張雨+包依勤+陳長偉

摘 要：隨著我國經濟的高速發(fā)展，大型建筑高耗能的問題日益突出。高校作為大型公共機構建筑的重要組成部分，策劃一些有效便捷的管理方案，對解決目前校園的能耗數據不完整、不全面，管理不到位、能源浪費等現象具有巨大的實際意義。文章從節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的發(fā)展需求開始，介紹了節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的架構、Modbus規(guī)約和SQLite3數據庫，簡述了基于安卓平臺的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)所要研究的內容，分析了系統(tǒng)的組成、采用的技術和通信手段，并從系統(tǒng)可靠性、實用性、安全性等出發(fā)，提出了一套基于ZigBee和移動終端技術的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的實現方案。同時對方案進行了比較全面的分析研究和探討。

關鍵詞：電能分析；監(jiān)管；節(jié)能；安卓應用

中圖分類號：TP39 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0024-04

0 引 言

“物聯網”的概念最早于1999年提出，即把所有物品通過信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，正式提出了“物聯網”的概念。報告指出：無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行信息交換。

作為物聯網概念的一個能源分支，節(jié)能監(jiān)管也提上了新的日程。隨著科技的不斷進步，工業(yè)生產自動化也跟著蓬勃發(fā)展，自動化提高了生產力，同時也消耗了大量的能源，當能源需求量不斷激增時，能源制造成本也將跟著大幅攀升。各行各業(yè)都面臨激烈的市場競爭，生產設備運行電費已經成為重要的成本支出，面臨著低利潤以及高成本的雙重壓力，紛紛尋求各種高效的節(jié)能技術降低用電成本，透過監(jiān)控手段自動監(jiān)測并管理能源使用狀況，以提高能源利用率，降低單位生產成本，除了可直接提升競爭力外，還能兼顧節(jié)能減碳的環(huán)保責任。

1 節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的架構

Android平臺的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)提供校園日常使用能耗的實時數據查詢監(jiān)測、校園各種能源系統(tǒng)進行集中管理的功能。校園節(jié)能監(jiān)控平臺和Android移動手持設備可實現校園電能的實時在線監(jiān)測及自動化監(jiān)控和數據自動采集與存貯、數據統(tǒng)計與分析、數據遠程傳輸和數據顯示，使學校管理部門對能源系統(tǒng)進行有效的監(jiān)控與管理，為校園節(jié)能降耗研究提供了真實數據。

本系統(tǒng)是一個基于Android智能終端的智能校園能源管理系統(tǒng)，它是集電能監(jiān)測與控制于一體，通過ARM嵌入式網關、ZigBee通信模塊、電力監(jiān)測儀表及Android智能終端構成整個校園電能的監(jiān)管系統(tǒng)，主要綜合了電能電量的實時監(jiān)控監(jiān)督、電器開關控制、危險報警等功能。 本系統(tǒng)基于局域網，以TCP/IP協議Modbus規(guī)約傳輸多種控制信號，易于Internet連接和訪問。Android節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 Android節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)框圖

2 節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的研究內容

2.1 采用無線通信技術

節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)應用的主要技術包括智能監(jiān)測技術、ZigBee通信技術、ARM嵌入式網關技術和Android智能終端技術。智能監(jiān)測儀表接入電路中用于收集電能的相關信息及相關電器控制；ZigBee通信模塊通過TTL接口與智能檢測儀表相連構成下層子網；ARM網關與下層子網間通過ZigBee進行數據交換實現控制；Android智能終端通過局域網（實際應用時是通過Internet）與ARM網關進行數據交換從而獲取對下層子網的控制及信息的采集顯示等。Android移動終端的用戶程序提供給用戶進行遠程操作，ARM網關主要在Linux操作系統(tǒng)上通過QT程序實現上下層的操作及電能的功能操作，ARM網關端的觸摸板供客戶操作控制。

目前所有的產品無外乎兩種數據傳輸的方式：有線方式和無線方式。有線方式即總線控制方式，如EIB、C-Bus、H-Bus、LonWorks、SCS、RS485等，有線方式由于因為需要進行布置復雜的線路，對原有建筑造成不同程度的破壞，而且維護、擴展有很多局限性，所以，采用有線通信方式的產品正在被逐漸淘汰。

無線方式包括射頻、載波、Wi-Fi、ZigBee、藍牙等。本文設計的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)采用ZigBee組網方式，而目前國內僅有個別廠家采用ZigBee組網方式，表1所列是對各種無線組網方式的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)進行的比較。

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術是最低功耗和成本的技術，這些特點決定了在節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)中采用ZigBee組網是非常合適的。

ZigBee網絡中的設備可分為協調器（Coordinator）、匯聚節(jié)點（Router）、傳感器節(jié)點（EndDevice）三種角色。可在節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)中實現1個協調器和多個節(jié)點之間的串口透明傳輸。圖2所示是協調器和多節(jié)點透明傳輸的結構圖。

圖2 協調器和多節(jié)點透明傳輸

系統(tǒng)中采用一個ZigBee模塊充當ZigBee協調器，通過串口與ARM嵌入式網關相連，接收網關發(fā)來的數據，當協調器收到數據后通過ZigBee廣播發(fā)給各個電表，報文中包含設備地址，對應地址的電表做出動作。

協調器處理多節(jié)點機制，為了記錄這個短地址我定義了一個結構體來記錄每個節(jié)點的短地址，廣播時通過短地址循環(huán)發(fā)送給各個節(jié)點，處理反饋時，通過反饋的短地址，給對應的節(jié)點單獨發(fā)送。

數據發(fā)送有超時和防丟包機制。每次都會進行計數比較，監(jiān)聽報文計數，如果計數不對，就表明出現了丟包現象，函數就會給以丟包狀態(tài)，調用重發(fā)機制，同時通過字節(jié)數比較，監(jiān)聽串口是否發(fā)送超時，如果超時給一定的延時，讓其穩(wěn)定發(fā)完。

2.2 Modbus規(guī)約

Modbus規(guī)約是國際工業(yè)標準通信協議，Modbus安全可靠、通俗易懂，作為本系統(tǒng)的通信方式，保證整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（如以太網）和其它設備之間通信。它已經成為一通用工業(yè)標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網絡，進行集中監(jiān)控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。

Modbus通信規(guī)約主要有以下3個特點：

（1）標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權；

（2）支持多種電氣接口，如RS232、RS485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

（3）Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂，表2所列為Modbus規(guī)約的信息結構。

表 2 Modbus規(guī)約信息結構

地址碼 功能碼 數據區(qū) 錯誤校驗碼

8位 8位 N × 8位 16位

2.3 SQLite3數據庫

SQLite是一款輕型的數據庫，是遵守ACID的關聯式數據庫管理系統(tǒng)，它的設計目標是嵌入式的，而且目前很多嵌入式產品已經在使用，它占用資源非常低，在嵌入式設備中，可能只需要幾百KB的內存就夠了。它能夠支持Windows、Linux、Unix等主流的操作系統(tǒng)，同時能夠跟很多程序語言相結合，比如 TCL、C#、PHP、Java等，還有ODBC接口，同時比MySQL、PostgreSQL的處理速度更快。

在嵌入式網關和智能終端程序中使用了SQLite3數據庫，在此數據庫中，主要定義3個表，即：電表的檔案表、電表歷史數據表、定時控制繼電器狀態(tài)表。

表3所列為電表的檔案表，表中對每個電表的一些信息進行了記錄。

表4為電表歷史數據表，記錄了由檔案表中的interval字段而決定的獲取時間間隔數據，由此來實現歷史數據的存儲。

表4 電表歷史數據表

ID realtime addr Ua Ub Uc Ia Ib Ic P

自增唯一 插入數據庫時間 電表

地址 A相

電壓 B相

電壓 C相

電壓 A相

電流 B相

電流 C相

電流 功率

表5為定時控制繼電器狀態(tài)表，記錄了每塊電表的兩個繼電器所需要的開通時間和關閉時間，分別指的是：在關的時間段之后，繼電器狀態(tài)需由服務器發(fā)送關指令讓其關閉，達到節(jié)能效果，避免無故浪費電能；在開的時間段內，就不需要再主動控制繼電器的狀態(tài)，根據當天需要手動通電即可。

表5 定時控制繼電器狀態(tài)表

ID addr R1_on_time R1_off_time R2_on_time R2_off_time

自增唯一 電表地址 繼電器1

開時間 繼電器1

關時間 繼電器2

開時間 繼電器2

關時間

3 ARM嵌入式網關的設計

ARM嵌入式網關采用三星S2C2440，內嵌Linux 2.6操作系統(tǒng)和USB、SD卡、以太網、串口等驅動，實現電能數據的監(jiān)測、開關的通斷、數據管理等功能。在網關系統(tǒng)中采用C/S軟件架構，有服務器和可視化軟件客戶端（QT界面），服務器與多功能電表的串口設備通信實現監(jiān)測和控制，服務器采用多線程架構和使用TCP數據通信實現與智能終端通信的功能，多線程架構解決了多客戶端與服務器鏈接所引起的并發(fā)問題，很好地解決了并發(fā)所帶來的弊端，實現多客戶端同時鏈接和同時請求的功能。

3.1 服務器程序流程

該系統(tǒng)的服務器程序流程如下：

（1）串口設備的初始化

在Linux系統(tǒng)中，先對串口設備1（/dev/ttySAC1）初始化，保證后面的所有代碼能夠調用這個設備進行讀寫操作；

（2）自動獲取電表實時數據線程的啟動

啟動一個線程，再根據數據庫中的ammeter file table表中的interval字段設置自動采集每塊電表的實時數據，并保存在數據庫中；

（3）定時控制多功能電表繼電器狀態(tài)線程的啟動

啟動一個線程，然后根據數據庫中的ammeter relay control table繼電器控制表中的各個繼電器的字段來實現定時開關繼電器；

（4）服務器端對客戶端的監(jiān)聽

就是對服務端的Socket套接字的初始化，監(jiān)聽網卡上的所有IP地址，并創(chuàng)建服務器線程等待客戶端鏈接，當有客戶端鏈接后，創(chuàng)建一個線程與客戶端進行Socket通信，實時維護客戶端的請求。

3.2 程序使用的機制

3.2.1 實行多線程機制

程序中要實現諸多功能，自動定時獲取每塊多功能電表的實時數據，定時控制電表的繼電器狀態(tài)（實現智能監(jiān)控大樓的電的通與斷），實時接收客戶端的鏈接請求，實時處理客戶端的數據、功能請求等功能。多線程機制實現了同時處理多個任務或客戶端的請求，增加了服務器對某些任務處理的實時性。

3.2.2 共享資源的多線程之間的互斥機制

在服務器這個系統(tǒng)中，每一個客戶端線程和自動獲取實時數據線程，都有可能在同一個時刻或同一個時段去使用一個資源，即串口設備（ttySAC1），當多個線程對這個設備進行訪問時，就會出現數據紊亂，每個線程得到的大多不是自己的數據，為了解決這個問題，使用了線程之間的互斥機制，使用一把鎖（mutex），如果一個線程在申請獲得這把鎖時，發(fā)現鎖已被其他線程所擁有，則須等待其他線程釋放后，再一起和其他線程競爭這把鎖，有效解決了數據紊亂的現象。

4 Android智能終端軟件的設計

4.1 Android智能終端軟件的主要功能

（1）大樓的管理

包括修改、查看、刪除、還有添加功能，主要針對大樓的名稱、IP地址、端口號、大樓的層數以及地址碼進行操作。

（2）電表的管理

包括修改、查看、刪除、還有添加功能，主要針對電表的地址碼進行操作。

（3）大樓的電能分析

大樓中的電表分為總表和分表，針對每一個表的功率和電量進行分析，以餅狀圖的形式表現出來，讓用戶直觀地看到電能量的分析；計算了總表和分表的電量差，可以判斷偷電漏電情況；根據電量算出了損耗率。

（4）電表的電能量實時顯示

點擊抄表按鈕可以獲取當前表的電能量分析，主要包括：A相電壓、B相電壓、C相電壓；A相電流、B相電流、C相電流；AC相電壓、BC相電壓、AC相電壓；有功功率、無功功率、功率因素、頻率等信息。

（5）繼電器的開關控制

每個電表上有兩個繼電器，可以通過相關的按鈕來實時控制其開關，通過設置繼電器的開關時間來節(jié)約電能。

（6）電表電能量曲線圖

曲線圖每隔15 s獲取一次當前表的實時信息，其中包括：A相電壓、B相電壓、C相電壓；A相電流、B相電流、C相電流并通過曲線圖的方式顯示出來，讓用戶直觀地看到電壓、電流的變換。

4.2 智能終端軟件的實現

4.2.1 界面顯示模塊的實現

主要實現對接收到的報文數據進行圖形化顯示功能：利用按鈕、曲線圖、餅狀圖等圖形化工具來更加直觀高效地顯示數據，圖3所示是其界面流程圖。

圖3 界面流程圖

4.2.2 報文處理模塊的實現

主要是對報文進行校驗和解析，并且對解析后的數據進行處理，最終轉化成可以顯示給用戶的信息。圖4所示是該系統(tǒng)中的報文解析流程圖。

圖4 報文解析的流程圖

4.2.3 大樓與電表的管理模塊

通過數據庫來管理大樓，主要實現對大樓信息和電表信息的添加、刪除、修改、查詢等功能。

5 系統(tǒng)主要特點

本系統(tǒng)采用ZigBee技術，功耗低、可靠性高、自組網、網絡容量大、成本低、數據安全性高、通用性好；

該系統(tǒng)采用了嵌入式網關技術，具有服務器和QT客戶端功能，手機連接服務器實現數據的采集和通信功能，QT客戶端實現參數的設定、數據的顯示和曲線的查詢等功能；

系統(tǒng)采用移動終端技術，可通過手機平臺對校園用電情況進行實時監(jiān)控與管理，防止意外事故發(fā)生，增強了校園的安全性，創(chuàng)建和諧校園。

本系統(tǒng)以智能、節(jié)能、遠程、便捷、科學管理的理念為主要設計思想，擁有遠程和本地兩個用戶操作平臺，可以讓用戶更方便實時地掌握校園用電情況，實時監(jiān)測用電，實時控制用電，動態(tài)分析用電，并且具有定時開關功能，給用戶提供更方便、更智能的服務，體現了科學管理的思想。

6 結 語

本文對基于Android平臺的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)進行了研究與探討，在分析了節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的架構、Modbus規(guī)約和SQLite3數據庫層次后，提出了一套基于ZigBee和Android平臺的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ZigBee技術和移動終端技術，該技術應用在節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)中具有諸多顯著特點。本文通過對通信方式比較后，在節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)中選擇ZigBee通信技術，在自動化通信領域具有很好的優(yōu)勢；在應用中選擇移動終端技術，具有基于移動互聯網和可靠的嵌入式等特點，使節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)具有智能化和可移動性；基于Android平臺的節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)在學校中的應用和實現，使學校管理部門對能源管理有了高效的監(jiān)管手段。

參 考 文 獻

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Implementation of energy-saving supervision system based on Android platform

ZHANG Yu， BAO Yi-qin， CHEN Chang-wei

（School of Mathematics and information Technology， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing 210017， China）

Abstract： With the rapid development of Chinas economy， energy problem of large-scale building is increasingly prominent. As an important part of large public institution buildings， colleges and universities planed some effective and convenient management solution which has a great practical significance in solving the problems of incomplete campus energy consumption data， lack of management and lots of the energy waste. Starting from the development demands， the structure of the energy-saving supervision system， the Modbus code and SQLite3 are introduced， and the research content of the system based on Android platform is briefly introduced. The system composition， adopted technology and communication method are analyzed， and start from the reliability， practicability and safety， a solution of the energy-saving supervision system based on ZigBee and mobile terminator technology is proposed. Meanwhile， a comprehensive analysis and discussion of the solution are proposed， in order to provide a guidance and promotion for the development of the energy management

Keywords： power quality analysis； supervision； energy conservation； Android application

（School of Mathematics and information Technology， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing 210017， China）

Abstract： With the rapid development of Chinas economy， energy problem of large-scale building is increasingly prominent. As an important part of large public institution buildings， colleges and universities planed some effective and convenient management solution which has a great practical significance in solving the problems of incomplete campus energy consumption data， lack of management and lots of the energy waste. Starting from the development demands， the structure of the energy-saving supervision system， the Modbus code and SQLite3 are introduced， and the research content of the system based on Android platform is briefly introduced. The system composition， adopted technology and communication method are analyzed， and start from the reliability， practicability and safety， a solution of the energy-saving supervision system based on ZigBee and mobile terminator technology is proposed. Meanwhile， a comprehensive analysis and discussion of the solution are proposed， in order to provide a guidance and promotion for the development of the energy management

Keywords： power quality analysis； supervision； energy conservation； Android application

（School of Mathematics and information Technology， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing 210017， China）

Abstract： With the rapid development of Chinas economy， energy problem of large-scale building is increasingly prominent. As an important part of large public institution buildings， colleges and universities planed some effective and convenient management solution which has a great practical significance in solving the problems of incomplete campus energy consumption data， lack of management and lots of the energy waste. Starting from the development demands， the structure of the energy-saving supervision system， the Modbus code and SQLite3 are introduced， and the research content of the system based on Android platform is briefly introduced. The system composition， adopted technology and communication method are analyzed， and start from the reliability， practicability and safety， a solution of the energy-saving supervision system based on ZigBee and mobile terminator technology is proposed. Meanwhile， a comprehensive analysis and discussion of the solution are proposed， in order to provide a guidance and promotion for the development of the energy management

Keywords： power quality analysis； supervision； energy conservation； Android application