基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗數(shù)據(jù)采集實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

摘 要 本文結(jié)合我院自動(dòng)化系物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在智能樓宇方面的特色，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(xiàng)目，具有實(shí)訓(xùn)教學(xué)和實(shí)用推廣雙重價(jià)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(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）17-0026-01

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)企業(yè)對(duì)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(diǎn)，結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)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(gè)多技術(shù)和多學(xué)科互相交叉的綜合性專業(yè)，如何針對(duì)高職院校的特點(diǎn)，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)課程，即通過一個(gè)綜合項(xiàng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，貫穿物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)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(jì)開發(fā)的綜合實(shí)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(wú)線兩種方式上傳到Cotex A8智能網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行初步存儲(chǔ)、處理后最終通過TCP/IP協(xié)議上送后臺(tái)服務(wù)器。

1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)國(guó)家節(jié)能減排需求，要求各大公共建筑需要實(shí)現(xiàn)能耗的分類分項(xiàng)數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)，因此該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建Zigbee無(wú)線采集網(wǎng)絡(luò)。

3）連接多主機(jī)，周期性（周期可調(diào)）向主機(jī)匯報(bào)能耗數(shù)據(jù)；或者響應(yīng)主機(jī)發(fā)來(lái)的命令，被動(dòng)上傳指定的能耗數(shù)據(jù)。

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

5）Web系統(tǒng)能處理各種數(shù)據(jù)報(bào)表，找出異常數(shù)據(jù)，及時(shí)報(bào)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(jì)

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

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

2）Zigbee數(shù)據(jù)采集器。無(wú)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(wú)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(gè)完整的SOC解決方案。

在CC2530上加MAX232芯片擴(kuò)展出一個(gè)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(cè)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(cè)的大樓內(nèi)部，主要由有線計(jì)量表具、無(wú)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(gè)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(jì)

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(kuò)展2個(gè)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(duì)硬件平臺(tái)開發(fā)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)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(jì)了三個(gè)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(jī)具參數(shù)必須在主線程啟動(dòng)之前進(jìn)行初始化。

2.2.1 核心控制進(jìn)程

1）首先與服務(wù)器連接，進(jìn)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(jìn)行檢驗(yàn)。

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(shí)器開啟，在周期到達(dá)時(shí)，按照約定命令接口格式向所有主機(jī)發(fā)送表俱數(shù)據(jù)。

4）處理本地?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在智能網(wǎng)關(guān)U盤中，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)補(bǔ)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(jī)發(fā)送智能網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。

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

包長(zhǎng)度

（4字節(jié)） 命令類型4字節(jié) 命令私有數(shù)據(jù) 校驗(yàn)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(shí)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(shí)時(shí)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(jī)。

2）基于RS232的Zigbee協(xié)調(diào)器，由Zigbee串口線程負(fù)責(zé)采集無(wú)線Zigbee終端采集器發(fā)送過來(lái)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(qǐng)求，響應(yīng)服務(wù)端的請(qǐng)求，比如采集特定表、特定時(shí)間內(nèi)的參數(shù)，控制表的狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)M2M人機(jī)對(duì)話功能。

3 實(shí)訓(xùn)模塊

該系統(tǒng)有效監(jiān)控建筑物的各項(xiàng)能耗信息，完成從表俱、傳感器采集數(shù)據(jù)至后臺(tái)云計(jì)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(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)。在實(shí)訓(xùn)過程中，可讓學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的拆裝布線，也可讓學(xué)生針對(duì)單一模塊功能進(jìn)行完善或開發(fā)訓(xùn)練。具體實(shí)訓(xùn)模塊如下。

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

2）無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊：完成Zigbee終端節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器、多功能電表進(jìn)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(duì)Uboot、Linux內(nèi)核進(jìn)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(jìn)行云計(jì)算，及時(shí)給出報(bào)表或控制末端設(shè)備，必要時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)訓(xùn)平臺(tái)與系統(tǒng)，實(shí)際授課過程學(xué)生不僅能對(duì)建筑物聯(lián)網(wǎng)的全數(shù)據(jù)流程具有感性認(rèn)識(shí)，而且還可以選擇其中一個(gè)模塊進(jìn)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(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、報(bào)表及深度挖掘，滿足國(guó)家對(duì)大型公建的節(jié)能減排政策的具體要求，具有推廣價(jià)值。

基金項(xiàng)目

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育研究立項(xiàng)課題。

參考文獻(xiàn)

[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(jiǎn)介

仲啟秀，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧轿锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用，主持開發(fā)國(guó)光《UT300 一體式Linux圖形終端》產(chǎn)品，獲常州市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。endprint

摘 要 本文結(jié)合我院自動(dòng)化系物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在智能樓宇方面的特色，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(xiàng)目，具有實(shí)訓(xùn)教學(xué)和實(shí)用推廣雙重價(jià)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(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）17-0026-01

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)企業(yè)對(duì)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(diǎn)，結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)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(gè)多技術(shù)和多學(xué)科互相交叉的綜合性專業(yè)，如何針對(duì)高職院校的特點(diǎn)，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)課程，即通過一個(gè)綜合項(xiàng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，貫穿物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)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(jì)開發(fā)的綜合實(shí)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(wú)線兩種方式上傳到Cotex A8智能網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行初步存儲(chǔ)、處理后最終通過TCP/IP協(xié)議上送后臺(tái)服務(wù)器。

1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)國(guó)家節(jié)能減排需求，要求各大公共建筑需要實(shí)現(xiàn)能耗的分類分項(xiàng)數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)，因此該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建Zigbee無(wú)線采集網(wǎng)絡(luò)。

3）連接多主機(jī)，周期性（周期可調(diào)）向主機(jī)匯報(bào)能耗數(shù)據(jù)；或者響應(yīng)主機(jī)發(fā)來(lái)的命令，被動(dòng)上傳指定的能耗數(shù)據(jù)。

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

5）Web系統(tǒng)能處理各種數(shù)據(jù)報(bào)表，找出異常數(shù)據(jù)，及時(shí)報(bào)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(jì)

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

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

2）Zigbee數(shù)據(jù)采集器。無(wú)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(wú)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(gè)完整的SOC解決方案。

在CC2530上加MAX232芯片擴(kuò)展出一個(gè)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(cè)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(cè)的大樓內(nèi)部，主要由有線計(jì)量表具、無(wú)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(gè)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(jì)

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(kuò)展2個(gè)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(duì)硬件平臺(tái)開發(fā)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)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(jì)了三個(gè)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(jī)具參數(shù)必須在主線程啟動(dòng)之前進(jìn)行初始化。

2.2.1 核心控制進(jìn)程

1）首先與服務(wù)器連接，進(jìn)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(jìn)行檢驗(yàn)。

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(shí)器開啟，在周期到達(dá)時(shí)，按照約定命令接口格式向所有主機(jī)發(fā)送表俱數(shù)據(jù)。

4）處理本地?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在智能網(wǎng)關(guān)U盤中，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)補(bǔ)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(jī)發(fā)送智能網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。

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

包長(zhǎng)度

（4字節(jié)） 命令類型4字節(jié) 命令私有數(shù)據(jù) 校驗(yàn)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(shí)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(shí)時(shí)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(jī)。

2）基于RS232的Zigbee協(xié)調(diào)器，由Zigbee串口線程負(fù)責(zé)采集無(wú)線Zigbee終端采集器發(fā)送過來(lái)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(qǐng)求，響應(yīng)服務(wù)端的請(qǐng)求，比如采集特定表、特定時(shí)間內(nèi)的參數(shù)，控制表的狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)M2M人機(jī)對(duì)話功能。

3 實(shí)訓(xùn)模塊

該系統(tǒng)有效監(jiān)控建筑物的各項(xiàng)能耗信息，完成從表俱、傳感器采集數(shù)據(jù)至后臺(tái)云計(jì)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(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)。在實(shí)訓(xùn)過程中，可讓學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的拆裝布線，也可讓學(xué)生針對(duì)單一模塊功能進(jìn)行完善或開發(fā)訓(xùn)練。具體實(shí)訓(xùn)模塊如下。

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

2）無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊：完成Zigbee終端節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器、多功能電表進(jìn)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(duì)Uboot、Linux內(nèi)核進(jìn)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(jìn)行云計(jì)算，及時(shí)給出報(bào)表或控制末端設(shè)備，必要時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)訓(xùn)平臺(tái)與系統(tǒng)，實(shí)際授課過程學(xué)生不僅能對(duì)建筑物聯(lián)網(wǎng)的全數(shù)據(jù)流程具有感性認(rèn)識(shí)，而且還可以選擇其中一個(gè)模塊進(jìn)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(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、報(bào)表及深度挖掘，滿足國(guó)家對(duì)大型公建的節(jié)能減排政策的具體要求，具有推廣價(jià)值。

基金項(xiàng)目

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育研究立項(xiàng)課題。

參考文獻(xiàn)

[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(jiǎn)介

仲啟秀，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧轿锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用，主持開發(fā)國(guó)光《UT300 一體式Linux圖形終端》產(chǎn)品，獲常州市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。endprint

摘 要 本文結(jié)合我院自動(dòng)化系物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在智能樓宇方面的特色，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(xiàng)目，具有實(shí)訓(xùn)教學(xué)和實(shí)用推廣雙重價(jià)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(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）17-0026-01

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，社會(huì)企業(yè)對(duì)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(diǎn)，結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)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(gè)多技術(shù)和多學(xué)科互相交叉的綜合性專業(yè)，如何針對(duì)高職院校的特點(diǎn)，開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)課程，即通過一個(gè)綜合項(xiàng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，貫穿物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)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(jì)開發(fā)的綜合實(shí)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(wú)線兩種方式上傳到Cotex A8智能網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行初步存儲(chǔ)、處理后最終通過TCP/IP協(xié)議上送后臺(tái)服務(wù)器。

1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)國(guó)家節(jié)能減排需求，要求各大公共建筑需要實(shí)現(xiàn)能耗的分類分項(xiàng)數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)，因此該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建Zigbee無(wú)線采集網(wǎng)絡(luò)。

3）連接多主機(jī)，周期性（周期可調(diào)）向主機(jī)匯報(bào)能耗數(shù)據(jù)；或者響應(yīng)主機(jī)發(fā)來(lái)的命令，被動(dòng)上傳指定的能耗數(shù)據(jù)。

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

5）Web系統(tǒng)能處理各種數(shù)據(jù)報(bào)表，找出異常數(shù)據(jù)，及時(shí)報(bào)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(jì)

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

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

2）Zigbee數(shù)據(jù)采集器。無(wú)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(wú)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(gè)完整的SOC解決方案。

在CC2530上加MAX232芯片擴(kuò)展出一個(gè)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(cè)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(cè)的大樓內(nèi)部，主要由有線計(jì)量表具、無(wú)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(gè)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(jì)

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(kuò)展2個(gè)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(duì)硬件平臺(tái)開發(fā)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)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(jì)了三個(gè)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(jī)具參數(shù)必須在主線程啟動(dòng)之前進(jìn)行初始化。

2.2.1 核心控制進(jìn)程

1）首先與服務(wù)器連接，進(jìn)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(jìn)行檢驗(yàn)。

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(shí)器開啟，在周期到達(dá)時(shí)，按照約定命令接口格式向所有主機(jī)發(fā)送表俱數(shù)據(jù)。

4）處理本地?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在智能網(wǎng)關(guān)U盤中，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)補(bǔ)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(jī)發(fā)送智能網(wǎng)關(guān)狀態(tài)。

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

包長(zhǎng)度

（4字節(jié)） 命令類型4字節(jié) 命令私有數(shù)據(jù) 校驗(yàn)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(shí)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(shí)時(shí)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(jī)。

2）基于RS232的Zigbee協(xié)調(diào)器，由Zigbee串口線程負(fù)責(zé)采集無(wú)線Zigbee終端采集器發(fā)送過來(lái)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(qǐng)求，響應(yīng)服務(wù)端的請(qǐng)求，比如采集特定表、特定時(shí)間內(nèi)的參數(shù)，控制表的狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)M2M人機(jī)對(duì)話功能。

3 實(shí)訓(xùn)模塊

該系統(tǒng)有效監(jiān)控建筑物的各項(xiàng)能耗信息，完成從表俱、傳感器采集數(shù)據(jù)至后臺(tái)云計(jì)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(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)。在實(shí)訓(xùn)過程中，可讓學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的拆裝布線，也可讓學(xué)生針對(duì)單一模塊功能進(jìn)行完善或開發(fā)訓(xùn)練。具體實(shí)訓(xùn)模塊如下。

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

2）無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊：完成Zigbee終端節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器、多功能電表進(jìn)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(duì)Uboot、Linux內(nèi)核進(jìn)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(jìn)行云計(jì)算，及時(shí)給出報(bào)表或控制末端設(shè)備，必要時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)訓(xùn)平臺(tái)與系統(tǒng)，實(shí)際授課過程學(xué)生不僅能對(duì)建筑物聯(lián)網(wǎng)的全數(shù)據(jù)流程具有感性認(rèn)識(shí)，而且還可以選擇其中一個(gè)模塊進(jìn)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(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、報(bào)表及深度挖掘，滿足國(guó)家對(duì)大型公建的節(jié)能減排政策的具體要求，具有推廣價(jià)值。

基金項(xiàng)目

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育研究立項(xiàng)課題。

參考文獻(xiàn)

[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(jiǎn)介

仲啟秀，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧轿锫?lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用，主持開發(fā)國(guó)光《UT300 一體式Linux圖形終端》產(chǎn)品，獲常州市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。endprint