基于ARM+WiFi的能耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)*

王文慶， 姚　曦

(1.西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710061;2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

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基于ARM+WiFi的能耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)*

王文慶1， 姚曦2

(1.西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710061;2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

針對(duì)大型公共建筑能耗實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，設(shè)計(jì)了一種基于LINUX操作系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)采集器。該采集器以S5PV210微處理器為核心，通過(guò)RS—485串口自動(dòng)采集智能電表終端數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi傳送給上位機(jī)。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了采集器的硬件電路，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集與傳輸驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸功能，設(shè)計(jì)了Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)XY194E系列智能電表的電壓、電流等電能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該采集器能夠?qū)崟r(shí)可靠地完成電量的采集。

ARM； 數(shù)據(jù)采集； 串口通信； WiFi； Qt

0　引　言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，建筑高能耗問(wèn)題日益嚴(yán)重，要求在全國(guó)范圍內(nèi)逐步建立各級(jí)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)，最終建立起全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)[1]。只有準(zhǔn)確提供我國(guó)建筑物能耗的具體數(shù)據(jù)，才能有效地控制建筑能耗。穩(wěn)定可靠的能耗數(shù)據(jù)采集器是獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的保證，而解決能耗數(shù)據(jù)的采集和傳輸問(wèn)題是構(gòu)建能耗數(shù)據(jù)采集器的關(guān)鍵技術(shù)[2]。文獻(xiàn)[3～5]提出的數(shù)據(jù)采集器是以單片機(jī)作為主控制器，其缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集器的處理數(shù)據(jù)速率低，穩(wěn)定性和精度不高，只能應(yīng)用在小數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集，裸機(jī)開(kāi)發(fā)，功能擴(kuò)展性不好，不具備可視化的窗口，不支持操作系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6,7]提出的數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)上傳是采用有線方式，有線通信布線復(fù)雜、組網(wǎng)不便、傳輸距離短等。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM技術(shù)和WiFi技術(shù)的能耗數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)RS—485串口通信自動(dòng)采集智能電表終端電量數(shù)據(jù)，然后通過(guò)WiFi將采集到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，完成電量實(shí)時(shí)采集和可靠傳輸。

1　能耗數(shù)據(jù)采集器總體設(shè)計(jì)

1.1數(shù)據(jù)采集原理

本文以分項(xiàng)能耗電量數(shù)據(jù)采集為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。智能電表和數(shù)據(jù)采集器之間均有標(biāo)準(zhǔn)的串行異步半雙工RS—485接口，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS—RTU通信協(xié)議進(jìn)行采集。MODBUS通信協(xié)議信息幀結(jié)構(gòu)由地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)、錯(cuò)誤校驗(yàn)構(gòu)成，主從查詢回應(yīng)方式如圖1所示。

圖1　主從查詢回應(yīng)方式Fig 1　Master slave query response mode

智能電表為從機(jī)，采集器為主機(jī)，主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求，從機(jī)應(yīng)答，從而實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的采集[8]。MODBUS-RTU傳輸模式的格式為8位二進(jìn)制編碼系統(tǒng)，一個(gè)數(shù)據(jù)幀格式包含1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，MODBUS-RTU消息幀格式如表1所示。

表1　MODBUS—RTU數(shù)據(jù)幀格式

1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要包括基表通信單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳單元和LCD液晶顯示人機(jī)交互單元。其中，基表通信單元通過(guò)RS—485完成對(duì)智能電表電量采集，采集到的電表數(shù)據(jù)傳輸給控制核心S5PV210；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元通過(guò)FLASH對(duì)采集來(lái)的電量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)傳輸單元將采集到的電量數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊發(fā)送出去；人機(jī)交互單元利用QT—CREATOR軟件進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)，并通過(guò)LCD液晶觸屏實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的界面顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig 2　Overall design of system

2　能耗數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)

2.1主控制器選擇

ARM控制器底板選用兩路USB接口，一路USB_OTG下載接口，用于下載燒寫啟動(dòng)程序，另一路USB_HOST接口，用于驅(qū)動(dòng)WiFi無(wú)線網(wǎng)卡與上位機(jī)通信。兩路串口，一路用于下載燒寫LINUX操作系統(tǒng)內(nèi)核和映像文件，另一路通過(guò)MAX3485復(fù)用成RS—485串口，用于數(shù)據(jù)采集器采集智能電表電量數(shù)據(jù)。

2.2串口通信電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器通過(guò)RS—485串口進(jìn)行采集智能電表數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中采用復(fù)用串口2以半雙工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)MAX3485芯片來(lái)做為電平轉(zhuǎn)接，利用MAX3485作為RS—485接口的低功率差分信號(hào)收發(fā)器，將TTL電平轉(zhuǎn)換為差分接口信號(hào)形式。RS—485串口通信硬件電路圖如圖3所示。

圖3　RS—485串口通信電路Fig 3　RS—485 serial communication circuit

2.3WiFi模塊電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器采集的電量數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi無(wú)線模塊傳輸至上位機(jī)。本系統(tǒng)無(wú)線接入模塊選用的是TP-LINK公司生產(chǎn)的TL—WN725N微型無(wú)線USB網(wǎng)卡，傳輸速度可達(dá)150 Mbps，使用11N無(wú)線接入技術(shù)，支持多種加密方式。此處需要對(duì)USB接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，USB接口電路采用FE1.1S作為控制芯片，通過(guò)ARM控制引腳XnhDP和引腳XnhDN進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

3　能耗數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計(jì)

3.1嵌入式平臺(tái)搭建

開(kāi)發(fā)軟件的LINUX系統(tǒng)為UBUNTU 14.04，而軟件最終是要在嵌入式目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，因此，就要求搭建一個(gè)適合系統(tǒng)運(yùn)行的交叉編譯環(huán)境，使編譯好的程序能夠在ARM平臺(tái)上運(yùn)行，嵌入式平臺(tái)的搭建主要包括交叉編譯環(huán)境、UBOOT、嵌入式內(nèi)核以及文件系統(tǒng)的裁剪和移植等。交叉編輯器的版本為arm-linux-gcc4.4.6，嵌入式內(nèi)核版本選擇的是linux-3.0.8，內(nèi)核根據(jù)S5PV210硬件配置在現(xiàn)成的內(nèi)核基礎(chǔ)上做增減和修改。根文件系統(tǒng)用來(lái)存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要的各種配置文件、庫(kù)文件以及相關(guān)工具軟件，文件系統(tǒng)選擇的是busybox-1.20.0，通過(guò)NFS掛載測(cè)試。

3.2WiFi無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)移植

LINUX內(nèi)核本身支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，但需要配置之后才能使用。配置內(nèi)核使其支持USB 2.0協(xié)議、IEEE 802.11協(xié)議、TCP/IP協(xié)議等。移植無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)分為安裝驅(qū)動(dòng)、設(shè)置WiFi做路由器以及動(dòng)態(tài)分配IP。

1)安裝驅(qū)動(dòng)。在官方網(wǎng)站下載源碼驅(qū)動(dòng)并解壓，編譯驅(qū)動(dòng)程序，修改Makefile：

CONFIG_PLATFORM_I386_PC = y

ARCH:=arm

CROSS_COMPILE := arm-linux-

KVER:= 3.0.8

KSRC:=/opt/kernel

編譯執(zhí)行make，得到8188eu.ko，把8188eu.ko復(fù)制到開(kāi)發(fā)板目錄，加載到內(nèi)核，執(zhí)行cat /proc/net/wireless 查看對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置出現(xiàn)：wlan0

2)設(shè)置WiFi做路由器。hostapd是一個(gè)開(kāi)源軟件，它能夠使無(wú)線網(wǎng)卡切換到master模式模擬路由器功能，修改Makefile，make，得到可執(zhí)行程序：hostapd。配置2G網(wǎng)絡(luò)：熱點(diǎn)名稱、密碼、加密方式、頻段、使用協(xié)議等。設(shè)置主網(wǎng)卡ip：ifconfig wlan0 192.168.137.1，將可執(zhí)行程序和配置文件復(fù)制到開(kāi)發(fā)板目錄，根據(jù)配置文件產(chǎn)生WiFi熱點(diǎn)。3)動(dòng)態(tài)分配ip。修改Makefile，make，得到可執(zhí)行程序：dnsmasq，配置網(wǎng)卡的接口、域名、續(xù)訂時(shí)間等，將可執(zhí)行程序和配置文件復(fù)制到開(kāi)發(fā)板目錄，根據(jù)配置文件給鏈接的客戶端自動(dòng)分配IP。

3.3串口數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

電量采集是通過(guò)RS—485串口與智能電表連接進(jìn)行通信的，本文采用的是MODBUS-RTU通信協(xié)議。串口通信通過(guò)配置波特率為、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度和奇偶校驗(yàn)初始化串口，然后進(jìn)行CRC校驗(yàn)。串口數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4　串口數(shù)據(jù)采集流程圖Fig 4　Flow chart of serial data acquisition

部分程序如下：

char *dev = "/dev/ttySAC1";∥選擇需要打開(kāi)的串口

fd = OpenDev(dev);∥打開(kāi)串口

init_ttyS(fd,9600,8,1,’N’);∥串口初始化

rcv_lenth=RTU_ReadModbus(fd,0x01,0x0014,0x0003,rcv_buf);∥讀電表數(shù)據(jù)

3.4WiFi數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

采集的電量數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊上傳給上位機(jī)，WiFi數(shù)據(jù)傳輸流程如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig 5　Flow chart of data transmission

部分程序如下：

fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0)∥ 創(chuàng)建udp套接字socket

sendto(fd,send_buf,t,0,(struct sockaddr*)&serv_addr,sizeof(serv_addr))∥發(fā)送數(shù)據(jù)

3.5QT人機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)包括Qt開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建和Qt應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

1)Qt開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建：移植QT需要tslib 觸摸屏校正程序的支持，移植tslib，把tslib安裝好的內(nèi)容build-tslib拷貝到/opt/rootfs/home/build-tslib下，修改ts.conf的內(nèi)容，設(shè)置環(huán)境變量profile,添加tslib的環(huán)境變量。解壓QT源碼，進(jìn)行configure配置，編譯、安裝到/home/tarena/QT/build-qt下。

2)Qt應(yīng)用程序設(shè)計(jì)：Qt采用信號(hào)與槽機(jī)制，信號(hào)和槽通過(guò)connect()函數(shù)連接。一個(gè)應(yīng)用程序?qū)?yīng)一個(gè)工程文件，工程文件為caijiqi.pro,程序的整體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6　Qt應(yīng)用界面流程圖Fig 6　Flow chart of Qt application interface

Qt應(yīng)用界面如圖7所示。

圖7　Qt應(yīng)用界面Fig 7　Application interface of Qt

登錄界面keyboard實(shí)現(xiàn)觸屏鍵盤，username輸入用戶名，password輸入密碼，點(diǎn)擊login登錄，點(diǎn)擊cancel取消登錄。主功能界面主要的信號(hào)為按鍵的click()信號(hào)，對(duì)應(yīng)的槽函數(shù)實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢功能，中間空白窗口顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。Qt應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)調(diào)用QApplication構(gòu)函數(shù)進(jìn)行管理，主函數(shù)部分程序如下：

QApplication CaiJiQi(argc,argv);

CaiJiQi *caijiqi = new CaiJiQi();

caijiqi ->show();

return CaiJiQi.exec();

4　系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試前需要把ubuntu系統(tǒng)的tftp服務(wù)器和nfs服務(wù)器搭建好，用來(lái)加載新內(nèi)核和掛接網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試借助于串口調(diào)試工具SecureCRT和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手NetAssist。打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，建立UDP連接，選擇十六進(jìn)制接收，通過(guò)串口線把數(shù)據(jù)采集器與PC機(jī)連接，通過(guò)SecureCRT工具對(duì)系統(tǒng)的串口進(jìn)行調(diào)試，將LCD 型數(shù)顯多功能智能電表通過(guò)RS485接口的A,B口分別與采集器的RS—485的A、B口相連，采集的電量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線WiFi的UDP通信在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手中進(jìn)行顯示。連接示意圖如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)采集器與智能電表連接示意圖Fig 8　Connection between data acquisition device and intelligent electric meter

讀電壓發(fā)送指令：0x01 0x04 0x00 0x14 0x00 0x03 0xF0 0x0F，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示電壓測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　上位機(jī)顯示讀電壓結(jié)果

讀電流發(fā)送指令：0x01 0x04 0x00 0x1A 0x00 0x03 0x91 0xCC，測(cè)試方法同電壓。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，上位機(jī)接收到的電量數(shù)據(jù)完全正確。其中每組數(shù)據(jù)的第1個(gè)字節(jié)是電表的地址0x01，第2個(gè)字節(jié)是返回的功能代碼0x04，第3個(gè)字節(jié)是返回的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度0x06，第4～9個(gè)字節(jié)是接收到的數(shù)據(jù)，最后兩個(gè)字節(jié)是CRC校驗(yàn)碼。測(cè)試結(jié)果表明，能耗數(shù)據(jù)采集器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能電表電量進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，控制WiFi建立無(wú)線鏈路傳送到上位機(jī)進(jìn)行顯示。

5　結(jié)束語(yǔ)

以S5PV210為主控制器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了能耗數(shù)據(jù)采集器，該采集器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電表電量的采集、存儲(chǔ)以及傳輸功能，并通過(guò)LCD觸屏顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。與傳統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)采集器相比較，充分利用了嵌入式LINUX系統(tǒng)的開(kāi)源特性以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便，低成本，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且方便后續(xù)的功能擴(kuò)展。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和WiFi的不斷普及，這種基于嵌入式和RS—485總線加WiFi的能耗數(shù)據(jù)采集器在工業(yè)中也有重要的意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部,中華人民共和國(guó)財(cái)政部.關(guān)于加強(qiáng)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實(shí)施意見(jiàn)[J].上海建材,2007(6):3-4.

[2]王文慶,景明智,亢紅波.礦井監(jiān)控系統(tǒng)串網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(4):57-62.

[3]馬青,童子權(quán).基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與近距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)[J].中國(guó)科技信息，2009(4):178-179.

[4]劉倩,沈曉東,吳剛,等.一種基于單片機(jī)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器[J].電工技術(shù)，2001(10):8.

[5]杜偉略.基于AVR單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J].無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,10(2):53-56.

[6]談宏華,陳康,涂坦,等.基于AT89C51的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化，2005,11(6):55-57.

[7]盧進(jìn)軍.基于AT89C51的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南科學(xué),2014(8):1474-1477.

[8]劉暢,張永堅(jiān),李然然.公共建筑用電能耗的數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011,11(10):9-11.

[9]成潔，盧紫毅.Linux 窗口程序設(shè)計(jì)——Qt4精彩實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

王文慶( 1964-) ，男，北京人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能信息處理等方面研究。

姚曦，通訊作者，E—mail:815799091@qq.com。

Design of data collecting device of energy consumption based on ARM and WiFi*

WANG Wen-qing1， YAO Xi2

(1.School of Automation,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061,China;2.School of Communication and Information Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061,China)

To meet requirements of energy consumption real-time monitoring in large-scale public buildings,a kind of data collecting system of energy consumption based on the Linux environment is designed.The system uses S5PV210 micro processor as core.Data of smart meter terminal are automatically collected by RS—485 serial and transmitted to upper PC via WiFi.Hardware circuit of collector is designed and data acquisition and transmission drive program is developed data acquisition,storage and transmission are realized.Qt application program is designed and human-computer interaction is realized.Take XY194E for example,several parameters such as voltage,current are tested.Test results show that the system can complete electricity data acquisition reliably and real-time.

ARM,data collection;serial communication;WiFi;Qt

2015—11—11

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014K05—29);陜西省教育廳專項(xiàng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(14JF028)

TP 274

A

1000—9787(2016)08—0115—04

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0115—04