（计算机应用技术专业论文）高校学生公寓用电管理系统.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：4 生 皇望 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：盐巴l 4 l| 日期：堡芝：墨：! 竺 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的来源和背景 高校学生在校尘活，四点线，教室、食堂、宿舍、操场，而学生在宿舍的 活动( 包括睡眠) 时问最长。随着高等学校后勤社会化改革的不断推进，各高等 院校积极利用社会资金，通过多种渠道建设了一批又一批现代化、智能化的学生 公寓。当今高校学生公寓的用电状况也发生了革命性的变化，公寓内的配置不 仅能够满足学生的基本生活需求，而且装有电热水器，备有电话、电视和电脑高 速网络终端，有的室内还留有空调插座等等。这些用电设备需要比较完善的用电 控制和管理系统，否则会造成学校的用电量剧增，电费增加，经济负担加重。更 值得提及的是被称之为恶性负载的电炉、电褥子、床头灯等也被带进了宿舍，这 给宿舍的安全带来了很大的隐患囱。随着嵌入式系统的快速发展，它在电力系统 的应用面也在逐步拓宽。传统的对学生宿舍采取限电流、定时断、送电的供电方 式已不适应，高校学生宿舍用电商品化已势在必行。为了能够有效地控制和管理 学生用电的浪费，实现用电量的有效控制及限时供电控制，能方便地收取学生基 本用电量之外的电费，对学生违章用电能实现自动化控制，设计和生产出稳定实 用的用电管理系统具有良好的科研价值和市场前景b 1 。 长期以来，我国高校学生公寓用电基本上是实施免费电量供应，即“大包大 揽，统收统支 。这是一种被动的管理模式，学校只能在每月底才能知道公寓的 用电状况，而且由于校园面积大，学生公寓较多且比较集中，漏电、偷电、超负 荷用电时有发生，从而造成学校用电量大增，经济负担极重，学校财产和资源在 无形中大量流失。这种用电模式导致各高校公寓用电状况一直不能有根本改变， 问题主要集中在b 蜘： 1 、一些房间不良用电造成浪费。由于学校大包大揽，统收统支，学生无用 电经济责任，电脑2 4 小时开机上网，长明灯大量存在，造成学校电量浪费。 2 、一些房间违章用电，火灾时有发生。部分学生为了方便自己，在房间内 使用大功率的用电设备，如电炉子、热得快、电熨斗等，造成超负荷用电，引起 火灾，给学校后勤用电安全管理带来隐患。 3 、电量、电费快速增长，经济负担加重。近几年来各高校电量增长较快， 究其原因，除正常用电增长外，部分是非正常增长造成大量浪费，其根源与各高 校目前的用电模式有较大的关系，因而改变这种用电模式势在必行。 根据以上现状，目前有的高校对学生公寓进行了限流定时的供电管理方法， 并有大部分地区的高校已经采用或即将采用开放用电、超额收费的办法。这样一 北京化工人学硕? l ：学位论文 来，解决了供电与用电之间的矛盾，同时也减轻了学校支付高额电费的负担，但 在用电安全和用电节约上仍存在着诸多矛盾和隐患，如由于用电的放开又使得电 炉子和热得快等大功率用电器大量进入学生公寓，给高校后勤的安全用电管理增 加了难度日1 。此外，实施用电收费管理，必将带来大量的人工抄表统计收费工作， 而传统抄表方式的时效性差、统计工作量大、交费手续极为繁琐、易产生错抄、 漏抄和估抄等现象，又造成了管理与实施的矛盾。因此如何建立一套科学完善的 用电管理系统一直是各高校用电主管部门急待解决的问题。 1 2 当前高校用电管理的现状 为了解决高校用电管理中的新问题，预付费电表、i c 卡电表、红外无线式 抄表、电力载波等许多新的用电管理方法在高校的学生宿舍得到了推广和使用， 并取得了一定的管理效果。 预付费电表、i c 卡电表虽然实现了学生自主购电，但是购电和加电过程相 对烦琐，特别式i c 卡电表还要增加额外的i c 卡费用，而且在高校中，往往实行 新入住的学生购买新卡的办法，此外，i c 卡经过长时间使用的损坏因素和丢失 因素，都在一定程度上增加了学生的费用负担和用电上的不便。更为重要的是， 这些管理方法仅仅局限于售电等基本管理，没有从根本上实现实时监控用电参数 和总体用电情况，更不能详细的监控具体房间的用电情况和实现控制功能，因此 还不能成为管理系统，更不能从根本上解决高校用电管理中的新问题噶，。 电力载波技术是一项新发展起来的技术汐1 。电力载波监控系统由控制中心、 信道、终端机构成，主要功能为遥信、遥测、遥控。控制中心的中央机系统为主 控制系统，用户c t u 可在中央机系统的管理下，实现对用户用电情况遥信、遥 测、遥控。c t a 可以与无线电台、电信网连接。中央机系统向全体用户终端c t u 或部分用户c t u 和t t u 或单个c t u 和1 1 发出指令，传送数据，控制c t u 完成各种任务，同时可搜集用户1 w 用电信息并存入服务器数据库，中央机系 统中的监控机可以定时向用户发出指令，也可以随时接受后方机的命令向c t u 和1 u 发出指令，后方工作站通过网络服务器和前方机进行信息交换。电力载 波技术虽然很好的实现了远程抄表和集中管理的效果，但是其改造成本相对较 高，智能化水平不高，技术相对不够成熟，干扰较大，性价比不高，管理功能相 对有限，在很大程度上仅实现了自动抄表和简单管理的功能。 总之，目前高校用电管理有了很大的进步，但很不完善，还不能够从本质上 形成系统，还不能很好的实现用电管理。 2 第一章绪论 1 3 课题的提出及意义 我国的民用和城市小区用电管理系统已经有很多比较成熟的方案，而大学公 寓的用电管理却才刚刚起步，基本上还是小区管理模式的简单移植们，很大程 度上不适合学校用电管理的实际要求。针对以上情况，如何结合高校的特定情况、 学生公寓用电的实际特点以及现代电能管理的发展趋势，将电能记录、违章用电 处理、电能监测和电网负荷分析功能结合起来，实现合理用电与科学观点相结合 的目的，成为摆在我们面前的一个迫切问题。随着计算机技术、通信技术、信息 技术的不断发展，解决这一问题的时机日渐成熟。 1 3 1 嵌入式系统 嵌入式系统是用来控制或监视机器装置或工厂等的大规模系统的设备，具体 来说是电脑软件和硬件的综合体，是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬 件可裁减，能够适应实际应用中对功能可靠性、成本体积、功耗等严格要求的专 用计算机系统。嵌入式系统使用的不是通用型计算机，而且运行的是固化的软件， 终端用户很难或者不可能改变固件，这就大大加强了系统的可靠型和保密型。 l i n u x 是i ，r 界家喻户晓的一个名字。由于l i n u x 自身具备一整套工具链，容易自 行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，l i n u x 内核的完全开放，使得可 以自行进行设计和开发真正的硬实时系统和软实时系统，强大的网络支持也使得 可以利用l i n u x 的网络协议栈将其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈，因此， 将l i n u x 应用于嵌入式系统的开发将有着显著的特点1 。 1 3 2 数据安全 数据的安全性是当今研究和关注的重点，特别是在网络上传输的数据信息随 时都可能受到非法存取、盗听、篡改甚至破坏等威胁。为了保证网络的安全性问 题，必须保证数据的安全传输和安全访问。 网络隔离技术是保证数据安全访问的一种有效方法n 羽。网络隔离系统是一 种在网关处实施的，将内部可信网与外部不可信网隔离的物理隔离系统，它的两 端分别与内部网络和外部网络相连接，保证了数据安全。网络隔离系统应该实现 以下几种功能：内外网络之间的隔离，保证内外网在任意时刻都保持物理传导和 物理辐射意义上的断开，即确保外部网络不能与内部网络有任何形式的连接，防 止内部网络的信息通过连接泄露到外部网络，并且确保内部网络信息不会通过电 3 北京化工人学硕 ：学位论文 磁辐射或耦合方式泄露到外部网络；内外网络之间可进行完全可控的数据交换； 数据交换过程应当采用专用封装协议；能抵抗多种类型的攻击；具备完整的安全 策略设置；能进行高速的数据交换；支持多种网络传输协议；具备内容审查、防 病毒等功能。 数据加密技术是保证数据安全性的一个重要方法羽。数据加密技术是对信 息进行重新编码，从而达到隐藏信息内容，使非法用户无法获得信息真实内容的 一种技术手段。数据加密是在数据处理过程中将敏感数据转换成不能识别的乱 码，还原的过程则称为解密，数据加密解密过程是由算法来具体实施的。在目前 加密技术中，密钥的加密算法是比较常用的加密技术，具体可以分为两类：常规 密钥加密即对称加密技术，例如d e s 算法；公开密钥加密即非对称加密技术， 例如r s a 算法。更高级的加密技术包括遵循a e s ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 标准的r i j n d a l 加密算法，以及混合加密技术等等。在网络加密技术中，主要有： 链路加密、节点加密，端对端加密等3 种方式，分别在o s l 不同层次实现。公共 数据信息在网络中的安全传输，越来越成了人们关注和研究的重点。随着网络技 术的发展及网络安全研究的发展，数据加密技术必将作为实现网络环境下数据安 全的一种重要手段。 1 3 3 数据库技术 数据库技术的不断成熟、数据库管理软件不断的完善，都使得数据库技术得 到了更加广泛的应用n 钔。特别是关系数据库技术的不断成熟，发挥出其简单、 灵活易用的优点；其关系数据语言具有较好的非过程化特性，可以面向非专业用 户，同时应用系统的开发效率也大大提高；较高数据独立性使得应用程序不必关 心其物理存贮细节，不受存贮结构变化的影响；易于实现对数据库的重组和控制， 简化了数据库管理员的工作；易于实现各种不可预计的随机查询，从而对管理决 策活动中数据库应用提供较好的支持；理论基础好，数据库的研究更加科学化， 尤其在关系操作的完整性，规范化及查询优化等方法，为数据库技术的成熟奠定 了很好的基础。典型的数据库管理软件例如s q ls e r v e r ， o r a c l e ，a c c e s s 的功 能越来越完备。这都极大的方便了数据的管理、分析、统计和应用，使得数据库 技术无处不在，应用到了生产生活的每一个领域。 如果可以综合网络技术、数据库技术、数据安全技术、嵌入式技术等等，将 其应用到高校的用电管理系统种，充分发挥这些先进技术的优点，将对高校公寓 用电管理的现代化起到积极的推动作用，取得十分显著的管理效果。 4 第一章绪论 1 4 用电管理系统的基本构成 用电控制与管理系统一般由以下几个部分构成：底层采集子网，电能表，远 程传送网络，管理中心。对于采用不同技术实现的系统，各部分具体构成会有所 不同。 1 4 1 底层采集子网 在用电控制与管理系统中，底层采集子网是以抄表集中器为控制端，以采集 表计( 电能表) 为节点的网络。网络中的通信由集中器定时发起，由该网络与电 能表连接，因此该网络的拓扑结构，通信介质直接影响到通信的质量和速度；同 时考虑到系统方案可行性，还需要结合网络布线的工程可行性和经济性。对于采 用全自动化抄表技术的用电管理系统而言，底层采集子网与电能表直接通信，完 成指令和数据的传送。当前，应用于自动抄表底层采集子网的技术主要有以下几 种： 1 、现场总线别 现场总线自2 0 世纪8 0 年代产生，目前应用比较广泛的有：f f 现场总线， c a n 总线，h a f 总线，p r o f i b u s ，l o n w o r k s 等几种技术，而能应用于自动 抄表领域的只有l o n w o r k s 总线。l o n w o r k s 被誉为通用控制网络。目前它以广 泛的应用于楼宇自动化、家居自动化、工业控制等行业，具有独特的优势。其采 用将l o n t a l k 协议封装在称之为n e u r o n 的神经元芯片中而得以实现。集成芯片 中有3 个8 位c p u ，采用这种芯片开发系统显得很复杂，难度大。而且成本高。 从网络布线来讲较之r s - 4 8 5 、以太网络要专业、复杂的多，对普通工人来说较 难完成，而且现场总线网络所使用的设备都比较昂贵，设备维护费用高，并且需 要专业人员。 2 、电力线载波通信就是在电力线路上利用调频或调相等方法来传输信息， 它具备了充分利用现有资源，易施工、满足相对分散装表，综合成本低、不受环 境条件限制等优点n 仞，主要有以下几种方式： ( 1 ) 窄带电力线载波通信，传统应用中抗干扰能力比较弱，传输距离比较 短( 一般在2 0 0 米以内) 。 ( 2 ) 扩频载波通信经过扩频的数据编码，可以抑制阻塞和干扰，降低选择 性衰减，且抗干扰能力强，但这是以牺牲带宽为代价的。而且依然存在信号衰减 快、不能穿越变压器的弱点。 ( 3 ) 电力线超低频载波通信，它有以下几方面的优点：窄带和低功耗( 2 w ) ， 5 北京化_ t 人学硕i ：学位论文 且各个发送器同时工作：每个发送器只须发送数据，接收器接收站内所有信号； 发送设备简单、安装方便：信号传输距离长，安全可靠。但速度极低( 1 b i t 2 4 0 0 s ) ， 不适用于实时性要求高的地方。 3 、r s 4 8 5 总线 r s 4 8 5 标准是一种多发送器的标准，允许在电路中可有多个发送器和多个 负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元。它具有很强 的抗共模干扰能力，传输速率高，传送距离远。目前已在许多方面得到应用，尤 其是在多点通信系统中，例如以半双工通信的多站互联通信网以及工业集散分布 系统等。r s - 4 8 5 总线只使用一对双绞线，其数据信号采用差分传输方式，也称 作平衡传输，有正电平、负电平高阻三态。收、发端通过平衡双绞线对应相连， 当接收端之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于2 0 0 m v 时，输 出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在2 0 0 m y 至6 v 之间。此 外，双绞线价格低廉，工程成本很低，尤其是开发电能表时一般要求造价低，用 r s 4 8 5 接口是个实际的选择。 1 4 2 电能表 电能表自从诞生以来已经走过了一百多年的历史，现在还普遍使用的机械式 电度表，其制造技术已经相当成熟，但由于精度较低且功能单一，只能采取人工 抄表然后上报汇总的管理模式。这种模式已经不能适应现代自动化电能管理的要 求。在机械式电度表基础上发展起来的机械电子式电度表给用电计量带来了很多 方便，但仍然不能满足高精度和自动化用电管理的要求。随着电子技术和计算机 技术的发展，在二十世纪七十年代末期出现了电子式电度表，它除了具有精度高、 体积小、重量轻等优点外，还可以实现诸如有功功率、无功功率、功率因数等参 数的测量，并且使用电管理的自动化成为现实u 7 1 。 1 4 3 远程传输网络 远程传输网络是以抄表系统集中器为节点，供电管理中心为主控端的网络。 这层网络的选择是用电控制与管理系统的重要环节，必须考虑到数据传输安全 性，可靠性，工程施工可行性和经济性等等因素。随着通信技术的发展，用于远 程传输数据的手段日益增多，在用电控制与管理系统中应用较多的技术有：无线 短消息方式、电力线载波、因特网技术等。 l 、无线短消息技术 6 第一章绪论 无线短消息可采用g s m 网络或g p r s 网络，在很多无法用拨号或专线联网 的地方来完成数据传输的场合且自建无线发射接受系统又不合算的情况下，无线 短消息数据传输装置便显示出其强大的优势。对于用户来说，无线短消息数据传 输装置的使用也极为简单，用户只需购买电信或移动的标准s i m 卡插入数据传 输装置就可以启用数传功能。无线短消息技术还具有存储转发的特性，避免了接 受端由于通信受阻或设备故障而造成的信息丢失，保持通信的可靠连接。但无线 短消息通信仅限于一个消息，而且一次通信( 传送) 的数据量小于1 4 0 字节。 2 、超低频电力线载波 在电力线载波技术中，能用于远程传输的只有超低频载波通信技术。它采用 移频键控( f s k ) 方式，传输频带远小于1 h z 、传输频点却多达几千个的信号。 载频在一百赫兹左右，信号在这一频段上传输效果非常好，线路的长度和功率因 数补偿电容几乎对信号传输没有影响。而且各相之问的交叉干扰极小，一个频率 可以在多相复用。在甚低频段，噪声以各种方式出现。通常高频噪声由开关、电 刷等引起，低频噪声则主要由感应电机或非平衡负荷电机产生。这些噪声可以通 过藕合和调制等方法使之最小。但由于带宽极窄，一般的滤波器无法从中选择信 号，因此在接收端需要安装特别设计的滤波器。另外由于其传输速率极低，对于 用电控制这种有一定实时性要求的系统不很实用。 3 、因特网技术 在用电控制与管理系统中，利用以太网技术的远传网络是先由集中器组成局 域网，再接入远程网( i n t e m e t ) 的方式。局域网拓扑结构的选择一般采用众多星 型拓扑构成树型网络结构，中心节点是网络交换机，负责局域网中节点的通信控 制，向用户提供网络服务，以及与i n t e r n e t 互连。具体实施时需要为每个抄表集 中器分配局域网内，若干个抄表集中器连接到一个集线器，组成星型网络， 若干个集线器连接到一台交换机，构成树型网络。随着i n t e r n e t 的普及，接入 i n t e r n e t 的方法有很多，采用以太网方式接入是很主要的一种。 1 4 4 管理中心 管理中心一般由管理计算机，打印机等硬件构成，有专人负责维护。主要功 能一般是本地管理如：对用电用户信息入库备份、信誉等级控制以及备份用户用 电记录；提供查询、统计报表、打印报表；管理员信息管理。有的系统带有分析 功能：能根据抄表数据进行线损分析，对用电系统终端参数进行在线调配等。在 设计上一般采用v b 或v c 语言，和s q l 数据库等软件。设计时主要考虑数据安全 性和操作简便性。 7 北京化1 = 人学硕f ：学位论文 1 5 本论文主要研究内容 1 、构建以r s - 4 8 5 总线作为底层网络，综合应用以太网和因特网技术和嵌入 式系统的电子式电能表管理系统的整体框架，系统分为两层网络，三层设备配备 三层软件的分布式结构； 2 、设计用电管理系统的数据库； 3 、设计和开发基于嵌入式的现场控制柜； 4 、设计和开发用户用电管理系统管理中心软件，管理计算机作为客户端， 通过网络查询，读取预存其中的电表数据或者发送控制指令( 如售电、检查等) 。 同时实现历史数据存储、查询、数据汇总、异常分析、费用计算及票据打印等功 能，提高了工作效率和抄表的准确度。 5 、用电管理系统软硬件整体集成和测试，并将其应用在北京化工大学校园 管理中。通过应用该系统具备如下优点： ( 1 ) 远程自动抄表，节省大量人力资源； ( 2 ) 远程控制、监测电能表运行，提高用电安全性； ( 3 ) 远程售电，方便使用，便于推广； ( 4 ) 预付费，解决了相关部门收费繁琐的问题； ( 5 ) 自动报警、断电等控制功能； ( 6 ) 丰富的管理功能，管理软件具有对用户信息、用电信息进行备份、统 计、产生并打印报表、费用计算及票据打印、在线查询等功能。 8 第二章用电管理系统硬件设计 第二章用电管理系统硬件设计 本文综合应用r s 一4 8 5 总线技术，以太网和因特网技术，嵌入式技术，构建 了用电管理系统的整体硬件设备结构图，系统采用分布式设计，由二层网络、三 层设备组成。整个系统由学生公寓现场控制子系统、控制中心管理子系统、售电 子系统。整个系统的组成框图如图2 - 1 所示。系统的三层设备分别为：数字电能 表、嵌入式用电管理控制柜、主控计算机。 图2 - 1 系统总体框架图 f i g 2 - 1t h ef a m eo f t h es y s t e m 学生公寓现场控制子系统主要由用电管理控制柜、多用户柜( 箱) 式电能表 以及安装在用电管理控制柜上的现场控制软件等组成；控制中心管理子系统主要 由主控计算机、代理服务器、打印机以及安装在主控计算机上的控制中心管理软 件等组成；售电子系统主要由各校区售电室进行售电操作的计算机及售电软件组 成。 2 1 现场控制子系统设计及功能 9 北京化工人学硕：l ：学位论文 2 1 1 数字电能表 数字电能表可以实现对用户端计量用电子式电能表以r s 一4 8 5 通信的方式抄 表，能统计电压越限时间和电压合格率。能及时发现计量故障如电量飞走、停走、 超差、时钟异常等信息。能发现计量箱门打开事件。所有事件发生时能记录现场 的一些参数，供分析处理。 2 1 2 用电管理控制柜 近些年来掀起了嵌入式系统应用热潮，主要是因为嵌入式系统具有系统内核 小、专用性强、系统精简、高实时性、高可靠性等重要特点，并且具有非常广泛 的应用前景n 引。当前主流的嵌入式操作系统有：v x w o r k s ，嵌入式l i n u x ，p s o s ， w i n d o wc e ，c o s ，p a l mo s ，q n x 。其中，嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是指对l i n u x 经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百k 字节或几兆字节的 存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用l i n u x 操作系统。嵌入式 l i n u x 的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。本系统的现场控制子系统 对操作系统的要求是具有良好的实时性，结合系统功能需求、系统成本、开发的 难易程度等因素综合考虑，现场控制子系统中控制柜采用嵌入式l i n u x 操作系统 来进行开发。与其他操作系统相比，嵌入式l i n u x 具有以下优点n 引圆1 ： 1 、内核小巧灵活，功能强大，性能高效、稳定，并支持多任务管理。l i n u x 的内核小巧灵活，但非常稳定，它的高效和稳定性已经在各个领域，尤其是在网 络服务器领域得到了事实的验证，这使得l i n u x 很适合在嵌入式系统中的应用。 2 、非常便捷的可裁减性。内核与用户界面完全独立，非常灵活，用户可任 意定制自己的l i n u x 内核行为和特征，大小功能都可定制，因而能适合多种需求。 3 、l i n u x 支持多种硬件平台。几乎所有流行的c p u ，l i n u x 都支持，例如： x 8 6 、a r m 、m i p s 、l p h a 、s p a r c 等多种c p u 芯片，因此可以在标准平台上 进行开发，然后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 4 、开放性。l i n u x 是自由操作系统，它的开放源代码使用户获得了最大限 度的自由度，同时也促成了l i n u x 上丰富的软件资源，每一种通用程序在l i n u x 上都可以找到，并且每天都在增加，在l i n u x 上开发程序往往不需要从头做起， 而是先选择一个类似的自由软件，进行二次开发，这就大大节省l i n u x 环境下的 嵌入式系统开发及其编程应用的工作量，缩短了开发时间，而且遍布全球的众多 l i n u x 爱好者又能给予l i n u x 开发者强大的技术支持。 5 、丰富的驱动程序，可以支持大量硬件设备。l i n u x 上的驱动现己十分丰 l o 第二章用电管理系统硬件设计 富了，支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，而且随着l i n u x 的广泛应用，许 多芯片厂家也已经开始提供l i n u x 上的驱动，这就进一步促进了l i n u x 在各种硬 件平台上的应用。 6 、高度模块化。l i n u x 操作系统的高度模块化使添加部件非常容易。 7 、强大的网络支持功能。l i n u x 内核结构在网络方面是非常完整的，它提 供了对包括十兆位、百兆位及千兆位的以太网络，还有无线网络、t o k e nr i n g ( 令 牌环) 和光纤甚至卫星的支持，不像其他操作系统要外挂t c p i p 协议包。 8 、源代码免费。l i n u x 操作系统的源代码可以免费得到，这是最吸引人的， 毫无疑问，这会节省大量的开发费用。 在本系统中用电管理控制柜主要完成各种电能量数据的自动采集，采集周期 可调。可同时向多个主站传输数据，传送的数据均带时标。可在本地操作，通过 外接设备可进行修改配置、手工采集等操作。具有大容量存储器、自动记录，保 存通讯报文。具有与r t u 或当地监控系统通信的功能。嵌入式用电管理控制柜是 底层数字电能量表与项层服务器的连接枢纽与桥梁。一方面它负责接收顶层控制 中心的指令，另一方面负责指令的处理、编码、发送、各种电力负荷控制算法的 执行等；同时，此控制柜通过串口连接数字电能量表，实现对其所控节点的电能 量采集，并通过网络送到顶层服务器。 围绕着嵌入式用电管理控制柜，形成了两层网络拓扑，分别是： l 、底层的4 8 5 总线实现诸多数字电能量表与控制柜之间的数据和指令传输。 充分利用了4 8 5 总线传输距离远、抗干扰能力强、连接方便等特点。 2 、上层直接使用校园已经建立起来的网络资源，通过i n t e r n e t 连接控制柜 和电网服务器。由于l i n u x 嵌入式系统具有强大的网络支持功能，支持t c p i p 协 议，因此，可以很方便的实现这层的网络传输任务。 2 1 3 主控计算机 用户或控制人员通过网络对服务器上的主控软件进行访问，以实现对电能量 数据的查询。中心服务器接收下层嵌入式用电管理控制柜传来的数据，并可对欠 费学生宿舍下达停机命令。中心服务器设计有用电管理系统，透过直观、图形化 的界面提供一种高效、客观、稳定的用电监测、考核、分析和管理的系统平台， 可以提高高校学生公寓用电管理的自动化水平，降低成本，提高服务质量，达到 使学校和学生双方受益的目的。 北京化工大学硕十学位论文 2 2 现场控制子系统的实现 现场控制子系统是一个嵌入式系统，由于嵌入式系统是为特定的需要而设 计，并且要考虑到空间、成本、存储、带宽等限制，嵌入式系统的开发方法与一 般的计算机软件有所不同。 嵌入式系统设计的过程是一个软硬件协同设计的过程，让软件设计和硬件设 计作为一个整体并行设计，找到软硬件的最佳结合点，从而使系统高效工作。而 在这过程中，硬件设计的合理与否、质量好坏以及其性能直接决定着后续软、硬 件综合调试的成败，系统的整体性能和稳定性。因此，可以说硬件设计是整体设 计的基础。 嵌入式处理器作为嵌入式系统的硬件支持平台，是整个嵌入式系统运行的基 础和功能的根本保证，快速高效的嵌入式系统直接取决于嵌入式处理器。目前， 常见的嵌入式处理器基本都是基于r i s c 体系吼1 ，比如a r m ，m i p s ，p o w e r p c ， s h ，s p a r c 等。s o c 技术的发展，可以让越来越多的外设都集成到芯片内部， 从而简化系统外围硬件的设计提高系统的可靠性，降低系统的成本。对于r i s c 结构的处理器来说，其指令特点都很类似；基于性能需求而言，无论是p o w e r p c 、 m i p s 还是a r m 架构都可以满足；就定位来看，p o w e r p c 和m i p s 都是定位于 高端的嵌入式应用，门槛高，采购成本也很高；就软件支持度而言，包括l i n u x 在内的许多嵌入式操作系统都有成熟的针对a r m 的移植版本。a r m 价格相对 较低，整个开发环境也比较成熟，开发板的提供商也有很多选择，在处理器速度、 功耗、实时性、开发工具成本、开发资料等方面也具有优势，可以说，a r m 是 嵌入式处理器中最有代表性的体系结构。因此，现场控制子系统选用以a r m 为 核心的处理器平台。综合a r m 微处理器内核、系统工作频率、芯片内存储器容 量、片内外围电路等因素，现场控制子系统最终选择采用3 2 位a r m 9 2 0 t 处理 器$ 3 c 2 4 1 0 作为硬件平台的核心。$ 3 c 2 4 1 0 是3 2 位低功耗r i s c 宏单元，其工 作频率为2 0 3 m h z ，可在上面运行绝大多数操作系统，本系统采用嵌入式l i n u x 操作系统。 2 2 1 硬件平台整体设计概述 1 、用电管理控制柜 每栋宿舍楼配置一台用电管理控制柜。用电管理控制柜是基于网络的嵌入式 用电管理系统的直接控制部分，控制中心的远程控制通过用电管理控制柜实现， 在网络断开时独立工作，存储各个学生公寓一切当前用电数据，是基于网络的嵌 入式用电管理系统的通讯控制枢纽，因此保证用电管理控制柜的可靠性与稳定性 1 2 第- 二章用电管理系统硬件设计 是整个系统的关键。考虑到安装和放置的方便以及可靠性和稳定性的较高要求， 用电管理控制柜采用嵌入式内核，即内置嵌入式计算机。 嵌入式计算机主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备等组成。嵌入式微处理 器( c p u ) 是嵌入式计算机的核心，主要负责与控制中心的通信，报警信息，与 多用户柜( 箱) 式电能表通信采集电压、电流、功率等数据，并完成现场控制终 端的数据处理和综合控制。 本系统采用3 2 位a r m 9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为硬件平台的核心，$ 3 c 2 4 0 1 是s a m s u n g 公司基于a r m 9 2 0 t 内核开发的一种3 2 位r i s c 微处理器。$ 3 c 2 4 1 0 以其低价格、低功耗和高性能在嵌入式设备开发中得到了广泛的应用。此外配置 了2 m bn o rf l a s h 所用芯片为a m 2 9 l v l 6 0 d b 9 0 e c ，用于固化测试程序；配置 6 4 m bs d r a m ，所用芯片为h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，用于系统内存，s d r a m 可外接电 池来保持数据，发生掉电时s d r a m 的内容可保持，因此可将重要的数据保存在 s d r a m 中，如采集到的电表实时数据；配置6 4 m bn a n df l a s h ，用于固化l i n u x 内核、根文件系统以及v i 等。外围扩展部分包括以太网接口、u a r t 接口、 u s b 接口、实时时钟、恶性负载识别电路、l c d 接口等，其中u a r t 接口有三 个，分别为u 舢盯o 、u 灿玎l 和u a r t 2 其中，u a l 玎o 和u a r t l 为标准9 针r s 2 3 2 串口，u a r t 2 为r s - 4 8 5 串口。嵌入式控制柜硬件结构图如图2 2 所示。 图2 - 2 控制柜硬件结构图 f i g 2 - 2t h ep i c t u r eo ft h es t r u c t u r eh a r d w a r ei nt h ec o n t r o lb o x 用电管理控制柜是底层多用户柜( 箱) 式电能表与顶层数据服务器的连接枢 北京化工人学硕上学位论文 纽与桥梁。一方面通过以太网接口与校园网相连上传用电数据到主控计算机并负 责接收主控计算机下传的指令以及指令的处理、编码、发送、各种电力负荷控制 算法的执行等；另一方面通过r s 4 8 5 总线( 总线上节点数可达1 2 8 个，超过1 2 8 个需加中继器) 采集各层多用户柜( 箱) 式电能表中各个电量采集板( 一个电量 采集板包含有1 6 个房间的用电信息) 上传的用电数据并下传控制指令。为保证 数据的安全性和一致性，用电管理控制柜不支持本地操作( 如就地加电等) ，只 执行由主控计算机下传的远程命令，但支持异常情况下的故障检修。 用电管理控制柜主要接口电路如下： ( 1 ) 存储器接口电路 存储器接口电路包括两个方面：一是r a m 接口，主要存储数据采用p c i 接 口方式；二是f l a s h 接口，主要存储操作系统及应用软件，采用并口形式与c p u 相连。 ( 2 ) f l a s h 存储器接口电路 f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些系统掉电后要保存 的数据。f l a s h 存储器是一种集成度高的、非易失存储器。本系统采用i n t e r 公司 生产的n a n df l a s h ，其性价比较高。 ( 3 ) s d r a m 接口电路 s d r a m 是高速的动态随机存取存储器，在系统中主要用作程序的运行空 间、数据及堆栈区。与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特 性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性。 本系统采用两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 并联构成3 2 位的s d r a m 存储系统，其中 一片为高1 6 位，另一片为低1 6 位。 ( 4 ) 以太网接口控制器接口 本设计使用d m 9 1 6 1 作为以太网的物理层接口。d m 9 1 6 1 是一款低功耗、高 性能的c m o s 芯片，支持1 0 m 和1 0 0 m 的以太网传输编码、译码输人和输出数 据。它通过r v i i i 与$ 3 c 2 4 1 0 相连，经过一个隔离器件( h 1 0 1 2 ) ，提供了r j 4 5 接口。 2 、多用户柜( 箱) 式电能表 多用户柜( 箱) 式电能表是一种新型的电能表，柜式电能表分三种可分别管 理9 6 间、1 2 8 间、2 0 8 间宿舍，箱式电能表分两种可分别管理1 6 间、3 2 间宿舍， 一般来说，每层安装一个多用户柜( 箱) 式电能表，柜式可安放在学生宿舍的配 电间，箱式可安放在宿舍楼的每一层走廊墙壁上。它较普通用电管理设备，具有 智能管理模式、防短路、防过载、防窃电以及恶性负载的识别等多项功能，其中 恶性负载的识别是指电炉子、热得快、电热杯等严重存在安全隐患的用电器的识 1 4 第二章用i u 管理系统硬件设计 别，准许学生使用一些电脑、空调、冰箱等不存在安全隐患的大负载用电设备， 节约成本的同时提高了可靠性。此外还具有体积小，安装维修方便等优点。 多用户柜( 箱) 式电能表中放置有若干个电量采集板，每个采集板包含1 6 个电量采集卡、1 个单片机数据处理卡、r s 4 8 5 接口及相关电路等部分，可采集 1 6 个房间的用电信息，主要是宿舍剩余电量、恶性负载使用情况等，其中恶性 负载的识别主要依据瞬时功率和功率因数。其中单片机数据处理卡具有电量数据 采集、处理、存储及转发等功能；它以脉冲采集方式采集数据，并以一定的算法 或程式将采集数据加以周期性和选择性的存储，同时将实时或历史电量数据以用 电管理控制柜要求的格式和内容传递给用电管理控制柜。三类柜式电能表中分别 放置6 块、8 块、1 3 块电量采集板，两类箱式电能表分别放置1 块、2 块电量采 集板。电量采集板通过r s - 4 8 5 总线将所测数据上传至用电管理控制柜，同时接 受用电管理控制柜的下传信号，开启或关断某一单元电路。 2 3 控制中心管理子系统的硬件设计 1 、主控计算机 配置主控计算机( 包括显示器、数据服务器、键盘等) 卜2 台，实时监控全 校学生公寓的用电情况，管理设置相关用电参数，存储全校学生公寓用电的实时 数据和历史数据。 主控计算机是整个系统硬件的核心，它负责接收售电机上传的具体购电量、 对应房间号等数据信息并下传至用电管理控制柜同时具有下传修改购电单价等 的远程操作指令到售电机的功能，负责接收用电管理控制柜上传的用电数据并下 传各种远程操作指令到用电管理控制柜。因此要求主控计算机配置高，性能优越， 设置环境良好。 本系统作为一个对实时性要求较高的系统，其中的数据服务器用于存储全校 学生公寓用电的实时数据和历史数据，因此服务器一个小小的软硬件故障或误操 作都有可能造成关键业务出现中断或瘫痪，使学校和学生蒙受损失。因此，系统 的高可靠性和高可用性是关键。所谓高可靠性是指： ( 1 ) 支持功率负载平衡及可故障切换的热插拔冗余电源，故障电源更换简 便，减少故障宕机时间； ( 2 ) 提供对热插拔p c i x 的支持，在提升系统与p c i 设备问的数据传输速率 的同时，进一步增加设备的可用度，系统扩容、升级、替换相应设备时不必停机； ( 3 ) 支持热插拨风扇，为系统的长时间连续工作提供进一步的保障。 所谓高可用性是指： ( 1 ) 超强的处理能力； 1 5 第二章用l l l 管理系统硬件设计 换。由于服务器要向底层子系统系统发送数据，同时还要接受来自底层子系统的 反馈数据，又要保证两套数据服务器切换时间尽可能短，我们分析，用最简单的 电路将发送来的数据一分为二，分别同步发送给两套服务器，完成接收底层系统 发送来的反馈数据信息。同时选择两套服务器之一将其数据发送给底层子系统完 成对用电管理的控制。鉴于此，我们设计了一套服务器选择切换技术方案。在该 方案中，设计一个切换电路系统，该切换电路连接在控制系统和受控设备之间， 如图2 4 所示。 底 切换叫数据服务器1 层 一 子 系 电路 二一_ 1 数据服务器2 统 图2 4 切换电路示意图 f i g 2 _ 4t h es k e t c hm a po ft h es w i t c hc i r c u i t 切换电路将底层子系统发送来的数据直接分为两路，同时向两套数据服务器 发送；两套数据服务器各自都将数据信息发向切换电路，切换电路利用数据选择 芯片加上一些辅助电路选择其中的一路数据转发至底层子系统受控设备。另外给 数据服务器设计故障输出信号，由故障输出信号控制切换电路选择数据服务器1 或数据服务器2 。同时给切换电路设计选择数据服务器l 或数据服务器2 按钮进 行人工切换选择，即数据服务器选择的切换方式可以是自动切换方式，也可以是 手动强制切换方式。 数据服务器受主监控管理计算机控制，与主监控管理计算机，以及通过代理 服务器与校园网连接，通讯遵循t c p i p 协议。数据服务器中的数据随时可被主 监控管理计算机访问、修改，部分数据对于学生透明。 2 、代理服务器 随着i n t e r n e t 技术的迅速发展，越来越多的计算机连入因特网，而同时产 生了i p 地址紧缺、网络资源争用和网络安全等问题。架设代理服务器就是为了 解决这些问题而产生的一种有效的网络安全技术。因此在本系统中我们也采用架 设代理服务器的方式来提高系统的性能和安全性呓引。 代理服务器是( p r o x ys e r v e r ) 相当于一个中转站，位于用电管理控制柜 个人计算机和控制中心数据服务器之间，能够转发合法的网络信息，并对转发进 行控制和登记。 在本系统中架设基于l i n u x 操作系统下的代理服务器，并使用s q u i d 和 1 7 北京化工大学顾 ：学位论文 i p t a b l e s 模块作为防火墙透明代理服务器。之所以选择l i n u x 操作系统是因为 l i n u x 拥有良好的安全性并具有现代操作系统的特征。所谓透明代理，就是客户 端不知道有代理服务器的存在，当然也不需要进行任何与代理有关的设置，只需 设置i p 地址、d n s 和网关地址即可。在l i n u x 可以用i p t a b l e s 直接将对w e b 端 1 28 0 的请求直接转发到s q u i d 端口3 1 2 8 ，由s q u i d 接手，而用户浏览器仍然认 为它访问的是网站对方的8 0 端口，感觉不到代理服务器的存在。配置如下： i p t a b l e s - tn a t - ap r e r o u t i n g s0 0 _ pt c p q p o r t8 0 - jr e d i r e c t3 12 8 以上配置把透明代理服务器和防火墙技术有机、完美的结合在一起，使系统 的性能和安全程度大大提高： ( 1 ) 起到防火墙的作用。代理服务器连接控制中心的内部网络和校园网， 起到物理上的隔离作用。代理服务器通过i p 地址过滤、服务过滤、内容过滤等 限制外部网络用户( i n t e r n e t ) 对数据库的访问以及限制校园网用户的访问权限， 有效地阻止了网络攻击和黑客侵入，起到了保护内部网络的作用。 ( 2 ) 提高网页访问速度。当学生上网浏览网络信息时，浏览器并不是直接 到数据服务器上取回信息，而是向代理服务器发出请求，由代理服务器取回浏览 器所需要的信息。如果代理服务器的存储器上存储有所需要的数据，那它就不再 去数据服务器上取数据，而是直接将本机上的数据传给客户，因此显著提高了网 页访问的速度和效率。 ( 3 ) 节省并隐藏i p 。使用代理服务器时，所有用户对于数据服务器只占用 一个i p 地址，从而节省很多i p 。同时也隐藏了数据服务器的i p 地址，减少甚 至避免了病毒和黑客的攻击。 ( 4 ) 方便对用户进行管理。设置用户访问身份验证功能，对于没有通过验 证的用户进行拦截，拒绝其访问请求，从而防止了非法用户侵入；对于通过验证 的用户，也要对用户的访问时间，访问地点，信息流量等进行实时记录，保证了 非法操作有据可查。既方便了对用户进行管理，又提高了数据服务器的安全性。 2 4 售电子系统的设计与实现 各校区的售电室分别配置一台计算机进行售电操作。学生到售电室交费购 电，不需要i c 卡，也不需要任何其它卡或证件( 这就免除了学生忘拿卡或证件 而做无用功，而且卡有时还在宿舍管理员或辅导员那里，学生需要先从他们那里 取来卡才能去售电室购电，这样一来一去难免浪费时间给学生造成不便) ，只需 告诉售电人员房间号和购电金额，售电人员点击该房间号，输入购电金额，点击 确定并收取所需金额即可完成售电操作，大大简化了购电手续，既方便了学生也 第一二章用i i l 管理系统硬件设计 方便了工作人员。售电机一旦启动就通过以太网口直接连入校园网。上传具体购 电量、对应房间号等数据到控制中心，再由控制中心下传到各公寓的用电管理控 制柜。售电机与各公寓的用电管理控制柜之间并不直接进行数据传输。售电机接 收并执行控制中心修改