校園節(jié)能控制中間層的設(shè)計與實現(xiàn)

田永　于德?！≈軒r

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，當今大學(xué)校園也越來越現(xiàn)代化、智能化，校園規(guī)模不斷擴大，但是也隨之產(chǎn)生了嚴重的能源浪費，在能源，電力日趨緊張的今天，節(jié)能、高效、減排也顯得非常重要。校園電力資源的使用，傳統(tǒng)都是依賴人工來控制，在特定的時間內(nèi)打開或者關(guān)閉，不是很靈活，有以下缺點：照明分配不均，電力的浪費，不能實時掌握每個地點的信息。文章對校園節(jié)能控制中間層進行了設(shè)計。

關(guān)鍵詞：校園；節(jié)能控制；中間層；設(shè)計；實現(xiàn)

為了滿足數(shù)字化校園的建設(shè)，落實教育部“節(jié)能減排學(xué)習行動”與“節(jié)約型學(xué)校建設(shè)”的各項要求，設(shè)計并且制作了物聯(lián)網(wǎng)校園中間層，和配套硬件，可以根據(jù)不同的情況，不同的地點，設(shè)置不同的能源使用策略，合理，及時，不減少原有功能，實現(xiàn)高效的能源控制。

系統(tǒng)設(shè)計的總體目標是研制適合于校園內(nèi)不同場所，可以設(shè)置不同的策略，并且結(jié)合GIS技術(shù)將空間數(shù)據(jù)進行表現(xiàn)，面向接口設(shè)計整套系統(tǒng)，提高了物聯(lián)網(wǎng)中間層的靈活性與可靠性，表現(xiàn)與控制形式也更具人性化，中間層使用Go語言編寫，使用channel實現(xiàn)多線程并發(fā)，每一個新線程啟動只需1KB左右，只需一臺服務(wù)器即可提供極強的并發(fā)操作，不僅節(jié)約了成本，還便于維護與升級。

系統(tǒng)主要功能：可以按照學(xué)習課表，日出日落等設(shè)定一系列的策略，靈活的控制校園的電源控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

中央控制臺

室內(nèi)單元控制終端

路燈單元控制終端

手持Android 控制終端

1.1 中央控制室

中央控制室負責監(jiān)控和管理整個系統(tǒng)運行并記錄其實時運行狀況。系統(tǒng)由一臺IBM服務(wù)器、UPS電源、打印機、短信接口模塊、多媒體系統(tǒng)等部分組成。UPS電源在中央控制室意外斷電時，可以緊急給系統(tǒng)供電，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。IBM主機通過交換機接入校園網(wǎng)，作為服務(wù)器使用，提供HTTP查詢接口，和終端數(shù)監(jiān)控接口，其他PC機或者手機端接受授權(quán)后可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問和共享，控制等操作，實現(xiàn)了移動式的實時監(jiān)控和報警。

1.2 室內(nèi)單元控制終端

室內(nèi)單元控制終端可以通過WIFI 或者 ZigBee與中央控制室交互數(shù)據(jù)，實時與中央控制室交互數(shù)據(jù)來控制整個室內(nèi)單元的節(jié)能策略，比如通過教務(wù)系統(tǒng)導(dǎo)入課表，僅可以在上課時間段內(nèi)開通電源，或者設(shè)置為該教室通過聲控控制電源，或者設(shè)置此教室僅通過開關(guān)控制電源等。硬件部分包括無線通信模塊、光照感應(yīng)模塊、人體感應(yīng)模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、麥克風，STC控制芯片等構(gòu)成。

1.3 路燈單元控制終端

路燈控制終端與教室單元控制終端相似，采用UHF無線電臺進行數(shù)據(jù)交互，采用的工作方式是異頻雙工方式，F(xiàn)SK調(diào)制方式。路燈控制終端接收到單燈控制地址范圍及策略選擇指令后，解析命令代碼，實現(xiàn)對照明的控制。由于路燈站點比較分散，其結(jié)構(gòu)為星型拓撲，一點對多點。微控制器也可以將采集到的數(shù)據(jù)，將調(diào)制解調(diào)器FSK調(diào)制，然后進行數(shù)據(jù)發(fā)送。路燈單元控制終端部分包括無線通信模塊、光照感應(yīng)模塊、人體感應(yīng)模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路，控制芯片等構(gòu)成。

1.4 手持控制終端

由于服務(wù)器中間層提供了實時數(shù)據(jù)的接口，策略設(shè)置接口，手持Android控制端或者IOS控制端，可以很輕松的獲取校園實時的電源使用信息，只需采用HTML或者其他的編程技術(shù)，將服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)展示在手機屏幕上即可，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與展示的分層，不僅方便編程與維護，同時也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 軟件設(shè)計

服務(wù)器軟件在LINUX環(huán)境下開發(fā)，服務(wù)器采用CentOS，數(shù)據(jù)庫采用MySql，開發(fā)語言采用Google的GO語言，Go語言是服務(wù)器端語言，支持云計算的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。Go語言能夠讓程序員快速開發(fā)，并且在軟件不斷的增長過程中，它能讓程序員更容易地進行維護和修改。它融合了傳統(tǒng)編譯型語言的高效性和腳本語言的易用性和富于表達性。Go 讓函數(shù)很容易成為非常輕量的線程。這些線程在 Go 中被叫做 goroutines a；語言層面支持并發(fā)，這個就是Go最大的特色，天生的支持并發(fā)，Go就是基因里面支持的并發(fā)，可以充分的利用多核，很容易使用并發(fā)。極大的提高了服務(wù)器的并發(fā)量與執(zhí)行效率。

2.1 中央控制室系統(tǒng)軟件設(shè)計

本軟件設(shè)計采用工廠模式，包括路由過濾模塊、策略生成模塊、站點管理模塊，android 和 WEB 顯示頁接口模塊組成。站點模塊用來添加或者刪除節(jié)能終端，路由過濾模塊用來根據(jù)請求的路由找到對應(yīng)的邏輯處理部分，將此時終端的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫保持的數(shù)據(jù)相比對，判斷此節(jié)點是否運行正常。策略生成模塊用來生成某一終端或者某一組終端的節(jié)能策略，此模塊產(chǎn)生的代碼是服務(wù)器和下位機通訊的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時為了減少系統(tǒng)耦合，系統(tǒng)單獨提供了數(shù)據(jù)接口，各個節(jié)點數(shù)據(jù)，整體數(shù)據(jù)等以JSON格式輸出。

2.2 監(jiān)控終端軟件設(shè)計

本系統(tǒng)終端適用于大多數(shù)平臺及其手持平臺，只要通過HTTP請求中央控制器的接口，將得到的JSON實時數(shù)據(jù)通過WEB或者 安卓的頁面展示即可，通過GIS或者第三方地圖生成站點分布地圖，基于主控制中心返回的JSON數(shù)據(jù)能實現(xiàn)地圖與屬性的綜合查詢，修改地圖，實時的反應(yīng)整個校園內(nèi)的燈光，電源的運行情況?？刂泼姘迳弦部梢耘渲貌煌牟呗?，再次通過HTTP請求POST到服務(wù)器，當服務(wù)器驗證用戶權(quán)限后，轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控終端。利用GIS平臺為例，可以對地圖的縮小、放大、鷹眼、距離，漫游等查詢，分析以及統(tǒng)計，可以在客戶端查看各個終端的使用電量情況和報警信息，并可以對查詢和分析的結(jié)果通過打印機打印出專題圖和統(tǒng)計圖等可視化的形式打印出來?；谥鞣?wù)器更加直觀的控制所有節(jié)點信息，做到控制節(jié)能的同時還能及時的通知維護人員到故障現(xiàn)場維護。

3 結(jié)束語

隨著社會的進步，互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能化的方式延伸到了人類生產(chǎn)生活的各個方面。本系統(tǒng)的控制端都布置在服務(wù)端，通過HTTP與各個終端控制節(jié)點交互，并且服務(wù)器提供策略接收，實時數(shù)據(jù)發(fā)送接口，有很高的擴展性，可以將平臺延時至各個平臺，方便用戶查看，隨時管理各個節(jié)點。本套系統(tǒng)滿足了學(xué)校對節(jié)能多變，靈活的控制，同時也滿足了不同的管理人員對學(xué)校地理，時間，能源信息的多方位掌控。同時建設(shè)節(jié)約型社會是國家的重要戰(zhàn)略部署，也是堅持落實科學(xué)發(fā)展觀的必然要求，本系統(tǒng)同時也宣傳了節(jié)約，勤儉，讓同學(xué)們更加關(guān)注能源的節(jié)約，努力把美麗的校園建設(shè)成綠色校園。

參考文獻

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[5]羅光偉.基于WINCC的校園教室節(jié)能控制系統(tǒng)[D].

作者簡介：田永（1993-），本科生，主要研究方向：計算機科學(xué)與技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

*通訊作者：于德海（1960，8-），吉林省長春市人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。