基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

謝一博 劉志強(qiáng) 李仁杰

摘 要：該課題分析了我國(guó)當(dāng)前的建筑能耗形勢(shì)，研究構(gòu)建在無(wú)線傳感網(wǎng)和B/S模式結(jié)合下，建筑能耗數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和展示。提出了與之對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，包括基于ZigBee的能耗數(shù)據(jù)采集、基于ESP8266的數(shù)據(jù)傳輸、基于MySQL的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、基于SSM框架的前端展示。形成了一套軟硬件齊全的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用戶跨平臺(tái)和能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：B/S模式 能耗數(shù)據(jù) SSM框架 跨平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（a）-0019-02

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，能源消費(fèi)增勢(shì)迅速，能源消費(fèi)總量位居世界第二。嚴(yán)峻的能源現(xiàn)實(shí)使節(jié)能成為了我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也成為了當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。與此同時(shí)，大型建筑的高能耗問(wèn)題日趨嚴(yán)重，因此，對(duì)各部門建立能耗檢測(cè)平臺(tái)變得尤為重要。但是現(xiàn)存的能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，大多基于C/S模式，使得平臺(tái)函數(shù)庫(kù)依賴較多，安裝復(fù)雜，且不易使控制數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)分離，進(jìn)而限制了其推廣。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)與微控制器相連的傳感器采集建筑內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)。這些傳感器包括DHT11溫濕度傳感器，用于測(cè)量當(dāng)前環(huán)境的溫度與濕度；LT-211交流檢測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前電量參數(shù)，包括電壓、電流、功率；CHC-A33霍爾水流感應(yīng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)其脈沖，獲得當(dāng)前的水流速度，在查閱水管橫截面積后進(jìn)而計(jì)算出當(dāng)前的水流量。各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線協(xié)議棧將采集到的數(shù)據(jù)包裝并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)由無(wú)線協(xié)議棧和WiFi模塊兩個(gè)部分構(gòu)成。在無(wú)線協(xié)議棧部分，與各采集節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，形成“星型結(jié)構(gòu)”。將從各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)做組裝，將組裝好的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上的物理鏈路傳送至WiFi模塊，同時(shí)準(zhǔn)備接受下一次數(shù)據(jù)。服務(wù)器端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡，接入網(wǎng)關(guān)的熱點(diǎn)后，兩者處于同一網(wǎng)段下，此時(shí)可進(jìn)行Socket通信，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。網(wǎng)關(guān)支持TCP和UDP兩種運(yùn)輸層協(xié)議，在本設(shè)計(jì)中，我們采用TCP。

在Web服務(wù)器上可接收多種瀏覽器發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，當(dāng)系統(tǒng)管理員正確登錄到系統(tǒng)后，服務(wù)器端接收用戶端發(fā)來(lái)的定時(shí)請(qǐng)求，把最新采集到的數(shù)據(jù)反饋給用戶。此時(shí)在瀏覽器上，與展示圖表相關(guān)的JS代碼被解釋執(zhí)行，給用戶以直觀的視覺(jué)體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

采用基于CC2530的ZigBee作為采集終端，開(kāi)發(fā)環(huán)境使用IAR EW8.1。根據(jù)終端所搭載傳感器的不同，燒寫相應(yīng)的程序，以DHT11為例，在ZigBee的事件隊(duì)列中，添加自定義的周期性事件，在響應(yīng)此事件時(shí)調(diào)用與之相連的傳感器驅(qū)動(dòng)函數(shù)，將函數(shù)返回值即采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。函數(shù)流程如圖2數(shù)據(jù)傳輸所示。

2.2 網(wǎng)關(guān)

因?yàn)榛A(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于ZigBee，所以，本系統(tǒng)將CC2530作為網(wǎng)關(guān)的主控芯片。在網(wǎng)關(guān)首次啟動(dòng)時(shí)，CC2530通過(guò)串口向ESP8266發(fā)送AT命令，來(lái)控制熱點(diǎn)的工作模式、連接方式和接入點(diǎn)名稱等信息。在熱點(diǎn)穩(wěn)定工作后，使用AT+CIPSEND=0，10＼r＼n命令向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)。其中CIPSEND表示此命令的功能，10表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，＼r＼n表示命令結(jié)束。

2.3 Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)

Web服務(wù)器向下提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，向上提供了良好的用戶接口。其通過(guò)Socket與網(wǎng)關(guān)建立TCP連接，接收網(wǎng)關(guān)向上的數(shù)據(jù)流并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)記錄形式為（時(shí)間戳，傳感器1，傳感器2，傳感器3），其中時(shí)間戳作為一條記錄的主鍵。向上用Tomcat接收瀏覽器發(fā)來(lái)的HTTP請(qǐng)求和Ajax請(qǐng)求。其中HTTP用來(lái)響應(yīng)整個(gè)網(wǎng)頁(yè)的請(qǐng)求，Ajax用來(lái)響應(yīng)網(wǎng)頁(yè)中局部的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

2.4 系統(tǒng)測(cè)試

采集終端、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器三者依次啟動(dòng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在瀏覽器可查看到數(shù)據(jù)定時(shí)向左平移，新數(shù)據(jù)定時(shí)在最右側(cè)追加，通過(guò)曲線的變化可得知當(dāng)前的能耗情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了B/S模式下建筑能耗數(shù)據(jù)的采集與展示系統(tǒng)，提出了與之對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器和ESP8266的硬件開(kāi)發(fā)，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)、Tomcat服務(wù)器、SSM框架和Highchar圖表設(shè)計(jì)框架的服務(wù)端開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了用戶跨平臺(tái)實(shí)時(shí)查看能耗數(shù)據(jù)的功能。

同時(shí)，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)管理員的登錄，注冊(cè)等功能，形成了完整的物聯(lián)網(wǎng)管理體系。系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目中運(yùn)行流暢，通過(guò)更改少量代碼，便可應(yīng)用于其他物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。

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