摘 要 本文結(jié)合我院自動化系物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在智能樓宇方面的特色，設(shè)計實現(xiàn)了一款物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)平臺及系統(tǒng)，用于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)，使學(xué)生全面、深入了解建筑物聯(lián)網(wǎng)能耗數(shù)據(jù)走向，是物聯(lián)網(wǎng)與智能樓宇相結(jié)合的落地項目，具有實訓(xùn)教學(xué)和實用推廣雙重價值。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee；Modbus；多功能電表；嵌入式網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP274 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0026-01

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，社會企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的需求與日俱增。高校緊跟技術(shù)熱點，結(jié)合自身優(yōu)勢紛紛開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉及層面非常廣泛，是一個多技術(shù)和多學(xué)科互相交叉的綜合性專業(yè)，如何針對高職院校的特點，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)課程，即通過一個綜合項實訓(xùn)項目，貫穿物聯(lián)網(wǎng)的各個層次，全方位展示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的全過程，是各高職院校要解決的當(dāng)務(wù)之急。

本文設(shè)計開發(fā)的綜合實訓(xùn)系統(tǒng)貫穿物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層，通過末端設(shè)備采集建筑物多功能電表、水表、燃?xì)獗砟芎臄?shù)據(jù)，以有線和無線兩種方式上傳到Cotex A8智能網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進行初步存儲、處理后最終通過TCP/IP協(xié)議上送后臺服務(wù)器。

1 實訓(xùn)平臺總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)國家節(jié)能減排需求，要求各大公共建筑需要實現(xiàn)能耗的分類分項數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，因此該實訓(xùn)平臺具有以下功能。

1）硬件接口：RS485接口、RS232接口及以太網(wǎng)接口。

2）Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點，構(gòu)建Zigbee無線采集網(wǎng)絡(luò)。

3）連接多主機，周期性（周期可調(diào)）向主機匯報能耗數(shù)據(jù)；或者響應(yīng)主機發(fā)來的命令，被動上傳指定的能耗數(shù)據(jù)。

4）智能網(wǎng)關(guān)具有本地存儲功能，保證在網(wǎng)絡(luò)不通的情況下補傳能耗數(shù)據(jù)。

5）Web系統(tǒng)能處理各種數(shù)據(jù)報表，找出異常數(shù)據(jù)，及時報警或反控設(shè)備開關(guān)，關(guān)閉異常設(shè)備。

1.2 硬件設(shè)計

1）嵌入式智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)采用具有工業(yè)級別的TI處理器TM3358，主頻可達1GHz，具有512M SDRAM內(nèi)存，512M NAND FLASH外存，2個RS232串口，2個RS485接口，2個100兆以太網(wǎng)口。

網(wǎng)關(guān)PCB采用核心板加底層擴展板的方式，有利于硬件主板的擴充，接口全部由底板引出，核心板只集成CPU、SDRAM、NAND Flash及時鐘電路。核心板支持SD卡引導(dǎo)，方便Linux系統(tǒng)升級。

2）Zigbee數(shù)據(jù)采集器。無線Zigbee數(shù)據(jù)采集器基于TI公司的CC2530芯片，該芯片除了具有8051微處理器功能外，還具有2.4G高頻RF電路，能夠收發(fā)無線數(shù)據(jù)，并且提供性能卓越的Zigbee 2007半開源協(xié)議棧，是一個完整的SOC解決方案。

在CC2530上加MAX232芯片擴展出一個RS485接口，連接末端485協(xié)議的多功能電表或其他能耗設(shè)備。

1.3 系統(tǒng)整體架構(gòu)

建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)基本由三部分組成：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)處理子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)中心服務(wù)子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)安裝在被監(jiān)測的大樓內(nèi)部，主要由有線計量表具、無線Zigbee數(shù)據(jù)采集器、嵌入式智能網(wǎng)關(guān)等三部分構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接能耗數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。整個系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖1。

圖1 建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

2.1 網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)構(gòu)建

智能網(wǎng)關(guān)硬件基于Cortex A8 處理器，通過winbond 83977及MAX232擴展2個RS485接口。系統(tǒng)層主要由Uboot、Linux內(nèi)核及根文件系統(tǒng)三部分構(gòu)成，全部針對硬件平臺開發(fā)相應(yīng)驅(qū)動，實現(xiàn)系統(tǒng)定制。

2.2 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，網(wǎng)關(guān)上層主要設(shè)計了三個線程，分別是串口485數(shù)據(jù)采集線程、串口協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)采集線程及服務(wù)器命令偵聽線程。網(wǎng)關(guān)接口掛接的機具參數(shù)必須在主線程啟動之前進行初始化。

2.2.1 核心控制進程

1）首先與服務(wù)器連接，進行身份認(rèn)證，身份證信息由本地終端配置，由MD5加密算法送至服務(wù)器進行檢驗。

2）從服務(wù)器獲取表俱參數(shù)，如表類型，表地址，和網(wǎng)關(guān)的接口參數(shù)等。

3）定時器開啟，在周期到達時，按照約定命令接口格式向所有主機發(fā)送表俱數(shù)據(jù)。

4）處理本地數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通時，將數(shù)據(jù)存儲在智能網(wǎng)關(guān)U盤中，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時補傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

5）智能網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間采用心跳包方式保持連接，并通過心跳包向主機發(fā)送智能網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。

6）智能網(wǎng)關(guān)和主機之間的數(shù)據(jù)格式如下表。

包長度

（4字節(jié)） 命令類型4字節(jié) 命令私有數(shù)據(jù) 校驗和

（3字節(jié)） 結(jié)束

（0x0d 0x0a）

2.2.2 電表數(shù)據(jù)采集線程

1）基于485串口總線的多功能電表、水表、燃?xì)獗砜赏瑫r串聯(lián)在智能網(wǎng)關(guān)的485接口上，由485串口讀寫線程統(tǒng)一管理。該線程根據(jù)核心線程獲取的參數(shù)輪詢采集電表的特定參數(shù)，將參數(shù)實時數(shù)值寫在共享內(nèi)存中，由核心調(diào)度線程發(fā)送給主機。

2）基于RS232的Zigbee協(xié)調(diào)器，由Zigbee串口線程負(fù)責(zé)采集無線Zigbee終端采集器發(fā)送過來的能耗數(shù)據(jù)，統(tǒng)一處理后記錄在共享內(nèi)存中，由核心調(diào)度線程處理。

3）采集數(shù)據(jù)線程關(guān)鍵需要解析特定電表采用的協(xié)議：比如Modbus協(xié)議、DLT645規(guī)約、常工電子多功能電表SIMS協(xié)議、CT188協(xié)議等。

2.2.3 Web服務(wù)器線程

Web服務(wù)器偵聽線程程，主要是偵聽Web服務(wù)端發(fā)出的命令請求，響應(yīng)服務(wù)端的請求，比如采集特定表、特定時間內(nèi)的參數(shù)，控制表的狀態(tài)等，實現(xiàn)M2M人機對話功能。

3 實訓(xùn)模塊

該系統(tǒng)有效監(jiān)控建筑物的各項能耗信息，完成從表俱、傳感器采集數(shù)據(jù)至后臺云計算處理的全過程，非常適合建筑物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生進行綜合實訓(xùn)。在實訓(xùn)過程中，可讓學(xué)生完成實訓(xùn)系統(tǒng)的拆裝布線，也可讓學(xué)生針對單一模塊功能進行完善或開發(fā)訓(xùn)練。具體實訓(xùn)模塊如下。

1）綜合布線模塊：完成表俱的強弱電布線及Zigbee、智能網(wǎng)關(guān)的無線組網(wǎng)過程。

2）無線數(shù)據(jù)采集模塊：完成Zigbee終端節(jié)點對傳感器、多功能電表進行數(shù)據(jù)采集。

3）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)開發(fā)模塊：完成Cotex A8網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)構(gòu)建，對Uboot、Linux內(nèi)核進行裁剪移植，制作rootfs文件系統(tǒng)，搭建上層應(yīng)用。

4）網(wǎng)關(guān)控制模塊：完成網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間的身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)采集及定期發(fā)送功能。

5）Web系統(tǒng)開發(fā)：海量數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器后進行云計算，及時給出報表或控制末端設(shè)備，必要時發(fā)出報警信息。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案量身定制了一款綜合實訓(xùn)平臺與系統(tǒng)，實際授課過程學(xué)生不僅能對建筑物聯(lián)網(wǎng)的全數(shù)據(jù)流程具有感性認(rèn)識，而且還可以選擇其中一個模塊進行完善，提高自己物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)能力。

本系統(tǒng)可部署在學(xué)校、企事業(yè)單位的大型建筑物內(nèi)，全面監(jiān)控建筑能耗中的分類分項數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、報表及深度挖掘，滿足國家對大型公建的節(jié)能減排政策的具體要求，具有推廣價值。

基金項目

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育研究立項課題。

參考文獻

[1]高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2009.

[2] DL/T-2007 645-2007多功能電能表通信協(xié)議.

作者簡介

仲啟秀，男，高級工程師，主要研究方向為嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用，主持開發(fā)國光《UT300 一體式Linux圖形終端》產(chǎn)品，獲常州市科技進步一等獎。endprint

摘 要 本文結(jié)合我院自動化系物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在智能樓宇方面的特色，設(shè)計實現(xiàn)了一款物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)平臺及系統(tǒng)，用于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)，使學(xué)生全面、深入了解建筑物聯(lián)網(wǎng)能耗數(shù)據(jù)走向，是物聯(lián)網(wǎng)與智能樓宇相結(jié)合的落地項目，具有實訓(xùn)教學(xué)和實用推廣雙重價值。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee；Modbus；多功能電表；嵌入式網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP274 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0026-01

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，社會企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的需求與日俱增。高校緊跟技術(shù)熱點，結(jié)合自身優(yōu)勢紛紛開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉及層面非常廣泛，是一個多技術(shù)和多學(xué)科互相交叉的綜合性專業(yè)，如何針對高職院校的特點，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)課程，即通過一個綜合項實訓(xùn)項目，貫穿物聯(lián)網(wǎng)的各個層次，全方位展示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的全過程，是各高職院校要解決的當(dāng)務(wù)之急。

本文設(shè)計開發(fā)的綜合實訓(xùn)系統(tǒng)貫穿物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層，通過末端設(shè)備采集建筑物多功能電表、水表、燃?xì)獗砟芎臄?shù)據(jù)，以有線和無線兩種方式上傳到Cotex A8智能網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進行初步存儲、處理后最終通過TCP/IP協(xié)議上送后臺服務(wù)器。

1 實訓(xùn)平臺總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)國家節(jié)能減排需求，要求各大公共建筑需要實現(xiàn)能耗的分類分項數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，因此該實訓(xùn)平臺具有以下功能。

1）硬件接口：RS485接口、RS232接口及以太網(wǎng)接口。

2）Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點，構(gòu)建Zigbee無線采集網(wǎng)絡(luò)。

3）連接多主機，周期性（周期可調(diào)）向主機匯報能耗數(shù)據(jù)；或者響應(yīng)主機發(fā)來的命令，被動上傳指定的能耗數(shù)據(jù)。

4）智能網(wǎng)關(guān)具有本地存儲功能，保證在網(wǎng)絡(luò)不通的情況下補傳能耗數(shù)據(jù)。

5）Web系統(tǒng)能處理各種數(shù)據(jù)報表，找出異常數(shù)據(jù)，及時報警或反控設(shè)備開關(guān)，關(guān)閉異常設(shè)備。

1.2 硬件設(shè)計

1）嵌入式智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)采用具有工業(yè)級別的TI處理器TM3358，主頻可達1GHz，具有512M SDRAM內(nèi)存，512M NAND FLASH外存，2個RS232串口，2個RS485接口，2個100兆以太網(wǎng)口。

網(wǎng)關(guān)PCB采用核心板加底層擴展板的方式，有利于硬件主板的擴充，接口全部由底板引出，核心板只集成CPU、SDRAM、NAND Flash及時鐘電路。核心板支持SD卡引導(dǎo)，方便Linux系統(tǒng)升級。

2）Zigbee數(shù)據(jù)采集器。無線Zigbee數(shù)據(jù)采集器基于TI公司的CC2530芯片，該芯片除了具有8051微處理器功能外，還具有2.4G高頻RF電路，能夠收發(fā)無線數(shù)據(jù)，并且提供性能卓越的Zigbee 2007半開源協(xié)議棧，是一個完整的SOC解決方案。

在CC2530上加MAX232芯片擴展出一個RS485接口，連接末端485協(xié)議的多功能電表或其他能耗設(shè)備。

1.3 系統(tǒng)整體架構(gòu)

建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)基本由三部分組成：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)處理子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)中心服務(wù)子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)安裝在被監(jiān)測的大樓內(nèi)部，主要由有線計量表具、無線Zigbee數(shù)據(jù)采集器、嵌入式智能網(wǎng)關(guān)等三部分構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接能耗數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。整個系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖1。

圖1 建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

2.1 網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)構(gòu)建

智能網(wǎng)關(guān)硬件基于Cortex A8 處理器，通過winbond 83977及MAX232擴展2個RS485接口。系統(tǒng)層主要由Uboot、Linux內(nèi)核及根文件系統(tǒng)三部分構(gòu)成，全部針對硬件平臺開發(fā)相應(yīng)驅(qū)動，實現(xiàn)系統(tǒng)定制。

2.2 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，網(wǎng)關(guān)上層主要設(shè)計了三個線程，分別是串口485數(shù)據(jù)采集線程、串口協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)采集線程及服務(wù)器命令偵聽線程。網(wǎng)關(guān)接口掛接的機具參數(shù)必須在主線程啟動之前進行初始化。

2.2.1 核心控制進程

1）首先與服務(wù)器連接，進行身份認(rèn)證，身份證信息由本地終端配置，由MD5加密算法送至服務(wù)器進行檢驗。

2）從服務(wù)器獲取表俱參數(shù)，如表類型，表地址，和網(wǎng)關(guān)的接口參數(shù)等。

3）定時器開啟，在周期到達時，按照約定命令接口格式向所有主機發(fā)送表俱數(shù)據(jù)。

4）處理本地數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通時，將數(shù)據(jù)存儲在智能網(wǎng)關(guān)U盤中，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時補傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

5）智能網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間采用心跳包方式保持連接，并通過心跳包向主機發(fā)送智能網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。

6）智能網(wǎng)關(guān)和主機之間的數(shù)據(jù)格式如下表。

包長度

（4字節(jié)） 命令類型4字節(jié) 命令私有數(shù)據(jù) 校驗和

（3字節(jié)） 結(jié)束

（0x0d 0x0a）

2.2.2 電表數(shù)據(jù)采集線程

1）基于485串口總線的多功能電表、水表、燃?xì)獗砜赏瑫r串聯(lián)在智能網(wǎng)關(guān)的485接口上，由485串口讀寫線程統(tǒng)一管理。該線程根據(jù)核心線程獲取的參數(shù)輪詢采集電表的特定參數(shù)，將參數(shù)實時數(shù)值寫在共享內(nèi)存中，由核心調(diào)度線程發(fā)送給主機。

2）基于RS232的Zigbee協(xié)調(diào)器，由Zigbee串口線程負(fù)責(zé)采集無線Zigbee終端采集器發(fā)送過來的能耗數(shù)據(jù)，統(tǒng)一處理后記錄在共享內(nèi)存中，由核心調(diào)度線程處理。

3）采集數(shù)據(jù)線程關(guān)鍵需要解析特定電表采用的協(xié)議：比如Modbus協(xié)議、DLT645規(guī)約、常工電子多功能電表SIMS協(xié)議、CT188協(xié)議等。

2.2.3 Web服務(wù)器線程

Web服務(wù)器偵聽線程程，主要是偵聽Web服務(wù)端發(fā)出的命令請求，響應(yīng)服務(wù)端的請求，比如采集特定表、特定時間內(nèi)的參數(shù)，控制表的狀態(tài)等，實現(xiàn)M2M人機對話功能。

3 實訓(xùn)模塊

該系統(tǒng)有效監(jiān)控建筑物的各項能耗信息，完成從表俱、傳感器采集數(shù)據(jù)至后臺云計算處理的全過程，非常適合建筑物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生進行綜合實訓(xùn)。在實訓(xùn)過程中，可讓學(xué)生完成實訓(xùn)系統(tǒng)的拆裝布線，也可讓學(xué)生針對單一模塊功能進行完善或開發(fā)訓(xùn)練。具體實訓(xùn)模塊如下。

1）綜合布線模塊：完成表俱的強弱電布線及Zigbee、智能網(wǎng)關(guān)的無線組網(wǎng)過程。

2）無線數(shù)據(jù)采集模塊：完成Zigbee終端節(jié)點對傳感器、多功能電表進行數(shù)據(jù)采集。

3）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)開發(fā)模塊：完成Cotex A8網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)構(gòu)建，對Uboot、Linux內(nèi)核進行裁剪移植，制作rootfs文件系統(tǒng)，搭建上層應(yīng)用。

4）網(wǎng)關(guān)控制模塊：完成網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間的身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)采集及定期發(fā)送功能。

5）Web系統(tǒng)開發(fā)：海量數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器后進行云計算，及時給出報表或控制末端設(shè)備，必要時發(fā)出報警信息。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案量身定制了一款綜合實訓(xùn)平臺與系統(tǒng)，實際授課過程學(xué)生不僅能對建筑物聯(lián)網(wǎng)的全數(shù)據(jù)流程具有感性認(rèn)識，而且還可以選擇其中一個模塊進行完善，提高自己物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)能力。

本系統(tǒng)可部署在學(xué)校、企事業(yè)單位的大型建筑物內(nèi)，全面監(jiān)控建筑能耗中的分類分項數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、報表及深度挖掘，滿足國家對大型公建的節(jié)能減排政策的具體要求，具有推廣價值。

基金項目

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育研究立項課題。

參考文獻

[1]高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2009.

[2] DL/T-2007 645-2007多功能電能表通信協(xié)議.

作者簡介

仲啟秀，男，高級工程師，主要研究方向為嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用，主持開發(fā)國光《UT300 一體式Linux圖形終端》產(chǎn)品，獲常州市科技進步一等獎。endprint

摘 要 本文結(jié)合我院自動化系物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在智能樓宇方面的特色，設(shè)計實現(xiàn)了一款物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)平臺及系統(tǒng)，用于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學(xué)，使學(xué)生全面、深入了解建筑物聯(lián)網(wǎng)能耗數(shù)據(jù)走向，是物聯(lián)網(wǎng)與智能樓宇相結(jié)合的落地項目，具有實訓(xùn)教學(xué)和實用推廣雙重價值。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee；Modbus；多功能電表；嵌入式網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP274 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）17-0026-01

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，社會企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才的需求與日俱增。高校緊跟技術(shù)熱點，結(jié)合自身優(yōu)勢紛紛開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)涉及層面非常廣泛，是一個多技術(shù)和多學(xué)科互相交叉的綜合性專業(yè)，如何針對高職院校的特點，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)綜合實訓(xùn)課程，即通過一個綜合項實訓(xùn)項目，貫穿物聯(lián)網(wǎng)的各個層次，全方位展示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的全過程，是各高職院校要解決的當(dāng)務(wù)之急。

本文設(shè)計開發(fā)的綜合實訓(xùn)系統(tǒng)貫穿物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層，通過末端設(shè)備采集建筑物多功能電表、水表、燃?xì)獗砟芎臄?shù)據(jù)，以有線和無線兩種方式上傳到Cotex A8智能網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進行初步存儲、處理后最終通過TCP/IP協(xié)議上送后臺服務(wù)器。

1 實訓(xùn)平臺總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)國家節(jié)能減排需求，要求各大公共建筑需要實現(xiàn)能耗的分類分項數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，因此該實訓(xùn)平臺具有以下功能。

1）硬件接口：RS485接口、RS232接口及以太網(wǎng)接口。

2）Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點，構(gòu)建Zigbee無線采集網(wǎng)絡(luò)。

3）連接多主機，周期性（周期可調(diào)）向主機匯報能耗數(shù)據(jù)；或者響應(yīng)主機發(fā)來的命令，被動上傳指定的能耗數(shù)據(jù)。

4）智能網(wǎng)關(guān)具有本地存儲功能，保證在網(wǎng)絡(luò)不通的情況下補傳能耗數(shù)據(jù)。

5）Web系統(tǒng)能處理各種數(shù)據(jù)報表，找出異常數(shù)據(jù)，及時報警或反控設(shè)備開關(guān)，關(guān)閉異常設(shè)備。

1.2 硬件設(shè)計

1）嵌入式智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)采用具有工業(yè)級別的TI處理器TM3358，主頻可達1GHz，具有512M SDRAM內(nèi)存，512M NAND FLASH外存，2個RS232串口，2個RS485接口，2個100兆以太網(wǎng)口。

網(wǎng)關(guān)PCB采用核心板加底層擴展板的方式，有利于硬件主板的擴充，接口全部由底板引出，核心板只集成CPU、SDRAM、NAND Flash及時鐘電路。核心板支持SD卡引導(dǎo)，方便Linux系統(tǒng)升級。

2）Zigbee數(shù)據(jù)采集器。無線Zigbee數(shù)據(jù)采集器基于TI公司的CC2530芯片，該芯片除了具有8051微處理器功能外，還具有2.4G高頻RF電路，能夠收發(fā)無線數(shù)據(jù)，并且提供性能卓越的Zigbee 2007半開源協(xié)議棧，是一個完整的SOC解決方案。

在CC2530上加MAX232芯片擴展出一個RS485接口，連接末端485協(xié)議的多功能電表或其他能耗設(shè)備。

1.3 系統(tǒng)整體架構(gòu)

建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)基本由三部分組成：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)處理子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)中心服務(wù)子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)安裝在被監(jiān)測的大樓內(nèi)部，主要由有線計量表具、無線Zigbee數(shù)據(jù)采集器、嵌入式智能網(wǎng)關(guān)等三部分構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接能耗數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。整個系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖1。

圖1 建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

2.1 網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)構(gòu)建

智能網(wǎng)關(guān)硬件基于Cortex A8 處理器，通過winbond 83977及MAX232擴展2個RS485接口。系統(tǒng)層主要由Uboot、Linux內(nèi)核及根文件系統(tǒng)三部分構(gòu)成，全部針對硬件平臺開發(fā)相應(yīng)驅(qū)動，實現(xiàn)系統(tǒng)定制。

2.2 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，網(wǎng)關(guān)上層主要設(shè)計了三個線程，分別是串口485數(shù)據(jù)采集線程、串口協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)采集線程及服務(wù)器命令偵聽線程。網(wǎng)關(guān)接口掛接的機具參數(shù)必須在主線程啟動之前進行初始化。

2.2.1 核心控制進程

1）首先與服務(wù)器連接，進行身份認(rèn)證，身份證信息由本地終端配置，由MD5加密算法送至服務(wù)器進行檢驗。

2）從服務(wù)器獲取表俱參數(shù)，如表類型，表地址，和網(wǎng)關(guān)的接口參數(shù)等。

3）定時器開啟，在周期到達時，按照約定命令接口格式向所有主機發(fā)送表俱數(shù)據(jù)。

4）處理本地數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通時，將數(shù)據(jù)存儲在智能網(wǎng)關(guān)U盤中，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時補傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

5）智能網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間采用心跳包方式保持連接，并通過心跳包向主機發(fā)送智能網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。

6）智能網(wǎng)關(guān)和主機之間的數(shù)據(jù)格式如下表。

包長度

（4字節(jié)） 命令類型4字節(jié) 命令私有數(shù)據(jù) 校驗和

（3字節(jié)） 結(jié)束

（0x0d 0x0a）

2.2.2 電表數(shù)據(jù)采集線程

1）基于485串口總線的多功能電表、水表、燃?xì)獗砜赏瑫r串聯(lián)在智能網(wǎng)關(guān)的485接口上，由485串口讀寫線程統(tǒng)一管理。該線程根據(jù)核心線程獲取的參數(shù)輪詢采集電表的特定參數(shù)，將參數(shù)實時數(shù)值寫在共享內(nèi)存中，由核心調(diào)度線程發(fā)送給主機。

2）基于RS232的Zigbee協(xié)調(diào)器，由Zigbee串口線程負(fù)責(zé)采集無線Zigbee終端采集器發(fā)送過來的能耗數(shù)據(jù)，統(tǒng)一處理后記錄在共享內(nèi)存中，由核心調(diào)度線程處理。

3）采集數(shù)據(jù)線程關(guān)鍵需要解析特定電表采用的協(xié)議：比如Modbus協(xié)議、DLT645規(guī)約、常工電子多功能電表SIMS協(xié)議、CT188協(xié)議等。

2.2.3 Web服務(wù)器線程

Web服務(wù)器偵聽線程程，主要是偵聽Web服務(wù)端發(fā)出的命令請求，響應(yīng)服務(wù)端的請求，比如采集特定表、特定時間內(nèi)的參數(shù)，控制表的狀態(tài)等，實現(xiàn)M2M人機對話功能。

3 實訓(xùn)模塊

該系統(tǒng)有效監(jiān)控建筑物的各項能耗信息，完成從表俱、傳感器采集數(shù)據(jù)至后臺云計算處理的全過程，非常適合建筑物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生進行綜合實訓(xùn)。在實訓(xùn)過程中，可讓學(xué)生完成實訓(xùn)系統(tǒng)的拆裝布線，也可讓學(xué)生針對單一模塊功能進行完善或開發(fā)訓(xùn)練。具體實訓(xùn)模塊如下。

1）綜合布線模塊：完成表俱的強弱電布線及Zigbee、智能網(wǎng)關(guān)的無線組網(wǎng)過程。

2）無線數(shù)據(jù)采集模塊：完成Zigbee終端節(jié)點對傳感器、多功能電表進行數(shù)據(jù)采集。

3）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)開發(fā)模塊：完成Cotex A8網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)構(gòu)建，對Uboot、Linux內(nèi)核進行裁剪移植，制作rootfs文件系統(tǒng)，搭建上層應(yīng)用。

4）網(wǎng)關(guān)控制模塊：完成網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間的身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)采集及定期發(fā)送功能。

5）Web系統(tǒng)開發(fā)：海量數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器后進行云計算，及時給出報表或控制末端設(shè)備，必要時發(fā)出報警信息。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)我院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)方案量身定制了一款綜合實訓(xùn)平臺與系統(tǒng)，實際授課過程學(xué)生不僅能對建筑物聯(lián)網(wǎng)的全數(shù)據(jù)流程具有感性認(rèn)識，而且還可以選擇其中一個模塊進行完善，提高自己物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)能力。

本系統(tǒng)可部署在學(xué)校、企事業(yè)單位的大型建筑物內(nèi)，全面監(jiān)控建筑能耗中的分類分項數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、報表及深度挖掘，滿足國家對大型公建的節(jié)能減排政策的具體要求，具有推廣價值。

基金項目

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育研究立項課題。

參考文獻

[1]高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2009.

[2] DL/T-2007 645-2007多功能電能表通信協(xié)議.

作者簡介

仲啟秀，男，高級工程師，主要研究方向為嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用，主持開發(fā)國光《UT300 一體式Linux圖形終端》產(chǎn)品，獲常州市科技進步一等獎。endprint