需求側管理型能效監測終端的設計

摘要：在能效監測管理系統中，能效監測終端完成數據采集、與物理傳感器直接交互、為管理系統提供數據接口等重要任務[2]。需求側管理型能效監測終端，實現數據的圖形化展示，提供基于圖形顯示的人機交互接口，使得能效數據的展現形式更直觀，使得能效監測終端自身即可完成數據的采集、分析、存儲、展現和傳輸的一體化功能。本文實現了需求側管理型能效監測終端的軟硬件設計，并就設計中的優化問題進行了探討。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/233866.htm

關鍵詞：能效監測終端；圖形化；人機交互接口；需求側管理

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.2.005

引言

在能效監測現場，能效監測終端是主要實現采集物理量（溫度、流量、電量等）的設備，且是用戶交互的唯一硬件設備，傳統的能效監測終端等同于能效采集終端，與用戶的交互很少。在能效需求側管理體系中，作為需求側的主要設備，能效監測終端需要承擔與監控主站的雙向交互，以及與用戶的雙向交互任務。本文研究并實現了一種基于多媒體顯示、具備雙向交互功能的能效監測終端，為能效的需求側管理提供了可靠的實現手段。

1 硬件設計

首先本文從硬件組成上來分析實現能效監測終端的細節。終端由以下幾大核心硬件單元組成：具備多媒體協處理器的中央處理器Freescale i.mx51、LVDS液晶顯示接口、以太網RJ45、433MHz微功率無線、GPRS接口、基于RS485的數字通信接口。硬件組成原理如圖1所示。

如圖1所示，硬件設計總體包含三部分，即數據通信接口部分、核心處理部分、人機交互部分。其中：1）數據通信接口包含2個RS485串口，用于連接數字型傳感器；1個R232用于本地維護；1個RJ45以太網接口，用于與后臺主站的遠程連接；1路433MHz的微功率無線通信接口，用于無線數據采集；1路GPRS通信接口，用于遠程連接后臺主站。可以看出，為了增強通信適應性，終端在前端采集上預置了多路獨立串口，后端遠程通信預置了以太網和GPRS接口，而這些接口的基礎均為獨立串口。

2）核心處理部分由i.mx51、NAND FLASH、SDRAM構成最小系統，NAND FLASH存儲系統映像和文件系統，SDRAM為系統程序執行提供內存，在系統啟動階段為程序重定向提供運行空間。

3）人機交互部分由LVDS液晶接口和觸摸控制接口組成，LVDS液晶接口具備很強的抗電磁干擾特性，數據防干擾能力強；觸摸屏接口采用在工業領域應用廣泛的電阻式觸摸屏接口，以適應復雜苛刻的現場環境。

除以上幾部分，終端電源采用線性電源方案設計，如圖2所示。

2 嵌入式軟件設計

能效監測終端的軟件由啟動程序、嵌入式Linux操作系統層、中間件層、應用程序層組成。

2.1 啟動程序bootloader設計

啟動程序bootloader是板級嵌入式軟件系統的基礎，終端上電執行的第一部分程序便是bootloader。實現終端主要硬件接口的驅動、系統啟動代碼等。系統啟動代碼完成處理器初始化、內存初始化、堆棧空間準備、程序代碼重定向等系統啟動的準備工作[1]。啟動程序流程如圖3所示：

以上流程較為特殊的地方在于程序重定向的過程：i.mx51冷啟動后，NAND FLASH控制器中有2K 的SRM會被用作boot RAM，根據硬件設計如果支持從NAND FLASH啟動的話，i.mx51會將NAND FLASH中的前2K的數據自動拷貝到NAND FLASH 控制器中的 RAM中，并且自動跳轉到該2K RAM的開始地址 0xD0000000開始執行。bootloader固件被燒寫到NAND FLASH的0地址處，所以bootloader的前2K代碼被拷貝到0xD0000000。

2.2 特殊的驅動程序設計

能效監測終端的軟件基于Linux系統設計完成，而典型的Linux系統框架具備常用的串口UART驅動、FLASH驅動等。但是對于較為特殊的以太網驅動、433MHz驅動，需要做特殊的驅動程序設計，特征如下：

a）本文所研究的能效監測終端在以太網通信上有較特殊的要求，因此需做特殊的移植和修改，使得以太網的驅動支持直接收發以太網數據包。基本思路為保持原有驅動框架不變，（1）加入以太網讀寫接口；（2）修改以太網數據發送接口，截斷原來的發送數據接口；（3）修改以太網數據接收接口，使得數據接收后不直接向上層遞交而是送入自定義內存中。

b）433MHz的驅動實現為字符型驅動，驅動的工作流程為：初始化設備即初始化對應管腳并使能中斷；按照433MHz的通信協議構建數據包并發送給無線基帶芯片Si4432；當Si4432接收到數據與協議包格式不符時，產生中斷，重發數據。

2.3 GUI中間件

為了實現需求側管理，顯示交互是終端必備的功能。本文研究實現了基于framebufer的輕量型GUI中間件，是下一步編寫圖形應用程序的基礎。本文實現的輕量型GUI中間件，具有如下的幾個組成部分：

1）用戶交互模塊，為應用程序提供API接口函數，屏蔽了GUI的實現細節。

2）對象管理，實現對窗口環境中的邏輯對象的組織管理。包括對象的添加和刪除，GUI窗口顯示的維護，如窗口切換、焦點切換、對象的隱藏和恢復等操作引發的對象屬性的更新，還有對不同控件的各種事件的響應。

3）基本圖形組件，實現了對顯示輸出設備的操作。一般獨立于具體的設備驅動程序，與物理設備之間形成“設備抽象層”。

4）消息驅動機制，負責GUI的消息接收和與其它任務的通訊以及消息隊列的維護。

5）定時器及顯存管理，定時器用于向服務器發送定時器消息，主要用于消息隊列的管理和定時等。顯存管理主要用于消除顯示過程中出現的屏幕閃爍現象。

消息驅動機制是輕量型GUI中間件最大化利用有限資源實現GUI操作的重要手段[3]，硬件設備（比如按鍵）產生動作事件，系統生成消息，消息分發至對應的消息處理任務。在未收到消息時，消息處理任務維持消息隊列循環等待，如圖4所示。

GUI中間件采用了客戶/服務器的工作模式，為了減輕服務器端的負荷，本文的GUI只是把輸入設備事件處理和顯示輸出任務交給服務器，以此提高執行速度[4]。

應用程序調用GUI中間件的圖形庫、組件庫等，調用機制與windows的消息響應機制類似。如調用圖表繪制組件，應用程序前端顯示刷新組件，應用程序后端進入消息循環，等待數據處理任務的消息，實現數據的響應刷新。

2.4 應用程序及數據傳輸協議

終端具備三大主體功能：數據采集、數據處理和存儲、數據顯示與通信。借助硬件和底層軟件的支持，應用程序實現流程如下圖4。

應用程序由圖形顯示模塊、服務器交互通信模塊、數據采集模塊、數據分析和存儲模塊、異步數據通信模塊等組成。其中，與服務器采用優化的JSON協議作為基礎協議，實現數據的實時同步更新。

JSON是一種輕量級的數據通信協議，一定程度上類似XML協議，但支持的數據格式更加廣泛，通信更加高效[2]。終端實現JSON協議解析，主要依靠兩個解析類實現：JSONObject和JSONArray。其中，JSONObject用于把對象型的JSON數據轉化成JSONObject對象，然后使用 get系列方法獲取對象屬性的數據，最常用的方法是getString；JSONArray用于把數組型的JSON數據轉化成JSONArray對象，該類所提供方法和JSONObject類基本相同，只不過其中采用的get系列方法的參數都是整型，代表數組型數據的位置索引。

各功能模塊實現為輕量級線程，線程間采用管道、信號量等進行通信。借組MySQL數據庫實現對能耗數據的存儲。

終端做為需求側管理的終端設備，需要維持與后臺主站的穩定網絡連接，此部分采用獨立的線程負責處理網絡連接，監測連接狀態，斷線重連；采用獨立的數據收發線程，避免數據的擁塞，提高響應的實時性。

數據的變化，均在界面定時器的統一調度下，進行顯示的同步以及按鍵操作的響應。

3 終端軟件優化

對能效監測終端而言，因為其數據集中度高，且頻繁進行數據通信，因此優化軟件實現，提高性能是十分重要的工作。結合實際研發過程，對所涉及到的軟件優化技術進行介紹：

1）異步通信優化[5]：在能效監測終端的數據流向中，采集數據通過網絡傳輸至服務器，通常比較耗時，同時本地顯示的響應卻很快。正確的做法是在新的線程中準備好數據，然后再通知主線程異步的獲取數據并顯示。

2）避免內存泄露[5]：內存泄露指的是由于某些原因導致系統內存過度消耗的問題。在內存資源有限的能效監測終端中，內存泄露尤其重要。避免內存泄露的方法在本文所研究的能效監測終端軟件中包括：程序邏輯的內存泄露，即注意新創建對象在使用完后一定要銷毀，即使設置為NULL，也不能保證系統垃圾回收器能夠回收這些對象的資源；在存儲數據時使用到了數據庫，在使用數據庫時如果沒有關閉游標，將會造成系統運行速度變慢；位圖資源在不使用時，應該先調用recycle方法釋放內存，然后再將其設置NULL。

4 結語

本文對需求側管理型能效監測終端的設計進行了深入研究。通過對終端的軟硬件進行方案設計，并最終實現了的軟硬件設計。在實際應用中，需求側管理型能效監測終端，不僅具備能效數據采集基礎功能，同時還具備能效數據圖形化顯示，遠程監控，需求側響應功能，可用于實現依據能效情況安排生產調度，實現能效預警等功能[6]。

參考文獻：

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[2]楊志榮.節能與能效管理[M]，北京：中國電力出版社，2009

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[4]邱貼.Linux環境下Qt4圖形界面與MySQL編程[M]，北京：機械工業出版社，2012

[5]趙霞.嵌入式系統高能效軟件技術與應用[M]，北京：清華大學出版社，2012

[6]劉春霞.電力用戶用電信息采集[M]，北京：中國電力出版社，2012