劉振通，羅明華，欒鸞，劉兆峰

(山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250101)

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基于Linux的建筑能耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

劉振通，羅明華*，欒鸞，劉兆峰

(山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟南 250101)

當(dāng)前，建筑能耗過高的問題日益突出。能耗數(shù)據(jù)采集器是建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的主要設(shè)備，對采集器進行優(yōu)化設(shè)計可提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。文章針對現(xiàn)有建筑能耗數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)專用、配置繁瑣以及配置不靈活等問題，基于Linux操作系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計方法,對建筑能耗數(shù)據(jù)采集器的軟硬件進行了設(shè)計，并通過對建筑能耗數(shù)據(jù)采集器工作運行，驗證了建筑能耗數(shù)據(jù)采集器的可行性和實際效果。

Linux；建筑能耗監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集器

0　引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，建筑能耗過高的問題日益突出。建筑消耗在資源消耗中占有很大比重，因此可通過構(gòu)建建筑能耗監(jiān)測平臺進行建筑能耗數(shù)據(jù)的管理與分析，從而找到提高資源利用效率的辦法，遏制資源浪費。遏制資源浪費的關(guān)鍵問題在于能耗的數(shù)據(jù)的采集與傳輸[1-2]。能耗數(shù)據(jù)采集器是建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的主要設(shè)備，對采集器進行優(yōu)化設(shè)計可提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器多基于單片機設(shè)計，無法運行嵌入式操作系統(tǒng)，文件管理、任務(wù)調(diào)度很難實現(xiàn)[3-4]。國外在建筑能耗監(jiān)測方面已經(jīng)在建設(shè)初期對監(jiān)測系統(tǒng)進行了規(guī)劃，采用整體設(shè)計的方案，軟件以及設(shè)備編碼進行統(tǒng)一固化，沒有采用可分離式的集中數(shù)據(jù)采集裝置。這種方案在成本以及靈活性上較差，不適合國內(nèi)眾多現(xiàn)有公共建筑的節(jié)能改造。國內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集器在功能上基本滿足DBJ/T14-071—2010《公共建筑節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[5]中的相關(guān)規(guī)定，但在軟硬件方面還存在一些問題。硬件方面存在存儲體積小、可擴展性差、不穩(wěn)定等問題。軟件方面則是多數(shù)采用Wince系統(tǒng)，雖然基于Windows的編程較為方便，但Wince消耗的硬件資源較大、實時處理能力較差，在低資源的嵌入式設(shè)備中會導(dǎo)致系統(tǒng)運行不夠流暢。此外，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集器在配置方面不夠靈活，多數(shù)使用現(xiàn)有的系統(tǒng)進行軟件的修改升級，通用性較差。

未來采集器的發(fā)展應(yīng)趨向于智能化、配置靈活化和總線多樣化。靈活的配置功能能夠適應(yīng)不同的計量設(shè)備、減少系統(tǒng)升級費用及擴大設(shè)備的兼容性；總線化使得采集器能夠掛載更多的計量設(shè)備，此外現(xiàn)場總線的使用可提高設(shè)備間通信的可靠性，多樣化的總線接口可提高設(shè)備的采集能力[6]。

為了改善現(xiàn)有采集器的性能以適應(yīng)未來發(fā)展的趨勢，文章采用以ARM9為核心的S3C2416芯片結(jié)合Linux操作系統(tǒng)完成對數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計開發(fā)。文章將圍繞如何進行采集器硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)的設(shè)計以及重要軟件功能的實現(xiàn)進行設(shè)計論述。

1　建筑能耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計理論依據(jù)

數(shù)據(jù)采集器基于Linux和ARM處理器進行設(shè)計，主要對建筑物內(nèi)部計量裝置進行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過打包處理，通過以太網(wǎng)上傳到建筑物能耗監(jiān)測子系統(tǒng)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集器的硬件主要包括：ARM處理器核心板、存儲設(shè)備、RS485接口、網(wǎng)絡(luò)接口以及基本信息顯示。應(yīng)用程序運行平臺使用精簡嵌入式Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本選用2.6，該版本內(nèi)核較為穩(wěn)定。由于采集器需要完成對數(shù)據(jù)的存儲以及具有網(wǎng)絡(luò)配置功能，因此數(shù)據(jù)庫和web服務(wù)器不可缺少。采集器搭載了Linux操作系統(tǒng)，因此可以移植較多的軟件，使得開發(fā)更方便快捷。

2　基于Linux的建筑能耗數(shù)據(jù)采集器軟硬件設(shè)計

2.1硬件設(shè)計

如圖2所示，采集器采用了模塊化設(shè)計。模塊化設(shè)計便于硬件的維護，在一定程度上增加了系統(tǒng)的可靠性。

圖1　建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)圖

(1) 核心板

核心板采用S3C2416處理器，其內(nèi)核為ARM926EJ，主頻運行為400MH，有內(nèi)存管理單元，因此可以運行Linux操作系統(tǒng)。內(nèi)存搭載64M內(nèi)存以及256M的NANDFLASH。

圖2　硬件架構(gòu)圖

(2) 網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)卡采用DM9000，這是一款完全集成、符合成本效益的單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器，完全符合IEEE802.3u，采用TCP/IP協(xié)議，使得傳輸可靠、透明，傳輸速率在10～100Mb/s，該速率能夠滿足系統(tǒng)需求。

(3) 串口模塊

RS232接口用于對數(shù)據(jù)采集器進行參數(shù)配置。RS485接口用于對建筑物計量設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。由于RS485接口要與遠(yuǎn)端設(shè)備進行連接，電路設(shè)計上增加了TVS二極管防止因電壓浪涌對芯片造成損害等問題的發(fā)生。

(4) 數(shù)據(jù)存儲

存儲設(shè)備采用可拔插的SD卡，使數(shù)據(jù)存儲簡單便捷。采集器掛載的設(shè)備多達100個，每個設(shè)備最多讀4項，每項數(shù)據(jù)按20個字節(jié)存儲，最小的讀取周期為15min，則每天的數(shù)據(jù)總量為24h×0.25×20Bytes×4×100，約為48MB,一個月的存儲總量為48MB×31=1488MB。采用2GB的SD卡就可以滿足一個月的數(shù)據(jù)存儲需求。

(5) 顯示模塊

顯示模塊能夠顯示采集器的基本信息、系統(tǒng)運行狀態(tài)等。與其他采集器相比，維護操作人員能夠更快捷、更直觀地對采集器的基本情況有所了解。

(6) 系統(tǒng)可靠性

作為工業(yè)級的應(yīng)用，必須考慮系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，保證硬件能長時間、無故障地運行。

在器件的選擇上，應(yīng)使用正規(guī)、工業(yè)級的元器件；由于設(shè)備處于強電配電室，電磁干擾比較強烈，設(shè)備應(yīng)封裝在密閉的金屬殼中降低電磁干擾的影響[6]；485通信電纜使用屏蔽雙絞線，接口處使用能夠滿足通信速率的高速光耦芯片。

2.2軟件設(shè)計

應(yīng)用程序使用SQLite3和Boa完成數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器的開發(fā)任務(wù)。

SQLite3是一個獨立、無服務(wù)、無配置和面向事務(wù)的數(shù)據(jù)庫引擎，其占用的內(nèi)存只有幾百kB，經(jīng)過精簡編譯后的大小也僅為120kB，相對于MySQL這種幾百兆的數(shù)據(jù)庫來說，SQLite3更能滿足嵌入式硬件需求。SQLite3支持大部分的SQL語言，并且有豐富的API，C程序能夠方便地調(diào)用[8-9]。

目前的Web服務(wù)器主要有Boa、thttpd和Apache等。Boa體積最小，二進制文件僅為61kB，處理速度較快，而且占用的內(nèi)存較少。Boa服務(wù)器也存在一些缺點，它是一個單進程的服務(wù)器，無法同時處理多個用戶的響應(yīng)。但這已經(jīng)能夠滿足采集器配置功能的需求。

(1) 軟件架構(gòu)

軟件整體架構(gòu)由硬件驅(qū)動、內(nèi)核、系統(tǒng)調(diào)用和應(yīng)用程序組成。Linux內(nèi)核提供了豐富的API，用戶可以方便地調(diào)用進行應(yīng)用程序的開發(fā)。

采集器應(yīng)用程序的設(shè)計基于內(nèi)核和系統(tǒng)調(diào)用，其完成的主要任務(wù)包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)上傳，其數(shù)據(jù)流向如圖3所示，首先從485串口中讀取各計量裝置讀數(shù)，然后根據(jù)不同的計量裝置分別保存在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫文件中，上傳的數(shù)據(jù)包使用XML格式進行編碼，以文本的格式完成數(shù)據(jù)上傳[5]。

圖3　數(shù)據(jù)流向圖

(2) 軟件啟動流程

系統(tǒng)開機流程如圖4所示，系統(tǒng)上電之后，首先加載Linux內(nèi)核，然后調(diào)用Init進程。Init是第一個被啟動的應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)開啟各項系統(tǒng)程序以及用戶配置服務(wù)程序。

(3) 用戶配置服務(wù)

用戶配置服務(wù)程序采用shell腳本進行編寫。使用shell腳本程序來調(diào)用其他的C程序，這不僅可以降低開發(fā)難度，而且能夠使程序運行更加可靠。shell腳本程序是用戶與系統(tǒng)進行交流的工具，通過shell命令可以完成對整個系統(tǒng)的管理與操作。shell腳本程序是成熟可靠的系統(tǒng)工具，它是由一連串的shell命令組成的純文本程序。

圖4　開機流程圖

用戶配置服務(wù)腳本程序負(fù)責(zé)開啟Boa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和485串口傳輸參數(shù)設(shè)置兩個進程，其主要代碼如下：

# !/bin/bash

#usr_config.shthisfilebeusedtostartorstopusrprocesses

#author:liuzhentong

BASE1=/usr/bin/boa

BASE2=/usr/mylinux/config_485

case“$1”in

start)

i=3

while[ “$i” > “1”]

do

$BASE1

exit_n=$?

if[ “exit_n” == “0”];then

i=0

else

i=$(($i-1))

fi

done

$BASE2

;;

stop)

esac

exit0

485串口傳輸參數(shù)設(shè)置過程如圖5，主要的參數(shù)信息存儲在數(shù)據(jù)庫文件中，485讀取程序能夠方便地進行參數(shù)信息的讀取。存儲在數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息可以得到有效的保護。數(shù)據(jù)庫使用體積只有幾百KB的SQLite，它擁有豐富的C函數(shù)庫，可使用C語言對數(shù)據(jù)庫進行操作。

圖5　用戶配置服務(wù)腳本框圖

(4) 瀏覽器配置服務(wù)

該模式采用了B/S架構(gòu)，即瀏覽器服務(wù)器架構(gòu)。采集器作為服務(wù)器，用戶可以通過瀏覽器對采集器運行參數(shù)進行設(shè)置，包括服務(wù)器的IP地址、采集設(shè)備的數(shù)量以及采集的周期等。采用B/S架構(gòu)模式，免去了配置軟件的開發(fā)、降低了開發(fā)周期以及開發(fā)人員的投入，用戶只需要使用瀏覽器就可以對設(shè)備進行管理和訪問。此外，該架構(gòu)的使用還能夠使采集器被遠(yuǎn)程監(jiān)控與訪問。采集器采用Boa完成設(shè)備端的服務(wù)器搭建任務(wù)。Boa支持CGI功能，因此可以采用C語言編寫CGI程序，實現(xiàn)與瀏覽器之間的數(shù)據(jù)交換。

Boa程序的移植配置過程如下：

從Boa官網(wǎng)下載源碼boa-0.94.13.tar.gz。在宿主計算機上就行源碼解壓：[root@tongtemp]#tar-zxvfboa-0.94.13.tar.gz-C。

進入解壓后的源碼文件夾進行配置：[root@tongsrc]#./configure.然后修改Makefile文件，將編譯器修改為交叉編譯器：

#CC=gcc

CC=arm-linux-gcc

#CPP=gcc-E

CPP=arm-linux-gcc-E

make編譯文件，得到可執(zhí)行的boa文件，使用命令makedistclean去除無用的調(diào)試信息，縮減代碼大小。

最后將經(jīng)過編譯生成的boa文件復(fù)制到采集器系統(tǒng)的/usr/bin目錄下，將boa的配置文件boa.conf復(fù)制到采集器的/etc目錄下。修改boa.conf文件，將用戶成員修改為root即可在目標(biāo)板上使用boa服務(wù)器了[10-13]。

用戶通過客戶端瀏覽器訪問采集器的配置界面，界面的形式通過網(wǎng)頁呈現(xiàn)。配置界面使用網(wǎng)頁編程Dreamweaver實現(xiàn)，本采集器的配置界面如圖6所示：

設(shè)置菜單副欄有建筑信息、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、儀表參數(shù)、協(xié)議參數(shù)、權(quán)限管理和系統(tǒng)設(shè)置。用戶可通過瀏覽器配置界面對采集器運行參數(shù)就行直觀地設(shè)定。

圖6　瀏覽器配置界面圖

CGI通用網(wǎng)關(guān)接口(CommonGatewayInterface)是一個Web服務(wù)器主機提供信息服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)接口。

通過CGI接口，Web服務(wù)器就能夠獲取客戶端提交的信息，轉(zhuǎn)交給服務(wù)器端的CGI程序進行處理，最后返回結(jié)果給客戶端[14]。CGI程序可以用任何程序設(shè)計語言編寫,如shell腳本語言、Perl、Fortran、Pascal、C語言等。但用C語言編寫的CGI程序具有執(zhí)行速度快、安全性高(因為C語言程序是編譯執(zhí)行且不可被修改)等特點。C語言的CGI程序結(jié)構(gòu)主要有頭文件、輸出信息頭、取環(huán)境變量、數(shù)據(jù)處理和返回服務(wù)器信息組成。頭文件包括標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出頭文件“stdio.h“；輸出信息頭格式為：printf("Content-type:text/html/n/n")這是一個MIME頭信息,它告訴Web服務(wù)器隨后的輸出內(nèi)容是以純ASCII文本的形式就行輸出的；瀏覽器與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信是通過環(huán)境變量進行傳遞的，從網(wǎng)頁表單中獲取數(shù)據(jù)的方式GET和POST兩種其主要的區(qū)別是接收的數(shù)據(jù)長度不同(GET方法有長度限制，POST方法沒有長度限制)，接收的數(shù)據(jù)保存在環(huán)境變量QUERY_STRING中；從環(huán)境變量中取出的數(shù)據(jù)經(jīng)過了URL編碼，例如傳傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為“form1=2&send=提交”，其中用戶輸入的數(shù)據(jù)為2，因此要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理將2提取進行保存[15-16]

(5) 主要應(yīng)用進程

主要應(yīng)用進程包括數(shù)據(jù)采集進程和網(wǎng)絡(luò)傳輸進程兩部分。其中數(shù)據(jù)采集進程含有終端設(shè)備讀取和數(shù)據(jù)打包線程，網(wǎng)絡(luò)傳輸進程含有接收任務(wù)線程和發(fā)送任務(wù)線程。之所以采用這種設(shè)計是考慮到數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸是兩個獨立的過程，采用雙進程不會因為其中一個環(huán)節(jié)的崩潰而影響到另一個環(huán)節(jié)。終端設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)要及時地進行數(shù)據(jù)打包，采用雙線程的設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)的需求。此外，線程間通訊比進程間通訊要簡單的多，這使得內(nèi)存的消耗變少，提高了系統(tǒng)處理速度。

(6) 系統(tǒng)可靠性保障

系統(tǒng)中存在多個任務(wù)進程，難免會出現(xiàn)某個任務(wù)程序退出運行的狀況。為了避免這種情況發(fā)生，為此增加了用戶任務(wù)運行狀態(tài)監(jiān)測程序。如圖7所示，為了使該程序能夠不間斷地運行，設(shè)置該監(jiān)測程序為系統(tǒng)級的調(diào)度程序。該程序每隔一定的時間就被系統(tǒng)調(diào)用實時監(jiān)測用戶任務(wù)進程號。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個用戶任務(wù)退出運行，重新啟動該用戶任務(wù)，以此來增加系統(tǒng)的運行可靠性。

圖7　監(jiān)測程序圖

3　建筑能耗數(shù)據(jù)采集器運行效果檢驗

因為采集器尚不完善，所以在測試模式下進行了數(shù)據(jù)的讀取與上傳測試。在實驗室環(huán)境下讀取兩塊具有485接口的電能表數(shù)據(jù)，利用實驗室路由器組建局域網(wǎng)，采集器讀取的數(shù)據(jù)通過實驗室局域網(wǎng)內(nèi)的計算機進行接收。首先完成整個系統(tǒng)的接線工作，將兩塊電表接入設(shè)備485接口，用網(wǎng)線將設(shè)備接入路由器；然后在計算機瀏覽器中輸入設(shè)備的IP地址，進入?yún)?shù)配置界面。按照圖8中的參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)包括上傳服務(wù)器的IP、設(shè)備數(shù)量、通信協(xié)議以及上傳間隔。

圖8　測試參數(shù)設(shè)置圖

參數(shù)設(shè)置完成后重啟設(shè)備，打開TCP測試軟件，選擇為TCPServer模式進行監(jiān)聽如圖9所示。

圖9　TCP監(jiān)聽圖

兩塊表的電子屏顯示分別為9012、21015,TCP監(jiān)聽的數(shù)據(jù)分別為十六進制的23、34和52、17，轉(zhuǎn)為十進制分別為9012、21015，上傳與讀取的數(shù)據(jù)是一致的。

運行結(jié)果表明用戶可以方便地通過網(wǎng)絡(luò)配置界面進行參數(shù)的設(shè)置，設(shè)備能夠按照設(shè)置的參數(shù)正常運行，能夠準(zhǔn)確地讀取與上傳數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語

文章提出了采用的ARM處理器配合Linux操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集裝置軟硬件開發(fā)的設(shè)計方案。該架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集器能夠充分發(fā)揮Linux在網(wǎng)絡(luò)功能方面的優(yōu)勢，使得數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸變得更加穩(wěn)定、可靠，降低開發(fā)周期；Linux系統(tǒng)的采用以及軟件設(shè)計的流程改善縮減了采集器系統(tǒng)容量，降低了部分硬件的開支；網(wǎng)絡(luò)配置服務(wù)使配置操作更加便捷，可視化的瀏覽器配置界面方便了工程人員的參數(shù)配置任務(wù)，減少了勞動量。數(shù)據(jù)讀取與傳輸功能方面的性能優(yōu)化使得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到了保證。

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(學(xué)科責(zé)編：李雪蕾)

ResearchanddesignofdataacquisitionunitbasedonLinux

LiuZhentong,LuoMinghua,LuanLuan, et al.

(SchoolofInformationandElectricalEngineering，ShandongJianzhuUniversity，Jinan250101，China)

Abstract：Withthedevelopmentoftheeconomy,theproblemofhighbuildingenergyconsumptionisbecomingincreasinglyprominent.Thedataacquisitionunitisthemajorequipmentofthebuildingenergyconsumptionmonitoringsystem,andtheoptimaldesignofdataacquisitionunitcanimprovethereliabilityofthesystem.ThispapershowsthatoperationalprincipleanddesignmethodofthedataacquisitionunitbasedonLinux.Accordingtotheprobleminthecurrentdataacquisitionthatsystemisspecial,bloatedandnotflexible,basedonLinux’sworkingprincipleanddesignmethod,thispaperdesignsthesoftwareandhardwareofdataacquisitionunit,andverifiesthefeasibilityofthedataacquisitionunitthroughtheactualoperationofthemachine.

Linux;buildingenergyconsumptionmonitoring;dataacquisitionunit

2015-10-12

劉振通(1989-)，男，在讀碩士，主要從事建筑設(shè)備智能化，控制工程等方面的研究.E-mail:zhentong1006@foxmail.com

*：羅明華(1957-)，男，副教授，博士，主要從事檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)方面的研究.E-mail:mluo123@163.com

1673-7644(2016)02-0189-07

TP274

A