楊立志 周建林 崔鳳利

摘 要：當(dāng)前，許多廠(chǎng)礦企業(yè)、學(xué)校醫(yī)院等單位，由于用水用電量較大，分布點(diǎn)較多，靠人工巡檢無(wú)法對(duì)長(zhǎng)明燈，長(zhǎng)流水等現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)管，從而造成大量能源浪費(fèi)。設(shè)計(jì)一種通過(guò)無(wú)線(xiàn)WiFi模塊和stm32f103控制器對(duì)樓宇內(nèi)用水管道，用電線(xiàn)路進(jìn)行參數(shù)采集和監(jiān)管的平臺(tái)。通過(guò)該平臺(tái)，不同角色的用戶(hù)不僅可以通過(guò)手機(jī)、電腦等終端設(shè)備實(shí)時(shí)查詢(xún)各監(jiān)控點(diǎn)的運(yùn)行狀況，也可以對(duì)這些監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，達(dá)到對(duì)水電等能源更加合理、有效利用的目的。

關(guān)鍵詞：能源監(jiān)控；手機(jī)終端查詢(xún)監(jiān)控；UCOSII操作系統(tǒng)；WiFi；

中圖分類(lèi)號(hào)：TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2016）06-0031-04

節(jié)能降耗一直是我國(guó)長(zhǎng)期堅(jiān)持的基本國(guó)策，也是企事業(yè)單位節(jié)約成本，提高運(yùn)營(yíng)效率的關(guān)鍵問(wèn)題，由于缺乏有效的監(jiān)管手段，很多單位存在著水電資源大量浪費(fèi)的現(xiàn)象，如白天亮著的路燈，徹夜長(zhǎng)明的教室，公共廁所內(nèi)的長(zhǎng)流水，靠人工巡檢而沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏的生產(chǎn)用水管道等。為了有效的對(duì)類(lèi)似資源浪費(fèi)情況進(jìn)行監(jiān)管和控制，本文采用無(wú)線(xiàn)WiFi模塊[1-2]及stm32處理器構(gòu)建監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及傳輸終端，將監(jiān)控點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，云平臺(tái)按照用戶(hù)要求對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)源類(lèi)型，優(yōu)先級(jí)、時(shí)間點(diǎn)等特征進(jìn)行整理，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)、電腦等設(shè)備連接云平臺(tái)，對(duì)感興趣的信息進(jìn)行查詢(xún)、處理。如果發(fā)現(xiàn)異常，可以向云平臺(tái)發(fā)出操作命令，服務(wù)器接收到用戶(hù)命令后，根據(jù)命令要求完成監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制。在非異常情況下，用戶(hù)也可以把自己對(duì)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的控制要求以控制文件的形式傳輸給云平臺(tái)，云平臺(tái)解析用戶(hù)控制文件，并按照控制要求將命令下發(fā)給監(jiān)控節(jié)點(diǎn)控制器，用戶(hù)通過(guò)手機(jī)控制文件編輯器生成的包含簡(jiǎn)單控制命令的控制文件內(nèi)容如下所示。

{"device"："L001"，"operate"：[{"time"："2016-5-4：16：30：05"，"action"："on"}，{"time

"："2016-5-4：22：00：00"，"action"："off"}}。

該條控制命令的主要意圖是：控制1#設(shè)備在規(guī)定時(shí)間開(kāi)，在另外一個(gè)規(guī)定時(shí)間關(guān)閉，云平臺(tái)解析該控制命令，會(huì)在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)向1#設(shè)備控制器發(fā)送“on”命令，而在另外一個(gè)規(guī)定時(shí)間點(diǎn)向1#設(shè)備控制器發(fā)送“off”命令。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要框架如圖1所示。

1 無(wú)線(xiàn)WiFi固件設(shè)計(jì)

從方便用戶(hù)使用及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面考慮，系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于無(wú)線(xiàn)WiFi與控制器和云平臺(tái)的通信鏈路上[3-4]，為此，本文對(duì)WiFi固件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)功能。

（1）WiFi能夠接受用戶(hù)手機(jī)或其他終端的配置信息，這些信息應(yīng)包括連接到當(dāng)前局域網(wǎng)哪個(gè)AP（SSID和密碼），連接指定AP成功后，又需要連接到哪個(gè)服務(wù)器（IP及端口）等信息。

（2）用戶(hù)指定AP和服務(wù)器連接信息配置完畢后，WiFi應(yīng)能備份這些信息，當(dāng)系統(tǒng)重新加電啟動(dòng)，應(yīng)能把備份信息取出自動(dòng)連接系統(tǒng)而不需要用戶(hù)再一次進(jìn)行配置。

（3）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，WiFi應(yīng)能檢測(cè)到這種狀況，并自動(dòng)采取措施：一方面，通知用戶(hù)無(wú)法使系統(tǒng)通信鏈路暢通，如果用戶(hù)需要改變通信鏈路，則接受用戶(hù)改變要求；另一方面，自主按照備份信息定期連接系統(tǒng)。

（4）WiFi能夠通過(guò)串行口與控制器交互信息，對(duì)該部分信息WiFi不做語(yǔ)義層處理，但要保證信息完整性、正確性。

能夠滿(mǎn)足上述功能的WiFi固件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

在圖2中，WiFi初始化結(jié)束后以stationap模式運(yùn)行在sever狀態(tài)，用戶(hù)終端以client狀態(tài)與WiFi模塊建立鏈接，發(fā)送熱點(diǎn)和云平臺(tái)配置信息，當(dāng)成功與熱點(diǎn)和云平臺(tái)建立鏈接后，WiFi模塊將切換為station模式，此時(shí)WiFi模塊可以是client狀態(tài)，通過(guò)socket以TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器通信，也可以是web節(jié)點(diǎn)，以http協(xié)議與服務(wù)器通信，而不再與用戶(hù)終端有直接關(guān)系，用戶(hù)終端只能通過(guò)云平臺(tái)與該WiFi節(jié)點(diǎn)通信。

2 控制器功能設(shè)計(jì)

控制器硬件采用stm32f10x系列CPU為平臺(tái)[5]，主要對(duì)電流互感器、水量傳感器等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊輸出的信息進(jìn)行處理，環(huán)境信息及視頻信息采集與處理作為一種輔助手段供用戶(hù)按照需求進(jìn)行選配。當(dāng)WiFi模塊因以下幾種原因連接云平臺(tái)成功后將發(fā)送一條通知指令給控制器。

（1）用戶(hù)首次配置；

（2）斷電重啟；

（3）斷網(wǎng)重連。

控制器接收到該通知指令，將會(huì)進(jìn)入自檢狀態(tài)，對(duì)自己連接的現(xiàn)場(chǎng)模塊進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別碼發(fā)送到服務(wù)器端進(jìn)行注冊(cè)，云平臺(tái)對(duì)每條注冊(cè)碼重新進(jìn)行確認(rèn)，如果至少存在一條新的注冊(cè)碼，則認(rèn)為系統(tǒng)中由于某種原因新增加了一臺(tái)監(jiān)控設(shè)備，這種情況下云平臺(tái)將會(huì)備份一條刷新命令，當(dāng)用戶(hù)終端連接云平臺(tái)進(jìn)行查詢(xún)或遠(yuǎn)程操作時(shí)，將首先接收到該刷新命令，完成各方面的同步。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成注冊(cè)后，控制器默認(rèn)按照定時(shí)方式對(duì)各類(lèi)設(shè)備信息進(jìn)行采集，其中用電設(shè)備檢測(cè)采用JSY-MK-163型單相互感式計(jì)量模塊完成，該模塊能夠?qū)蜗嘟涣麟妷?、電流、功率和頻率等電氣參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，廣泛應(yīng)用于節(jié)能改造，電力、交通、環(huán)保、石化等行業(yè)。

主要技術(shù)參數(shù)如下。

（1）電壓量程：100～380V；

（2）電流量程：5A、50A、100A；

（3）過(guò)載能力：電流1.2倍，電壓1.5倍；

（4）通信規(guī)約：MODBUS-RTU[6-7]；

（5）測(cè)量精度：電壓、電流、電量小于[±1.0%]，有功電度1級(jí)。

模塊采用CRC-16-IBM校驗(yàn)方式，對(duì)通信數(shù)據(jù)安全性、可靠性進(jìn)行校驗(yàn)。

模塊測(cè)量電參數(shù)主要寄存器表如下表1所示：

模塊通信報(bào)文格式如下表2所示。

對(duì)水流量的監(jiān)控，在實(shí)驗(yàn)中采用了霍爾式水流傳感流量計(jì)DN154，該型號(hào)的傳感器為三線(xiàn)式脈沖計(jì)數(shù)型水流統(tǒng)計(jì)傳感器，通過(guò)對(duì)信號(hào)線(xiàn)輸出脈沖計(jì)數(shù)，估算流水量，約為540個(gè)（脈沖）/升。而對(duì)于流水速度計(jì)算公式為F = 9*V，其中V為單位時(shí)間內(nèi)的流水量（升/分鐘）。

基本工作參數(shù)如下。

（1）工作電壓：DC5 ～18V；

（2）工作濕度：25%～95%RH；

（3）允許耐壓≤1.75Mpa；

（4）允許溫度-25～80℃

由于該模塊應(yīng)用簡(jiǎn)單，本文對(duì)該模塊作詳細(xì)描述。

控制器應(yīng)用程序基于UCOSII[8-10]進(jìn)行開(kāi)發(fā)，共劃分了三個(gè)任務(wù)。

任務(wù)OS_TASK_COM主要完成與WiFi模塊的交互，當(dāng)串行通信口收到WiFi數(shù)據(jù)包，將調(diào)用OSSemPost（）通知該任務(wù)，任務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并按照數(shù)據(jù)要求完成以下功能。

（1）如果是WiFi請(qǐng)求設(shè)備注冊(cè)命令，則發(fā)送設(shè)備注冊(cè)碼。

（2）如果是云平臺(tái)要求控制設(shè)備，則根據(jù)數(shù)據(jù)包中的設(shè)備號(hào)和命令碼調(diào)用OSMBoxPost（）向設(shè)備控制任務(wù)發(fā)送消息。

設(shè)備控制任務(wù)由OS_TASK_DEV_CONTROL負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，主要包括電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)，用水設(shè)備的開(kāi)關(guān)等。該任務(wù)調(diào)用OSMBoxPend（）等待消息，一旦等待成功，則取出消息碼，根據(jù)消息碼發(fā)出設(shè)備控制指令。

而任務(wù)OS_TASK_PICK則按照用戶(hù)設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)采集各個(gè)設(shè)備的電氣參數(shù)，水量參數(shù)，如果屬于正常運(yùn)行參數(shù)，則結(jié)合設(shè)備注冊(cè)碼生成數(shù)據(jù)包通過(guò)串行通信口發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊在數(shù)據(jù)包前添加控制器標(biāo)識(shí)頭，然后發(fā)送給云平臺(tái)。云平臺(tái)將數(shù)據(jù)包解析后，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，供用戶(hù)通過(guò)各類(lèi)終端設(shè)備進(jìn)行查詢(xún)。如果運(yùn)行參數(shù)異常，該任務(wù)會(huì)向云平臺(tái)發(fā)出報(bào)警數(shù)據(jù)包，由云平臺(tái)通知用戶(hù)設(shè)備運(yùn)行異常。

3 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了WiFi固件程序，并以stm32為硬件平臺(tái)，結(jié)合UCOSII操作系統(tǒng)，通過(guò)采集和傳輸相關(guān)傳感器信號(hào)，對(duì)各類(lèi)用電、用水設(shè)備尤其是存在監(jiān)控死角的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)對(duì)這些設(shè)備的運(yùn)行狀況、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和管理，有利于用戶(hù)合理利用能源，實(shí)時(shí)在線(xiàn)了解設(shè)備運(yùn)行狀況，控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。本文方法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)踐表明，本文方法能夠取得較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樂(lè)鑫信息科技.espressif IoT SDK編程手冊(cè)[Z].（2014-08-13）[2016-05-15]http：//www.doc88.com/p-6641145609540.html.

[2] 肖宛昂，蘇高民，陸廷，等. 一種由WiFi智能插座構(gòu)成的智能家居[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（5）：46-48.

[3] 李曉陽(yáng). WiFi技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展[J]. 信息技術(shù)， 2012（2）：196-198.

[4] 李小勇. 基于嵌入式Linux的工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2013.

[5] 季力. 基于STM32芯片的電參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表， 2010（3）：137-139.

[6] 王建鋒，張浩，彭道剛. 基于ARM的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 華東電力，2008（2）：139-143.

[7] 蘭敏剛，李麗宏. 基于WinCE的Modbus動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件， 2014（9）：225-227.

[8] 王磊，王耀南，陳斯斯，等. ucos-ii在嵌入式智能視覺(jué)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)信息雜志， 2008（11）：6-9.

[9] 黃偉，楊志. 基于嵌入式Internet的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007（24）：5 903-5 905.

[10] 劉淼，王田苗，魏洪興，等. 基于uCOS-II的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析[J]. 計(jì)算機(jī)工程. 2006（22）：222-224.

Research on Energy Regulation Method based on WiFi

YANG Li-zhi， ZHOU Jian-lin， CUI Feng-li

（Computer Science Department， Jiangyin Polytechnic College， Jiangyin 214433， China）

Abstract： Nowadays， many factories and enterprises， schools， hospitals and other units， due to the large power and water consumption and a large number of distribution， cannot timely and effectively supervise the ever-burning lamps， long-flowing water only through manual inspection， resulting in a great waste of energy. This paper designs a platform of parameters collection and monitoring through WiFi wireless module and STM32F103 controller on the premises of water pipeline and electricity lines. Through this platform， users of different roles can not only make the real-time query of each monitoring point through the operation of mobile phones， computers and other devices， but also remotely control these monitoring points to achieve the purpose of more reasonable and effective use of water and energy sources

Key words： energy monitoring； mobile terminal query monitoring； UCOSII operator system；wifi

責(zé)任編輯 祁秀春