一種基于WiFi的能源監(jiān)管方法研究

楊立志 周建林 崔鳳利

摘 要：當前，許多廠礦企業(yè)、學校醫(yī)院等單位，由于用水用電量較大，分布點較多，靠人工巡檢無法對長明燈，長流水等現(xiàn)象進行及時有效的監(jiān)管，從而造成大量能源浪費。設計一種通過無線WiFi模塊和stm32f103控制器對樓宇內用水管道，用電線路進行參數(shù)采集和監(jiān)管的平臺。通過該平臺，不同角色的用戶不僅可以通過手機、電腦等終端設備實時查詢各監(jiān)控點的運行狀況，也可以對這些監(jiān)控點進行遠程控制，達到對水電等能源更加合理、有效利用的目的。

關鍵詞：能源監(jiān)控；手機終端查詢監(jiān)控；UCOSII操作系統(tǒng)；WiFi；

中圖分類號：TP317.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）06-0031-04

節(jié)能降耗一直是我國長期堅持的基本國策，也是企事業(yè)單位節(jié)約成本，提高運營效率的關鍵問題，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的現(xiàn)象，如白天亮著的路燈，徹夜長明的教室，公共廁所內的長流水，靠人工巡檢而沒能及時發(fā)現(xiàn)泄漏的生產(chǎn)用水管道等。為了有效的對類似資源浪費情況進行監(jiān)管和控制，本文采用無線WiFi模塊[1-2]及stm32處理器構建監(jiān)控節(jié)點數(shù)據(jù)采集及傳輸終端，將監(jiān)控點運行參數(shù)傳輸?shù)皆破脚_，云平臺按照用戶要求對各監(jiān)控點數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)源類型，優(yōu)先級、時間點等特征進行整理，用戶可以通過手機、電腦等設備連接云平臺，對感興趣的信息進行查詢、處理。如果發(fā)現(xiàn)異常，可以向云平臺發(fā)出操作命令，服務器接收到用戶命令后，根據(jù)命令要求完成監(jiān)控節(jié)點設備的控制。在非異常情況下，用戶也可以把自己對監(jiān)控節(jié)點的控制要求以控制文件的形式傳輸給云平臺，云平臺解析用戶控制文件，并按照控制要求將命令下發(fā)給監(jiān)控節(jié)點控制器，用戶通過手機控制文件編輯器生成的包含簡單控制命令的控制文件內容如下所示。

{"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#設備在規(guī)定時間開，在另外一個規(guī)定時間關閉，云平臺解析該控制命令，會在規(guī)定時間點向1#設備控制器發(fā)送“on”命令，而在另外一個規(guī)定時間點向1#設備控制器發(fā)送“off”命令。

系統(tǒng)設計主要框架如圖1所示。

1 無線WiFi固件設計

從方便用戶使用及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面考慮，系統(tǒng)的關鍵點在于無線WiFi與控制器和云平臺的通信鏈路上[3-4]，為此，本文對WiFi固件進行了設計，主要實現(xiàn)以下四個功能。

（1）WiFi能夠接受用戶手機或其他終端的配置信息，這些信息應包括連接到當前局域網(wǎng)哪個AP（SSID和密碼），連接指定AP成功后，又需要連接到哪個服務器（IP及端口）等信息。

（2）用戶指定AP和服務器連接信息配置完畢后，WiFi應能備份這些信息，當系統(tǒng)重新加電啟動，應能把備份信息取出自動連接系統(tǒng)而不需要用戶再一次進行配置。

（3）當網(wǎng)絡出現(xiàn)異常，WiFi應能檢測到這種狀況，并自動采取措施：一方面，通知用戶無法使系統(tǒng)通信鏈路暢通，如果用戶需要改變通信鏈路，則接受用戶改變要求；另一方面，自主按照備份信息定期連接系統(tǒng)。

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

能夠滿足上述功能的WiFi固件設計流程如圖2所示。

在圖2中，WiFi初始化結束后以stationap模式運行在sever狀態(tài)，用戶終端以client狀態(tài)與WiFi模塊建立鏈接，發(fā)送熱點和云平臺配置信息，當成功與熱點和云平臺建立鏈接后，WiFi模塊將切換為station模式，此時WiFi模塊可以是client狀態(tài)，通過socket以TCP/IP協(xié)議與服務器通信，也可以是web節(jié)點，以http協(xié)議與服務器通信，而不再與用戶終端有直接關系，用戶終端只能通過云平臺與該WiFi節(jié)點通信。

2 控制器功能設計

控制器硬件采用stm32f10x系列CPU為平臺[5]，主要對電流互感器、水量傳感器等現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊輸出的信息進行處理，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按照需求進行選配。當WiFi模塊因以下幾種原因連接云平臺成功后將發(fā)送一條通知指令給控制器。

（1）用戶首次配置；

（2）斷電重啟；

（3）斷網(wǎng)重連。

控制器接收到該通知指令，將會進入自檢狀態(tài)，對自己連接的現(xiàn)場模塊進行識別，并將識別碼發(fā)送到服務器端進行注冊，云平臺對每條注冊碼重新進行確認，如果至少存在一條新的注冊碼，則認為系統(tǒng)中由于某種原因新增加了一臺監(jiān)控設備，這種情況下云平臺將會備份一條刷新命令，當用戶終端連接云平臺進行查詢或遠程操作時，將首先接收到該刷新命令，完成各方面的同步。

對現(xiàn)場設備完成注冊后，控制器默認按照定時方式對各類設備信息進行采集，其中用電設備檢測采用JSY-MK-163型單相互感式計量模塊完成，該模塊能夠對單相交流電壓、電流、功率和頻率等電氣參數(shù)進行準確測量，廣泛應用于節(jié)能改造，電力、交通、環(huán)保、石化等行業(yè)。

主要技術參數(shù)如下。

（1）電壓量程：100～380V；

（2）電流量程：5A、50A、100A；

（3）過載能力：電流1.2倍，電壓1.5倍；

（4）通信規(guī)約：MODBUS-RTU[6-7]；

（5）測量精度：電壓、電流、電量小于[±1.0%]，有功電度1級。

模塊采用CRC-16-IBM校驗方式，對通信數(shù)據(jù)安全性、可靠性進行校驗。

模塊測量電參數(shù)主要寄存器表如下表1所示：

模塊通信報文格式如下表2所示。

對水流量的監(jiān)控，在實驗中采用了霍爾式水流傳感流量計DN154，該型號的傳感器為三線式脈沖計數(shù)型水流統(tǒng)計傳感器，通過對信號線輸出脈沖計數(shù)，估算流水量，約為540個（脈沖）/升。而對于流水速度計算公式為F = 9*V，其中V為單位時間內的流水量（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℃

由于該模塊應用簡單，本文對該模塊作詳細描述。

控制器應用程序基于UCOSII[8-10]進行開發(fā)，共劃分了三個任務。

任務OS_TASK_COM主要完成與WiFi模塊的交互，當串行通信口收到WiFi數(shù)據(jù)包，將調用OSSemPost（）通知該任務，任務對數(shù)據(jù)包進行解析，并按照數(shù)據(jù)要求完成以下功能。

（1）如果是WiFi請求設備注冊命令，則發(fā)送設備注冊碼。

（2）如果是云平臺要求控制設備，則根據(jù)數(shù)據(jù)包中的設備號和命令碼調用OSMBoxPost（）向設備控制任務發(fā)送消息。

設備控制任務由OS_TASK_DEV_CONTROL負責實現(xiàn)，主要包括電氣設備的開關，用水設備的開關等。該任務調用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)出設備控制指令。

而任務OS_TASK_PICK則按照用戶設定的時間間隔定時采集各個設備的電氣參數(shù)，水量參數(shù)，如果屬于正常運行參數(shù)，則結合設備注冊碼生成數(shù)據(jù)包通過串行通信口發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊在數(shù)據(jù)包前添加控制器標識頭，然后發(fā)送給云平臺。云平臺將數(shù)據(jù)包解析后，保存到數(shù)據(jù)庫，供用戶通過各類終端設備進行查詢。如果運行參數(shù)異常，該任務會向云平臺發(fā)出報警數(shù)據(jù)包，由云平臺通知用戶設備運行異常。

3 結論

本文開發(fā)了WiFi固件程序，并以stm32為硬件平臺，結合UCOSII操作系統(tǒng)，通過采集和傳輸相關傳感器信號，對各類用電、用水設備尤其是存在監(jiān)控死角的設備進行實時監(jiān)控，方便用戶實時對這些設備的運行狀況、運行參數(shù)進行監(jiān)控和管理，有利于用戶合理利用能源，實時在線了解設備運行狀況，控制設備運行狀態(tài)。本文方法在實現(xiàn)過程中，結合實際情況進行了驗證，實踐表明，本文方法能夠取得較好的效果。

參考文獻：

[1] 樂鑫信息科技.espressif IoT SDK編程手冊[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智能插座構成的智能家居[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2014（5）：46-48.

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

[4] 李小勇. 基于嵌入式Linux的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調器的設計與實現(xiàn)[D]. 北京：北京交通大學，2013.

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

[6] 王建鋒，張浩，彭道剛. 基于ARM的嵌入式遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計[J]. 華東電力，2008（2）：139-143.

[7] 蘭敏剛，李麗宏. 基于WinCE的Modbus動態(tài)鏈接庫的實現(xiàn)[J]. 計算機應用與軟件， 2014（9）：225-227.

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

[9] 黃偉，楊志. 基于嵌入式Internet的網(wǎng)絡測控系統(tǒng)設計[J]. 計算機工程與設計，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)實時性分析[J]. 計算機工程. 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

責任編輯 祁秀春