基于云計算技術的遠程節能控制平臺系統的設計

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(1.廣州工商學院 計算機科學與工程系， 廣州 510800;2.廣州城建職業學院 信息工程學院，廣州 510925)

0 引言

隨著我國社會的不斷進步和發展，目前人們最關心的就是能源問題，而這也已成為現代世界各國人們所關注的問題。由于我國電力資源比較緊張，對我國日常的生活、生產造成了阻礙，并且還影響了我國社會文明的進步和社會的發展。在我國用電過程中，家居及照明的占據比例較大[1]。城市交通中的紅綠路燈是現代城市在建設過程中的重要內容，其為人們的生產、生活和交通安全產生了重要的影響，同時，還能夠美化城市容貌，滿足人們對于視覺功能照明的質量需求，還能夠有效保證社會治安、交通安全及娛樂活動。目前，我國照明路燈數量在不斷的增加，其中的電量占據城市用電量比重越來越高，電力供應需求之間存在著多種矛盾。電力供應中的問題在短時期內無法有效解決，此種問題對我國經濟建設造成了阻礙[2]。因此，研究遠程節能控制平臺系統的設計具有重要的現實意義。

1 系統研究目標

1.1 進行云計算實時通訊服務的開發

采用高效的通訊技術，對大量的長連接問題與端口間、線程、進程間的通訊問題予以解決。研究與開發高效率的云計算遠程節能控制平臺及終端系統，將所接受的數據存儲至云計算中心的數據庫中，保證其能夠及時向客戶端分發。客戶端并無對專用軟件進行安裝的必要，用戶利用瀏覽器，在地址欄輸入相關網址進入實時操作與監控界面。平臺應能夠兼容普通電腦、平板以及手機等終端設備，用戶通過瀏覽器與網頁界面執行相應操作。界面應能夠任意制定，不同的用戶與站點所使用的界面可以有所不同。另外，平臺還應集成地理信息系統，實現在地圖中顯示站點位置等相關數據的功能。

1.2 設計云計算遠程節能控制平臺

在配置通信模塊之時應首先進行數據中心固定IP地址、采集數據命令以及采集時間間隔等必要參數的輸入，另外，還要具有遠程設置相關參數的能力。待通信模塊接收控制器發送過來的數據之后，將數據傳輸至之前設置好的網絡服務器中，利用端口映射服務向數據中心服務器轉發。

2 系統結構原理

遠程節能控制平臺屬于先進且簡便的職能系統，其能夠對家電的狀態進行展示，并且控制的過程較為靈活，使用此系統能夠利用鍵盤和鼠標實現遠程監控[3]。圖1為遠程節能控制平臺系統的設計結構。

圖1 遠程節能控制平臺系統的設計結構

通過圖1可以看出來，遠程節能控制平臺系統能夠利用云計算及互聯網技術執行控制任務，從而為系統提供網絡狀態實時檢測及數據檢索，系統主要包括計算機、以太網及控制中心，利用RS系統總線實現組網，對所有電器進行統一管理，創建網絡并且使用智能遠程控制，能夠有效加快系統進度，還能夠實現控制過程的自動化。遠程節能控制平臺系統在狀態檢測、數據管理、過程控制等方面功能都較為強大[4]。

值得一提的是，平臺基于物聯網云計算核心技術，用戶無需進行服務器的單獨建立，亦沒有拉光纖、設置固定IP等的必要，他們只需一臺能夠聯網的手機、平板、筆記本或計算機，便可實現對多個終端的監測與控制，數據在云端的存儲可滿足永不丟失的要求。通過專用的磁盤陣列存儲數據，平臺彰顯出高穩定性的優勢，同時，用戶只需支付少量的服務費用，投資低。平臺支持多種數據格式，可在管理端設定不同的數據格式，對不同品牌、不同設備的數據予以兼容。

3 系統軟硬件設計

3.1 系統硬件設計

圖2為遠程節能控制平臺系統的硬件結構，通過圖2可以看出來，控制平臺系統主要包括兩個模塊，分別為主電路及控制電路。

圖2 遠程節能控制平臺系統的硬件結構

其中的主電路通過相交調壓模式實現，主要包括驅動、電源、電流電壓等模塊?？刂齐娐分饕菍SP芯片作為控制核心，其主要目的就是實現電壓的智能控制算法、相關電壓、產生PWM等功能，DSP芯片屬于IT公司研制，也是一種電機控制專用的數字信號處理工具，能夠有效結合數字信號的處理運算能力及控制能力，達到有效控制系統中的信號[5]的目的。

1)主電路的設計：實現主電路設計的主要目的就是通過工頻電壓降壓，利用電壓對路燈進行供給，通過相交結構實現這一功能。圖3為主電路拓撲結構。

圖3 主電路拓撲結構

其中:S1屬于主電路交流接觸器，S2是一種旁路交流接觸器，S3和S4是一種斬波交流接觸器。主電路在工作過程中的主要流程為：首先S1閉合，之后S2閉合，這個時候啟動路燈，在十分鐘左右S3和S4同時閉合，期間S2閉合五分鐘，之后斷開，此時智能節能模塊進入到工作狀態，系統也就自動進入到智能節點狀態[6]。

2)控制電路的設計：硬件電路的核心就是智能節電模塊，該模塊能夠實現電壓的控制，還能夠實現系統工作狀態的監控，完成參數設置和系統狀態的傳輸。DSP控制板的核心就是DSP芯片，包括時鐘、電源、仿真接口及復位電路[7]。圖4為控制電路的結構。

圖4 控制電路的結構

硬件系統通過智能模糊控制策略實現，在此過程中要求數據的計算工作量比較大，并且要求精度較高，為了使系統的實時控制得到有效的保障，還要在一定程度上確保CPU計算速度的加快。為了實現系統外圍電路的有效降低，要求芯片進行A/D轉換電路及輸出電路的繼承[8]。

其中，電源管理模塊在電源轉換芯片的作用下能夠實現電壓轉換，以此向DSP供電。電源轉換芯片是一種微功耗的低壓差穩壓器，其能夠對微處理器的復位功能予以有效降低，具有接口電路較為簡單的優勢。

在進行系統設計過程中，選擇時鐘電路晶體也非常重要，因此本文在進行設計之時，要通過無源晶體振蕩器，有效連接引腳[9]。圖5為DSP的振蕩電路。

其中，JTAG控制器能夠實現程序代碼的下載，并且還能夠有效控制運行，對現場進行全面的觀察，這種方法就屬于調試方式。JTAG是一種邊界掃描技術，其主要目的就是實現在線測試需求，其能夠利用串行以為輸入輸出加載輸出端代碼的序列，還能夠有效獲得輸出端的響應序列。圖6為JTAG的接口電路設計。

圖5 DSP的振蕩電路 圖6 JTAG的接口電路設計

3.2 系統軟件設計

系統軟件設計是利用網絡對用電設備的存在與否進行檢測，并且檢測使用哪種方式實現控制，圖7為系統的軟件流程。

圖7 系統的軟件流程

全面考慮嵌入式微處理器內存資源存在一定的難度，本文在實現系統設計過程中使用通過裁剪得到的TCP/IP協議棧，測控功能是利用UDP層實現數據的傳輸。為了使設備能夠在任何內網中使用，就要在此系統中實現P2P協議的創建。P2P技術能夠使網絡體系模型進行轉換，從而滿足系統需求，此外，還能夠實現分布式數據共享及數據庫，以此有效提高網絡速度[10]。圖8為P2P的數據幀格式。

圖8 P2P的數據幀格式

1)運行控制：運行控制屬于軟件系統的核心，其主要目的就是實現通信控制及控制命令的接受和發送，并且全面分析數據及處理故障，單片機和計算機之間通信使用自定義通信協議實現，此協議主要包括命令、地址信息、數據信息，每個單片機都具有唯一地址。圖9為單片機控制的流程。

圖9 單片機控制的流程

單片機通過定時器實現電燈開關的控制，并且收集狀態數據，接收控制主機所發送的命令及指令，以模式及自身狀態全面控制實驗檢測，在實現單片機檢測控制過程中，要進行主機命令的接收，并且根據命令中地址及自身地址做出對比，之后進行響應[11]。

具體地，開始運行之后，單片機系統會首先進行初始化處理，等待上級發送命令。若無命令發出，則一直重復等待動作，若有命令發出，則做出采樣或開關的選擇。

如果選擇為采樣，則需進一步判斷是否能夠采樣，可以則發出采樣命令，不可以則直接發送已采集數據的命令。采樣命令發出之后，則對系統是否做出響應進行判斷，若響應已做出，則采集數據，將其傳送至寄存器，并發送已采集數據的命令，若系統并未做出響應，則需將其認定為采樣故障，進行相應的處理。針對發送了的已采集數據的命令，系統需統一進行循環控制與定時處理，處理完成之后繼續重復接收上級命令，做出采樣或開關的選擇，進而重復相應處理的循環性工作。

如果選擇為開關，需決定是否對開關選擇做出處理，若選擇停止，則停止處理，若選擇處理，則需首先啟動預處理，然后進行狀態的檢測。如果系統的預處理工作正處于運行過程中，則需對處理工作進行重置，之后進行循環控制與定時處理，如果系統預處理工作并未運行，則需啟動處理工作，進行循環控制與定時處理。處理完成后，同樣繼續重復接收上級命令，做出采樣或開關的選擇，進而重復相應處理的循環性工作。

系統運行的控制利用VB語言進行編程，其主要目的就是實現數據庫的數據收集、處理及更新，要求全天不斷的運行。所以，程序利用VB實現多任務和多線程編程，將其運行控制和數據管理都成為獨立進程，而且還要實現數據管理過程中運行進程調用及開關，在系統運行過程中實現數據檢索及燈盤的控制。圖10為系統運行控制的流程。

圖10 系統運行控制的流程

具體地，在開始運行之后，需首先對系統數據進行初始化處理，然后檢索燈盤數據，若未檢測到燈盤數據，則結束運行，若有燈盤數據被檢測到，則發出電壓、溫度采集命令，觀察系統是否做出響應。若沒有響應，需認定為電壓、溫度故障，進行相應的處理，若有響應，則對電壓與溫度數據進行處理，然后選擇燈盤進行控制，得到對應的處理數據。如果數據處理的后續命令為啟動或停止，則執行啟動或停止處理的操作，若后續命令為采樣，則發出數據采樣命令，觀察系統是否做出響應。若未響應，則認定為采樣故障，進行相應處理，若做出響應，則處理采集的數據，并對下一步運作狀態進行設置，重復進行燈盤數據檢索與后續處理，直至完成全部的燈盤處理任務。

2)系統的故障維護：在實現系統設計過程中，要求能夠保證系統的可靠性及穩定性，在數據恢復及故障方面都要進行特殊處理。

如果控制子機出現故障，那么系統就會多次重新發送命令，如果沒有響應，那么系統就能夠正常運行，并且不再繼續控制此故障，對通信故障設備進行記錄和標記，并且實現警告提示的發送，在修復故障之后，通過恢復模塊實現設備控制。

如果控制主機硬件及系統出現故障，那么系統會按順序進行巡檢方式，也就是系統在檢測之后就會立即將數據進行傳輸和存儲，之后進行下個模塊的檢測。在系統出現此種故障的時候，要將備用機進行啟動，并且對此系統進行檢測，從而避免數據出現丟失的問題[12]。

3)系統的數據管理：數據管理的主要目的就是使用戶能夠對檢測系統進行有效的操控，其還能夠實現數據存儲、分析。為了有效降低數據庫存取對軟硬件的要求，遠程節能控制平臺將SQL Server2000作為后臺數據庫平臺，進行各類信息的存放，SQL能夠有效處理數據，從而有效提高數據兼容性及穩定性。

數據管理的檢測部分能夠有效檢測電燈，使用圖形將電子地圖進行展現，使用實時監控等方式將電燈老化的過程進行充分的顯示，從而創新傳統系統無法有效觀察電燈老化的問題。

數據管理中的數據處理能夠實現電燈信息的查詢、檢索、統計和報表的打印。

數據管理中的燈盤控制能夠有效控制燈盤，包括暫停、啟動、復位、恢復和故障恢復等。

數據管理過程中數據庫的連接十分重要，利用微軟公司推出的Web應用程序開發技術(ASP技術)，能夠建立與運行高效、動態的服務器端的應用程序，除了無關于瀏覽器、開發簡單、能夠提高源程序代碼保密性等優點之外，ASP技術在Web數據庫的開發方面亦具有明顯的優越性。ADO向ASP對Web數據庫的開發提供支持，在ASP中，ADO是一組優化的訪問數據庫對象集，如果腳本發出請求進行數據庫的訪問，可通過ODBC同后臺數據庫建立起相應的連接。ADO執行訪問操作，ASP腳本解釋執行于服務器端，它根據訪問數據庫的結果集可以自動生成與HTML語言相符的主頁返回給客戶端用戶。

4 實驗結果與分析

系統測試屬于系統開發過程中尤為重要的部分，其中的軟件測試就是對此軟件性能及功能是否滿足開發需求進行判斷，就是找到系統中的錯誤，在測試過程中，要將系統數據作為驅動，測試用例包括輸入的數據及預期的結果。在測試過程中要使用交叉測試，從而避免出現測試失誤的情況。

圖11 基于經驗反饋的系統測試模型

在本文測試過程中，通過對節能控制平臺系統測試的特征進行充分考慮，提出一種適用于系統測試的基于經驗反饋的測試模型，如圖11所示。第一，本模型全部環節均要求進行測試經驗的實時與步步反饋，動態調整性突出。通過對反饋回來的經驗進行總結，得到多種知識集合，提供依據于系統的調整與改進；第二，模型需突出測試人員在測試過程中的作用。測試人員的綜合素質會對測試結果與效率產生顯著的影響，該測試模型強調測試人員的培訓，具體包括專業知識培訓、測試心理培訓以及溝通技巧培訓等。經過嚴格培訓的系統測試人員可對人員流動與流失給整個系統工作造成的沖擊產生緩沖作用，保證整個開發與測試環節的連續與有序運轉；第三，測試經驗在系統測試中的作用十分重要，有經驗的測試人員與沒經驗的測試人員差別極大。遠程節能控制系統測試具有特殊性與規律性，例如采用錯誤推測法進行測試時的常見錯誤、采用白盒測試法自定義結構的測試等都是寶貴的財富，有利于測試效率的提高；第四，強調錯誤推測法、正交實驗設計法在系統測試中的應用，模型以經驗反饋為基礎，測試經驗正是這些方法實施的關鍵因素。

通過對系統的測試表示，本文所設計的系統操作簡單、能夠全面記錄數據及信息，并且控制的方法較為靈活，還能夠實現數據信息的及時處理，從而有效提高系統的監控效率[13]。

5 結束語

節能環保屬于經濟持續發展的主要內容，電燈屬于現代生活消耗能源的重點，對其進行降低能源消耗具有重要的意義。本文就全面考慮了系統節能，從多方面實現了基于云計算的節能控制系統設計。最后通過系統測試表示，本系統能夠滿足節能需求，具有一定的發展空間及使用價值。