基于LoRa 的大型公共建筑能耗監(jiān)控?

陳真通 王文慶 郝敬全

（1.西安郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 西安 710121）（2.泰華智慧產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 濟(jì)南 250101）

1 引言

節(jié)能減排是我國(guó)長(zhǎng)期堅(jiān)持的一項(xiàng)基本國(guó)策。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，為加強(qiáng)對(duì)公共建筑的節(jié)能運(yùn)行管理，建設(shè)部和財(cái)政部共同提出建設(shè)公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。建設(shè)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)及時(shí)準(zhǔn)確地掌握重點(diǎn)用能單位能耗情況、追蹤節(jié)能政策實(shí)施效果、增強(qiáng)宏觀調(diào)控的針對(duì)性和主動(dòng)性具有重要意義［1］。文獻(xiàn)［2］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的樓宇能耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在研究現(xiàn)有能耗監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電能檢測(cè)技術(shù)、Zigbee 無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套樓宇能耗監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)［3］對(duì)公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究與應(yīng)用，詳細(xì)研究能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下的能耗數(shù)據(jù)，并能為用能單位提供系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)及詳盡的能耗數(shù)據(jù)分析，為節(jié)能減排提供基本的依據(jù)。文獻(xiàn)［4］改造設(shè)計(jì)基于節(jié)能化管理的辦公建筑節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了對(duì)辦公建筑能源的節(jié)約，并且提升了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)性能和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，LoRa 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，LoRa 技術(shù)采用了擴(kuò)頻技術(shù)，提高了無線傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，提高了抗干擾能力和通信效率［5］。同其它的無線通信技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)了普通無線通信技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的在低功耗的情況下的遠(yuǎn)距離傳輸，通信距離遠(yuǎn)使中繼器的數(shù)量大大減少，同時(shí)使硬件成本降低，另外工作在免費(fèi)的頻譜下，利于使用和開發(fā)［6～7］。因此，提出了設(shè)計(jì)一種基于LoRa 的大型公共建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，以適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，滿足公共建筑能耗監(jiān)控的需求［8～9］。

2 大型公共建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)描述

本次設(shè)計(jì)選用應(yīng)用較為廣泛的智能電表作為能耗計(jì)量裝置進(jìn)行測(cè)試，其與LoRa無線傳輸模塊、主控STM32F407 以及主控外圍電路組成能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由LoRa 無線傳輸模塊、LCD 屏、iTOP-4412 核心板以及核心板對(duì)應(yīng)的底板電路組成。由能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成的大型公共建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)［10～11］，如圖1所示。

圖1 能耗監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖

首先手動(dòng)設(shè)置智能電表的地址，能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主控STM32F407 通過RS485 模塊發(fā)送相應(yīng)的地址和命令，獲得相應(yīng)電表的電壓、電流、功率的值，并給這組數(shù)據(jù)加上相應(yīng)電表的標(biāo)號(hào)和簡(jiǎn)單加密處理。將處理后的數(shù)據(jù)通過LoRa無線傳輸模塊向能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)送。能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用iTOP-4412 核心板，通過LoRa 無線傳輸模塊接收數(shù)據(jù)并解析，然后將數(shù)據(jù)顯示到LCD 屏上，接著調(diào)用移植的數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite 的函數(shù)接口將能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行本地保存，最后利用套接字socket 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，將能耗數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器［12］。

3 能耗監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

以STM32F407 為主控芯片，該芯片具有低功耗、高性價(jià)比、外設(shè)接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，并且該芯片擁有豐富的固件庫(kù)，極大地縮短了開發(fā)周期。STM32最小工作電路以及能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)所用到I/O口所組成的電路示意圖，如圖2所示。

圖2 STM32電路圖

RS485 通信網(wǎng)絡(luò)中采用主從通信方式，智能電表為從機(jī)。RS485 接口采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，不需要通過參照點(diǎn)來檢測(cè)傳輸?shù)男盘?hào)，只要在傳輸?shù)倪^程中保證兩線之間的電位差就可以了，提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力。RS485 通信采用的芯片為SP3485，STM32 的串口USART 通過芯片SP3485 與智能電表通信，獲得智能電表電壓、電流和功率。RS485數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

圖3 RS485接口電路

3.2 能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件由核心板和底板組成，采用iTOP-4412 核心板。主要進(jìn)行底板的電路設(shè)計(jì)，要結(jié)合核心板進(jìn)行底板電路設(shè)計(jì)。為了敘述方便，統(tǒng)一命名，把iTOP-4412 核心板稱為目標(biāo)機(jī)，把開發(fā)和編譯程序的計(jì)算機(jī)稱為主機(jī)，以下就不再贅述。能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 LCD接口電路

為了將接收到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，需要設(shè)計(jì)LCD 接口電路。設(shè)計(jì)基于ANSI/TIA/EIA-644 LVDS 接口標(biāo)準(zhǔn)的電路接口連接LCD屏幕低壓差分信號(hào)的傳輸、抗干擾能力比較強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)是LVDS 技術(shù)重要特點(diǎn)。采用LVDS 接口的配合軟排線實(shí)現(xiàn)核心板與7 寸LCD 顯示屏之間的數(shù)據(jù)通信。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)接口電路

網(wǎng)卡芯片的型號(hào)選用的是DM9621A，其中已經(jīng)包含了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。但是DM9621A 網(wǎng)卡芯片是USB 接口的芯片，引腳比較少，使用比較方便，不是直接連接到處理器上，而是通過芯片USB3503A連接到處理器上。為了使網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)增強(qiáng)，傳輸距離更遠(yuǎn)，與外部隔離，避免外部的干擾，增強(qiáng)魯棒性。采用網(wǎng)卡和網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR911105A 設(shè)計(jì)網(wǎng)路接口電路。此時(shí)在Linux 系統(tǒng)上可以通過socket 協(xié)議實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)通訊，完成各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

3.2.3 LoRa無線傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

LoRa無線傳輸模塊需要與核心板iTOP4412的USB 接口通信，而無線傳輸模塊的接口是串口，接口不同無法直接通信，需要借助通信接口轉(zhuǎn)換電路，作為其通信的橋梁。采用轉(zhuǎn)換芯片CH340G，可以將USB 接口轉(zhuǎn)換為串口。串口通信電路原理如圖5所示。

圖5 串口通信電路

4 能耗監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能，編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在集成開發(fā)環(huán)境Keil uVision5 新建基于固件庫(kù)的工程，將所用到的文件添加到工程中，最后直接在相應(yīng)的文件下進(jìn)行程序編寫就可以了。

4.1.1 軟件工作流程

單片機(jī)上電程序開始運(yùn)行，首先完成延時(shí)函數(shù)、IO、串口的初始化和中斷優(yōu)先級(jí)分組。然后延時(shí)時(shí)間到，通過串口向智能電表發(fā)送命令，智能電表返回能耗數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率，最后將獲得的能耗數(shù)據(jù)保存到自定義的結(jié)構(gòu)體中，加入編號(hào)并進(jìn)行簡(jiǎn)單的加密，通過LoRa 無線傳輸模塊將能耗數(shù)據(jù)發(fā)送到能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)［13］。軟件的功能流程圖如圖6所示。

4.1.2 主程序的編寫

首先初始化RS485模塊，本質(zhì)上是初始化該模塊連接的串口，主控上沒有實(shí)際存在的串口，需要將IO 口復(fù)用為串口。將IO 口復(fù)用為串口，配置之前要使能IO 口時(shí)鐘和復(fù)用為的串口的時(shí)鐘。串口發(fā)送相應(yīng)的命令，需要接收能耗數(shù)據(jù)，所以要開啟串口的接收中斷。使用函數(shù)RS485_Send_Data 發(fā)送具體的采集命令，在中斷處理函數(shù)USART2_IRQHandler 中實(shí)現(xiàn)接收具體的能耗數(shù)據(jù)。對(duì)接收到的智能電表的電壓、電流、功率的具體數(shù)值，添加電表的編號(hào)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的加密處理，然后通過LoRa無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。采集命令是定時(shí)發(fā)送的，使用到了延時(shí)函數(shù)，要初始化延時(shí)函數(shù)，最后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。部分主程序發(fā)送電壓、電流、功率的值如下所示：

void Lora_tx_bytes（uint8_t*TxBuffer，uint8_t Length）

｛while（Length--）

｛while （RESET==USART_GetFlagStatus （USART3，USART_FLAG_TXE））；

USART3-＞DR=*TxBuffer；

TxBuffer++；｝｝

圖6 程序設(shè)計(jì)流程圖

4.2 能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植

在開發(fā)過程中，由于目標(biāo)機(jī)的硬件資源有限，且外圍的硬件不同，無法直接移植Linux操作系統(tǒng)，需要對(duì)源碼根據(jù)目標(biāo)機(jī)的處理器類型和外圍硬件進(jìn)行裁剪，然后編譯成鏡像文件，然后再燒錄到目標(biāo)機(jī)中進(jìn)行運(yùn)行，此時(shí)目標(biāo)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境搭建完成［14］。在主機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的軟件開發(fā)，交叉編譯后生成的可執(zhí)行文件，然后下載到目標(biāo)機(jī)中，直接在主機(jī)上的串口軟件中輸入命令就可以運(yùn)行軟件。

4.2.2 基于Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件開發(fā)

為了提高編程的效率，對(duì)能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的各模塊，采用模塊化編程，提高編程的效率和準(zhǔn)確性，然后將編程好的各模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)。需要對(duì)四大模塊進(jìn)行編程，包括LoRa 無線接收模塊、LCD 顯示模塊、數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器模塊。首先開辟兩個(gè)進(jìn)程，LoRa 無線接收模塊在一個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行，剩余的三個(gè)模塊在另外一個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行。同一主機(jī)進(jìn)程間通信選擇通信效率較高的共享內(nèi)存，并使用有名信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步，即實(shí)現(xiàn)LoRa無線傳輸模塊先接收能耗數(shù)據(jù)，再進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和上傳。

1）LoRa無線接收模塊的編程

在Linix 操作系統(tǒng)上初始化串口和讀寫串口，都是使用文件描述符進(jìn)行相應(yīng)的操作。通過調(diào)用Linux 操作系統(tǒng)提供的open（）函數(shù)打開設(shè)備文件，獲取文件描述符，文件描述符是用非負(fù)的整數(shù)來表示。使用自定義函數(shù)int set_opt（int fd，int nSpeed，int nBits，char nEvent，int nStop）來初始化串口，在該函數(shù)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口初始化，設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位。部分程序如下所示：

fd = open（“/dev/ttyUSB0”，O_RDWR | O_NOCTTY）；//獲得文件描述符

set_opt（fd，115200，8，‘N’，1）；//設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位、停止位

read（fd，buf，sizeof（buf））；//讀取串口接收的消息

2）LCD顯示模塊的編程

對(duì)接收到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，需要打開LCD屏對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件，獲得文件描述符，然后獲得顯示屏的可變參數(shù)，計(jì)算顯示屏的大小，根據(jù)相應(yīng)設(shè)備文件的文件描述符，然后將顯示屏的文件描述符映射到用戶空間，在用戶空間得到操作顯示屏的指針，此時(shí)就可以操作顯示屏了，部分程序如下所示：

fbfd=open（“/dev/fb0”，O_RDWR）；//獲得文件描述符

ioctl（fbfd，F(xiàn)BIOGET_VSCREENINFO，&vinfo）；//獲得顯示屏的可變參數(shù)

screensize=vinfo.xres_virtual*vinfo.yres_virtual*vinfo.bits_per_pixel/8；//計(jì)算顯示屏的虛

//擬大小

fbp=（char*） mmap （0， screensize，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，fbfd，0）；

//完成映射

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊編程

將數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite移植到目標(biāo)機(jī)中，數(shù)據(jù)庫(kù)移植完后，將接收到的能耗數(shù)據(jù)解析顯示之后，就可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的函數(shù)接口，對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)。在使用數(shù)據(jù)庫(kù)之前，要調(diào)用函數(shù)打開數(shù)據(jù)庫(kù)和創(chuàng)建表，在基礎(chǔ)上才可進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的插入、刪除、修改、查找，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)源碼，部分函數(shù)如下所示：

opensql（char*devpath）；//打開數(shù)據(jù)庫(kù)

createtable（char*table_name）；//創(chuàng)建表

sqlinsert（char*table_name，RecordData*rd）；//插入

4）數(shù)據(jù)上傳模塊的編程

將目標(biāo)機(jī)接收到的能耗數(shù)據(jù)，上傳到主機(jī)上搭建的服務(wù)器，這屬于不同主機(jī)間進(jìn)程間通信，通信方式選用套接字socket［15～16］。選用TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的通信。編寫的TCP 服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)消息的循環(huán)接收，部分TCP 服務(wù)器程序如下所示：

int TcpServerInit（）

｛servFd=socket（PF_INET，SOCK_STREAM，0）；//創(chuàng)建套接字

bind（servFd，（struct sockaddr*）&servAddr，sizeof（servAddr））；//綁定IP地址和端口號(hào)

listen（servFd，10）；//創(chuàng)建監(jiān)聽隊(duì)列

｝

編寫的TCP客戶端程序?qū)崿F(xiàn)消息的循環(huán)發(fā)送，部分TCP客戶端程序如下所示：

cliFd=socket（PF_INET，SOCK_STREAM，0）；//創(chuàng)建套接字connect（cliFd，（struct sockaddr*）&servAddr，sizeof（servAddr））；//請(qǐng)求連接

5 測(cè)試結(jié)果

目前為止，基本完成了能耗監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，接下來就是進(jìn)行整體測(cè)試。測(cè)試能耗數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、上傳。將能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行采集智能電表的數(shù)據(jù)，然后將能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送；能耗數(shù)據(jù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)選擇相應(yīng)的距離，然后接收能耗數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、上傳。

1）能耗數(shù)據(jù)顯示測(cè)試

能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過LoRa無線傳輸模塊接收能耗數(shù)據(jù)，首先對(duì)接收到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后在LCD屏上進(jìn)行顯示，顯示結(jié)果如圖7所示。

圖7 LCD顯示結(jié)果

2）能耗數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)測(cè)試

在目標(biāo)機(jī)上移植了SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，可以調(diào)用保存能耗數(shù)據(jù)的函數(shù)接口，對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在目標(biāo)機(jī)上無法打開存儲(chǔ)的能耗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，需要將生成保存能耗數(shù)據(jù)的文件傳輸?shù)街鳈C(jī)上，然后利用相應(yīng)的軟件SQLite 打開該文件查看保存的能耗數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖8所示。

圖8 能耗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

3）能耗數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器測(cè)試

在主機(jī)的Linux 操作系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，首先在Linux 操作系統(tǒng)上ping 通目標(biāo)機(jī)，然后編譯并運(yùn)行所編寫的TCP服務(wù)器應(yīng)用程序，此時(shí)就可以等待接收能耗數(shù)據(jù)。將接收到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后將智能電表的編號(hào)、電壓、電流、功率進(jìn)行顯示。TCP 服務(wù)器接收到的能耗數(shù)據(jù)顯示，如圖9 所示。

圖9 主機(jī)Linux開發(fā)環(huán)境的TCP服務(wù)器

6 結(jié)語

隨著LoRa 無線通信技術(shù)的不斷成熟，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離和低功耗，是其它無線通信技術(shù)無法滿足的。設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的大型公共建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。能耗數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，能耗數(shù)據(jù)包括電流、電壓、功率，然后將能耗數(shù)據(jù)封裝和加密，通過LoRa 無線傳輸模塊將能耗數(shù)據(jù)發(fā)送到能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過Lo-Ra 無線傳輸模塊將能耗數(shù)據(jù)接收并解析，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、上傳。本能耗監(jiān)控系統(tǒng)成本低、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、部署方便并且應(yīng)用場(chǎng)景廣闊。