中加入了斷電續(xù)傳技術及安全加密技術，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。[2]智能電表數(shù)據(jù)存儲的格式如圖4所示。

圖4 智能電表數(shù)據(jù)存儲格式

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

表1 XML存儲類型

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，然后調用相應的頭文件即可實現(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。

當服務器端發(fā)生異常情況導致網(wǎng)絡不通時，為了防止數(shù)據(jù)的丟失，將發(fā)送失敗的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)暫時存儲至ARM系統(tǒng)的臨時文件夾mnt下，在網(wǎng)絡恢復后即可實現(xiàn)存儲文件的繼續(xù)上傳。[3]斷電續(xù)傳的具體流程圖如圖5所示。

圖5 斷電續(xù)傳流程圖

4.3.2 文件遍歷

針對多個服務器下的數(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致臨時的文件排序產生錯誤，使得發(fā)送的數(shù)據(jù)產生一些混亂，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)設計中采用了以時間命名的方式進行對應存儲，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，使得服務器端接收的數(shù)據(jù)不會發(fā)生錯誤。在調用函數(shù)時如果采用opendir的模式則會產生序列的混亂，這里采用scandir的模式，并且調用alphasort進行順序排列。[4]

5 系統(tǒng)驗證及應用

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°。

圖6 采集智能電能表

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°，分配到照明和空調處，總能耗為兩個電表相加讀數(shù)。

圖7 能耗管理終端平臺系統(tǒng)讀數(shù)

對于終端服務器，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)。終端服務器數(shù)據(jù)接收如圖8所示。

圖8 終端服務器數(shù)據(jù)接收

此設計已經在重慶郵電大學智能家居組實驗室開始得到應用，實現(xiàn)了智能家居能耗的信息化管理。一方面，該設計實現(xiàn)家庭內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量保障。

結 語

該能耗管理系統(tǒng)應用了嵌入式Linux技術、485總線技術、數(shù)據(jù)XML存儲技術、數(shù)據(jù)運算和解析技術等。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。可以幫助一些大型建筑降低能耗，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。

[1] Blanchette J，Summerfield M.C＋＋ GUI Qt4編程[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2] Bill Evjen，Kent Sharkey.XML高級編程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3] Andrew N.Sloss，Dominic Symes.ARM 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設計與優(yōu)化[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4] 宋敬彬，孫海濱.Linux網(wǎng)絡編程[M].北京：清華大學出版社，2010.