基于QT的能耗管理系統終端設計

摘要：為了保證能耗數據可進行計算機或人工識別和處理，保證數據得到有效的管理，支持高效的查詢以及能耗的實時監控，實現數據組織、存儲、交換以及在物聯網系統下的數據共享，按照國家規范的標準，基于QT平臺設計出一套能夠對大型建筑和智能家居系統進行能耗管理的智能終端系統。
關鍵詞：能耗管理；QT；實時監控；物聯網

引言
目前，我國對國家機關企事業單位大型公共建筑的用電情況采取多表制管理。不同的大功率電器接入電表不同。由于表類繁多，如空調、動力等，以及其他一些用途功能用電，不同電表之間的傳輸協議的不同，使得系統在能耗的管理上難度加大。大型公共建筑在電能節省和管理方面的需求日益增強，通過計劃性的用電和節電可以更加合理地用電并且能夠節約成本。此外，在智能家居系統的飛速發展中，能耗也成了一個重要的問題，在人們追求簡潔方便的生活同時，降低能耗也成為了一個急待解決的問題。
針對這種情況，本文設計了針對大型建筑和智能家居的能耗管理系統，主要是對多個電能表進行數據采集和管理。設計了一套完整、安全、可靠的采集系統，能夠實現對能耗數據進行統一的采集、處理、上傳及分析等功能。在物聯網發展的時代，對能耗的管理發展成為物聯網中一個關鍵的部分。對大型建筑和智能家居系統來說，能耗管理的入網使得用戶能夠在任何地方都檢測到自己的用電情況，并且能夠進行分析、處理，實現能耗管理和維護。
本文提出了一種能耗管理系統方案，結合嵌入式技術、網絡通信和加密技術，通過分析終端或服務器端的數據，可以實現大型建筑和智能家居的用電安全化、合理化以及高效化。這種能耗統一化的管理模式使得用戶能夠有效地進行用電規劃管理，對大型建筑和智能家居系統的節能有著重要的意義。

1 系統設計方案
能耗管理系統主要設計思路是設計一套集能耗采集、能耗分析、能耗管理和數據上傳為一體的終端平臺。在此設計中，能耗管理系統主要包括3部分：能耗終端模塊、子節點服務器和終端服務器。
①能耗終端模塊：根據系統的需求，對能耗管理表的數據進行采集、分析，并進行網絡資源的上傳，主要是由ARM處理器完成的。
②子節點服務器：接收一個區域(例如酒店)公共建筑等的能耗終端上傳上來的能耗數據，可對本區域能耗進行統一管理，進行能耗數據的查詢、統計、報表、分析和預警。
③終端服務器：區域管理的資源最終上傳至終端服務器，終端服務器是由國家相關部門所管理的，國家相關部門可以根據這些能耗數據進行一些相關調控，制訂應急措施。
能耗管理系統的總體設計框架如圖1所示。

三表采集器可以對用戶的水電氣三表進行數據采集。接入三表采集器，它可以采用有線或者無線的方式對各家各戶的三表進行數據采集，基本上可以實現一個采集器對16戶的水電氣三表進行采集管理，然后通過以太網發送至子節點終端服務器進行數據存儲。子節點服務器將數據繼續發送給水電氣部門的終端服務器進行統一管理，用戶也可以通過智能手機或者PC機對本地用戶水電氣三表進行查詢、管理或者完成繳費等業務。

2 終端硬件組成
2．1 核心處理器
能耗管理系統核心處理器采用S3C6410，它是一種ARM11處理器，工作頻率高達533 MHz，能夠輕松解決一些低成本、低功耗的復雜系統設計問題。有著豐富的外圍資源，可以實現網絡、串口通信、液晶顯示等多項功能。其ARM核心處理器上能夠移植Linux操作系統，Linux有著豐富的資源、完善的內核系統、強大的驅動模塊、能夠移植硬件系統模塊。
能耗管理系統的設計，需要可靠的圖形界面開發、系統網絡協議的集成，以及底層的串口驅動開發。在這樣一種工程應用性軟件開發的情況下，采用帶有Linux操作系統的ARM核心處理器是比較容易快捷的一種方式，相對于FPGA、DSP這類數字信號相關的開發，ARM核心處理器還是有其自身的優勢。
2．2 外圍模塊
考慮到系統采集、傳輸、顯示等功能，外圍搭建了網絡接口、串口、LCD液晶顯示接口，以及基本的晶振、調試接口。能耗管理系統的硬件框圖如圖2所示。

能耗采集采用了核心處理器的串口資源，目前的水電氣三表集成紅外、RS485總線等接口。其中紅外對方向性要求很高，在多塊電表的采集中這種方案難以實現，RS485總線是一種串行通信總線，其資源配置較容易，采用MAX485將串口信號轉換為485信號即可，MAX485的遠距離傳輸，可接入多個節點，解析方便，在能耗管理系統中，優勢十分突出。對數據資源的采集完成后，進行統一的數據上傳存儲。

3 終端軟件設計
能耗管理系統軟件以Linux作為基礎，采用QT作為圖形界面應用程序開發框架，Linux操作系統完善的驅動程序以及高效的內核管理系統，使得工程應用程序在Linux系統上的開發顯得相對容易。QT是Linux操作系統上的一種GUI軟件，它能夠很好地支持圖形界面程序的開發，使得ARM在圖像應用中顯得更加容易。為了實現在ARM上的Linux操作系統的移植，需要加入相應的編譯器arm-linux-gcc，其安裝過程如圖3所示。

4 終端功能
4．1 系統功能簡介
能耗管理系統主要有4個主要功能。
(1)能耗數據的采集
能耗數據采集采用無線422射頻模塊，其遠距離傳輸及穿透性強的特點，可以保證系統數據的無丟失傳輸。能耗數據采集傳輸協議采用電能表通信協議規范，如DLT645—1997、DLT645—2007。在系統采集的數據中需要對采集器的屬性定義進行統一規范，如采集器編號、采集器的電表比率、采集器的類型編號、采集器的傳輸協議規范等。
(2)能耗數據的處理分析
能耗數據處理分析主要分為兩個部分：數據分析判斷和數據處理。數據分析判斷主要是對發送數據的地址位、校驗位進行判斷。對地址位判斷主要是對發送數據的地址及接收到的數據位地址進行比對，其地址位包含6位二進制數據。對校驗位判斷，DLT645—1997是對其前16位數據進行相加然后取其16進制的后兩位與17位數據進行比對；DLT645—1997是對其前18位數據進行相加然后取其16進制的后兩位與19位數據進行比對。
(3)能耗數據的組合運算
能耗數據的組合運算主要是針對不同能耗器采集來的電能數據根據其功能的不同進行能耗的數據運算組合。其中包括數據的相加、相減。在能耗管理系統中對以下5種能耗進行分類管理：總電能、照明、空調、動力和特殊5類用電。
(4)能耗數據的網絡上傳
對于能耗數據的網絡上傳功能主要采用XML技術，將采集數據的參數進行放置匹配。其中包含了樓宇、電表號、電表類型、電表比率、電表數據。在網絡上傳的功能中加入了斷電續傳技術及安全加密技術，保證了數據的安全傳輸。
4．2 數據XML存儲功能
數據存儲采用了XML進行存儲，XML是一種標記的語言，能夠規范地存儲簡單的信息。智能電表數據存儲的格式如圖4所示。

其中，存儲的類型主要分為3類：Devices設備類、Consists組合類、Password密碼類，如表1所列。

在ARM系統中XML的移植采用了TinyXML。它是一款基于DOM模型的XML解析器，在系統程序中主要負責XML的存儲和數據提取。在系統中使用了TinyXML文件，需要對其文件進行解壓、動態庫編譯，生成安裝，并移植到ARM平臺。在QT平臺的工程文件中，加入TinyXML，然后調用相應的頭文件即可實現XML的統一管理規劃。
4．3 斷電續傳功能
4．3．1 斷點續傳流程
為了實現數據傳輸的穩定性，在服務器出現故障的情況下，不影響終端的正常數據傳輸功能，采用了斷電續傳的一種保護機制，對系統的穩定性以及數據的完整性提供可靠的保證。
當服務器端發生異常情況導致網絡不通時，為了防止數據的丟失，將發送失敗的網絡數據暫時存儲至ARM系統的臨時文件夾mnt下，在網絡恢復后即可實現存儲文件的繼續上傳。斷電續傳的具體流程圖如圖5所示。

4．3．2 文件遍歷
針對多個服務器下的數據傳輸，臨時存儲的文件需要分類存儲，發向不同服務器的文件采用IP名稱進行臨時存儲，采用文件遍歷的方式進行文件傳輸，根據名稱提取出相應的IP號以及發送的文件名稱。
由于文件遍歷的隨機性可能導致臨時的文件排序產生錯誤，使得發送的數據產生一些混亂，因此斷電存儲的數據，必須按照一定的順序進行存儲。系統設計中采用了以時間命名的方式進行對應存儲，因為時間不可能存在重名，而且可以按照一定的序列方式進行排列，所以發送的數據可以按照時間順序進行統一發送，使得服務器端接收的數據不會發生錯誤。在調用函數時如果采用opendir的模式則會產生序列的混亂，這里采用scandir的模式，并且調用alphasort進行順序排列。

5 系統驗證及應用
系統選用的采集器是東軟的DDZY-943-Z單項費控智能電能表，如圖6所示。其表讀數可以從圖中讀出為21．57°。

如圖7所示，在能耗管理終端平臺上可以看見地址為111111111111的能耗表數據為21．57°，分配到照明和空調處，總能耗為兩個電表相加讀數。

對于終端服務器，可以根據我們的系統軟件得到采集的時間、采集的電表號及電表的讀數。終端服務器數據接收如圖8所示。

此設計已經在重慶郵電大學智能家居組實驗室開始得到應用，實現了智能家居能耗的信息化管理。一方面，該設計實現家庭內部各電器用電信息的查詢、分析和統計管理；另一方面，能耗管理系統給家庭用電管理提供了更高的效率和質量保障。

結語
該能耗管理系統應用了嵌入式Linux技術、485總線技術、數據XML存儲技術、數據運算和解析技術等。此系統有效解決了大型建筑能耗的管理問題，并且促進了智能家居節能化發展。
利用這項設計可以有效地實現能耗的遠程采集、能耗系統的分類及遠程的數據上傳功能。可以幫助一些大型建筑降低能耗，不僅促進了企業用電的節能化發展，對智能家居的發展也有一定的促進意義。