（计算机软件与理论专业论文）基于网络的嵌入式用电管理系统.pdf

宁夏人学硕f 学位论文 摘要 摘要 传统的以手工操作为主的学生宿舍用电管理方式 信息反馈慢 工作效率低 管理质量差 在科学技术飞速发展与广泛应用的今天 这种落后的管理方式与时代的步伐已经格格不入 学生 宿舍用电实行智能化 信息化管理已势在必行 因此 本课题在吸取很多用电控制与管理系统优 点的基础上 充分利用当前高校成熟 可靠的校园网络 综合自动抄表技术 电能表技术 数据 总线技术 网络技术 数据库技术 数据安全技术以及目前流行的嵌入式技术等等 发挥这些先 进技术的优点自行研发并设计具有两层传输网络的基于网络的嵌入式用电管理系统 上层为校园 网 下层为r s 4 8 5 传输网络 该系统以校园网为基础 实行控制中心远程统一管理 各公寓楼 现场控制柜就地控制的管理方式 实行售电终端售电 网上用电查询的售电 查询模式 实行用 电自动监控和特殊情况干预的操作方式 采取一系列数据安全存储 数据安全传输 数据安全使 用 设备稳定 故障恢复处理等技术 充分达到了安全用电 节约用电 智能化管理的效果 较 好的满足了当今高校用电管理的新需要 本文详细论述了基于网络的嵌入式用电管理系统的总体 结构设计 硬件设计 软件编程 软件功能 数据库设计 介绍了现场控制终端所采用的嵌入式 系统的硬件结构和软件开发平台 阐述了双机热备系统 嵌入式系统 代理服务器 物理隔离数 据交换系统 在数据传输与存储中采用数据加密技术等保证系统稳定和数据安全的手段 并于系 统完成后通过试运行进行了全面的检测和完善 达到了预期的目的 关键字 用电管理 嵌入式系统 数据库 通讯协议 网络安全 宁夏人学顶 学化论史a b s t r a c t a b s t r a c t t r a d i t i o n a lm a n u a l b a s e dp o w e rm a n a g e m e n td o r m i t o r ys t u d e n t sh a v ed i s a d v a n t a g e so ff e e d b a c k s l o w l o we f f i c i e n c y p o o rq u a l i t yo fm a n a g e m e n t n er a p i dd e v e l o p m e n ti ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y w i t ht h ew i d e l yu s e dt o d a y s u c hab a c k w a r dt i m em a n a g e m e n tm e t h o d sa n dt h ep a c eh a sb e e na to d d s e l e c t r i c i t yd o r m i t o r ys t u d e n t s t o i m p l e m e n ti n t e l l i g e n t i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti si m p e r a t i v e t h e r e f o r e t h es u b j e c tl e a r n e dal o to fp o w e ra tt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e m0 1 1t h eb a s i so ft h e m e r i t so fm a k i n gf u l lu s eo ft h ec u r r e n tc o l l e g es o p h i s t i c a t e da n dr e l i a b l ec a m p u sn e t w o r k i n t e g r a t e d a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g y e n e r g ym e t e rt e c h n o l o g y d a t ab u st e c h n o l o g y n e t w o r kt e c h n o l o g y d a t a b l et e c h n o l o g y d a t as e c u r i t yt e c h n o l o g i e s a sw e l la st h ec u r r e n tp o p u l a re m b e d d e dt e c h n o l o g y a n ds oo n e x e r tt h ea d v a n t a g e so ft h e s ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e so t li t so w nr da n dd e s i g no fa t w o t i e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r ke m b e d d e dw e b b a s e de l e c t r i c i t ym a n a g e m e n ts s t e m t h eu p p e rf o rt h e c a m p u sn e t w o r k t h el o w e rf o rt h er s 4 8 5t r a n s m i s s i o nn e t w o r k n es s t e mi sb a s e do nc a m p u s n e t w o r k t h ei m p l e m e n t a t i o no fu n i f i e dm a n a g e m e n to ft h er e m o t ec o n t r o lc e n t e r t h ea p a r t m e n t b u i l d i n ga tt h es c e n ec o n t r o lc a b i n e ti ns i t uc o n t r o lo fm a n a g e m e n t t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es a l eo f e l e c t r i c i t ys a l et e r m i n a le l e c t r i c i t y o n l i n es a l eo fe l e c t r i cp o w e rq u e r i e s q u e r yp a t t e r n s s i d e a u t o m a t i c a l l ym o n i t o ra n di n t e r v e n ei nt h eo p e r a t i o no fs p e c i a lc i r c u m s t a n c e s a n da d o p tas e r i e so fd a t a s t o r a g e d a t as e c u r i t y d a t as a f e t y e q u i p m e n ts t a b i l i t y d e a l 析t ht e c h n o l o g i e ss u c ha sr e c o v e r y f u l l y m e e tt h es e c u r i t yo fe l e c t r i c i t y s a v i n ge l e c t r i c i t y t h ee f f e c to fi n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t b e t t e rm e e tt h e n e e d so ft o d a y sc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e sn e wp o w e rm a n a g e m e n tr e q u i r e d t h i sa r t i c l ed i s c u s s e si n d e t a i lt h ee m b e d d e dw e b b a s e dp o w e rm a n a g e m e n ts y s t e mt h eo v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g n h a r d w a r e d e s i g n s o f t w a r ep r o g r a m m i n g s o f t w a r ef u n c t i o n a l i t y d a t a b a s ed e s i g n i n t r o d u c t i o nt o t h es c e n et o c o n t r o lt e r m i n a l su s e db ye m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m o nh o ts t a n d b ys y s t e m s e m b e d d e ds y s t e m s p r o x ys o r v e r s p h y s i c a li s o l a t i o nd a t ae x c h a n g es y s t e m s d a t at r a n s m i s s i o na n ds t o r a g ea tt h eu s eo fd a t ae n c r y p t i o nt e c h n o l o g yt oe n s b r es y s t e ms t a b i l i t ya n d d a t as a f e t ym e a n s a n di nt h es y s t e ma f t e rt h ec o m p l e t i o no ft r i a lr u nc a r r i e do u tt h r o u g ha c o m p r e h e n s i v et e s t i n ga n dp 硼e c t a c h i e v e dt h ee x p e c t e do b j e c t i v e s k e y w o r d s p o w e rm a n a g e m e n t e m b e d d e ds y s t e m s d a t a b a s e c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l n e t w o 血 s e c u r i t y l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意 研究生签名 栗 蠡 时间 2 0 d c 7年与月匀日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 可以采用影印 缩印或扫描等复制手 段保存 汇编学位论文 同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表 传播学位 论文的全部或部分内容 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名 宋 壹二 导师签名 巧 嗣 l s i 力d 7 年5 月瑚同 时间 鞑 r 宁夏人学硕 学f 怠论艾第一帝绪论 1 1 系统研制背景 第一章绪论 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 限流保护 定时关断的统一 供电管理模式 这种管理模式在一定程度上遏制了电量浪费 违章用电 然而随着社会的进步 科学的发展 当今高校学生公寓的用电状况也发生了革命性的变化 电脑 闭路电视 电热水器 等高档电器产品也进入了学生宿舍 因此这种一刀切的供电模式已不能适应学生宿舍用电的新需 求 这就需要学生宿舍用电实行开放式管理 以更好地适应现代化学生宿舍的用电需求 建立和 谐的人性化的校园宿舍环境 因此 很多高校已经采用或即将采用开放用电 定额使用 超额 付费 的办法 它的特点是 学校以宿舍为单位按月在每月月末给每个宿舍下拨下个月的用电定 额q o 超过定额的 学校按统一的标准价格p o 收取电费 在定额内学生的用电是免费的 这样 一来 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 但随之而来出现 了安全 节约 管理等诸多问题 1 高校由于校园面积大 学生公寓较多且比较集中 漏电 偷电 超负荷用电时有发生 不但造成学校用电量增加 经济负担加重 学校财产和资源在无形中流失 而且极易发生触电 对学生的生命安全造成威胁 2 违章用电 部分学生为了方便自己 在宿舍内使用被称之为恶性负载的电炉 热得快 吹风机等大功率电器 造成超负荷用电 极易引起火灾 给宿舍的安全带来很大隐患 对于此类 事件的频频发生 学校曾采取加强管理监督和加人惩罚力度等措施 但收效甚微 3 如采用分散安装传统普通电表模式 但需要定期派专人上门抄表催收电费 工作量大 而且给供电集中管理带来很多的不便 如采用众多的传统电表集中安放到一个专门的房间实行集 中管理模式 则要占用很大的空间 配套的线路比较复杂性 费用也比较昂贵 同时仍需派专人 催收电费 4 实施用电收费管理 必将带来大量的人工抄表 统计收费等工作 而传统的人工抄表 方式工作量大 工作效率低 时效性差 易发生错抄 漏抄 估抄等现象 造成了管理与实施的 矛盾 面对新形势 新困难 传统的以手工操作为主的学生宿舍用电管理方式 信息反馈慢 工作 效率低 管理质量差 在科学技术飞速发展与广泛应用的今天 这种落后的管理方式与时代的步 伐已经格格不入 学生宿舍用电实行智能化 信息化管理已势在必行 冈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fj 急待解决的问题 1 2 系统相关技术发展现状 1 2 1 抄表技术的发展现状 为了收费而进行的抄表 r 作可以追溯到1 0 0 多年前 到目前为l 常见的抄表方式有以下几 种 人工抄表 手持终端人上抄表 手持终端自动抄表 车载无线电抄表和自动抄表 其中自动 i 些 l l 抄表是指抄表主站通过通讯介质自动读j 缸每一只表计的数据 电船计蕈自动抄表 e n e r g y m e a s t t r e m e ta u t o m a t i c m e t e r r e a d i n g 技术是目前新兴的一种拄 术 能实现电能计量数据的自动采集 传输和处理 它克服了传统人工抄袭模式效率低 易出差 错的缺点 不仅提高了劳动效率和工作质量 而且推进了电能计量管理现代化的发展进程 因此 广泛应用于各种用电管理系统中 典型的基于电能计量自动抄表技术的用电管理系统主要由控制 中心管理系统 主控站 数据集中器 靠中器 采集器 各种电能计量仪表 数据通信网络等几 部分组成 如图1 i 所示 圉1 1 典型的纂于电能计量自动抄晨技术的用电管理系统结构目 数据通信网络的选择是用电管理系统的关键 它直接关系到系统的稳定性和数据的可靠性 通信网络也称信道 郎数据传辅的通道 从集中器看 从集中器到主控站之间的通信称为上行信 道 从集中器到采集器之问的通信称为r 行倍道 上行倍道目前主要使削的有电话网 电力网 无线避信同 g p r s 厨等 f 行信道目前使用的土要有电力网 r s 4 8 5 总线网 有线电视厨等 用电符理系统中涉及的西段通讯网络 每段可以相同也可以完全不同 因此可以组台出备种不同 的用电管理系统 国1 2 用电管理系统的上 下行通信信道位置分布 按通信介质不同 分为有线通信和无线通信4 有线通信技术 1 r s 4 8 5 总线传输 是日前应州比较普通的一种通讯方式 技术比较简单 j j 笪熟 易于 实现 目总线 输琏率高 传输距离远 呵谨眭盯 但拈线l h 畦人 通讯信道易受外界冈素 如 宁夏大学硕十j 学位论丈 第一章绪论 皇墨曼皇曼曼 一 一一i 一 i 鼍寰曼皇曼曼曼曼置 雷击 过电压等 破坏 且故障排除困难 信道后续维护工作量大 该系统适用于城市居民小区 和较密集的商用楼 且电能表已被安装在集中式表箱中 2 电话线传输 摆脱了传统的分布式总线系统繁琐的布线 中继 放大 以及运行过程 中的维护问题 而且系统扩展极为方便 适合不方便布线的地区 投资小 适用范围广 是一种 比较灵活 经济实用的方法 因此具有较大的推广应用前景 但利用电话网络进行数据通信时 通过握手应答建立数据链路的时间较长 如果数据采集点较多 则容易造成数据传输堵塞 通信 效率将大幅度降低 而且使用电话线进行数据通信 租赁费用较高 不适合大容量系统 3 低压电力线载波传输 是供电系统特有的一种通讯方式 具有无需布线 安装使用比 较方便 而且无需支付数据传输的费用等优点 但由于我国电力网污染严重 因此这种通讯方式 数据传输可靠性差 需对现有的电力线载波通讯技术进行深入的研究和改进 比如采用先进的扩 频技术 以提高通信的抗干扰能力 4 以太网传输 利用局域以太网作为下行信道或广域以太网作为上行信道或两者兼而有 之的数据传输方式 优点在于可以利用当前便利的网络环境 降低布线 安装成本 而且以太网 的速度较高 可以满足以后发展的需求 适合已有网络布线且局域网技术成熟的公司办公楼 城 市居民小区 学校等 但是 采用以太网抄表对开发人员有较高要求 且网络安全问题是一个重 点和难点 5 光纤传输 是目前认为最有前途的有线通信方式 具有通信容量大 通讯距离远 传 输速度高 衰耗小 不受外界电磁干扰 抗腐蚀等很多优点 在国外得到普遍应用 特别是不怕 电磁干扰的特点 对于存在很高电压和很强电磁场干扰的电网特别适合 可用于传输语音 数据 高品质图像 但造价和安装费用较高 无线通信技术 1 红外线传输 特别适用于那些无法铺设线路 有线通信无法实现的场合 便携性要求 较高的场合 或者腐蚀性地区 强电磁干扰地区 但由于此方式传输距离较短 一般只有3 5m 且对方位性要求较高 因此适用范围有限 较适合于仪表相对集中的区域内使用 2 无线传输 微波传输 适用于用户分散且范围广的场合 在某个频点上以散射通信方 式进行无线通信 其优点是传输频带较宽 通信容量较大 通信距离远 主要缺点是需申请频点 使用权 且如果频点选择不合理 相邻信道会相互干扰 3 g p r s 传输 不需要重新组网 只需在管理中心和集中器中加装无线通讯模块 价格较 低廉 通讯速度快 且免于维护 但系统实时性及可靠性较差 可能发生信息拥塞或丢火现象 不适合业务量大的系统 在应用中 各种通信模式都有其优缺点 任何一种采用单一通讯技术的方案均很难完全满足 需要 因此 在用电管理系统的不同通信阶段采川不同的通信方式来组成通信网络 在数据传输 量不太大 传输距离较近的底层数据采集阶段 可以采用如红外线 r s 4 8 5 总线 低压电力线载 波等通信方式 而在集中器到主控站段 则可采用光纤 无线电台 电话线 以太网或g p r s g s m 无线通信等 至于选择什么样的组合方式 则需根据实际情况统筹考虑 包括用户的分布 数量 地理条件 期望达纠的目标 系统的扩展升级以及与其他网络的兼容性等 3 宁夏人学硕 f j 学位论文第一幸绪论 1 2 2 嵌入式技术的发展现状 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史了 随着它在消费电子 航空航天 汽车电子 医疗保健 网络通信 工业控制等各个领域的广泛应用 嵌入式系统 这个名词己经被各行各 业的人所熟悉 进入2 l 世纪后 随着数字信息技术和网络技术的快速发展 计算机的发展出现 了专业化和微型化的趋势 从以普通p c 机为主流的时代慢慢步入 后p c p o s t p c 时代 在 后p c 时代 嵌入式系统将成为这个时代的主流哺1 进入后p c 时代以来的儿年 嵌入式系统取得了前所未有的发展 并在工业控制 信息家电 智能仪表 网络通信等领域中得到了广泛应用 目前 世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值 已超过l 万亿美元 2 0 0 6 年 嵌入式系统产业规模持续扩大 作为中国信息产业重要的新兴产业和经济增长点 发展嵌入式系统产业成为由 中国制造 向 中国创造 转变的突破口 消费电子产业的蓬勃发 展成为拉动嵌入式系统的重要动力 2 0 0 7 年 中国嵌入式软件产业与网络通信 数字家庭 办公自动化 航空航天 工业控制 国防军事 医疗系统 安防系统 能源系统 交通系统 金融系统等行业融合正在加深 在全面 优化中国制造的产业结构上发挥着越来越重要的作用 2 0 0 8 2 0 0 9 年 移动通信行业是嵌入式软件最重要的应用领域之一 2 0 0 9 年1 月7 日 工业 和信息化部为中国移动 中国电信和中国联通发放3 张第三代移动通信 3 g 牌照 此举标志着我 国正式进入3 g 时代 3 g 网络的全面铺开为嵌入式技术的发展注入了新的动力 硬件方面 不仅有各大公司的微处理器芯片 还有用于学习和研发的各种配套开发包 目前 底层系统和硬件平台经过若干年的研究 已经相对比较成熟 实现各种功能的芯片应有尽有 而 且巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量川 从软件方面讲 也有相当部分的成熟软件系统 国外商品化的嵌入式实时操作系统 已进入 我国市场的有w i n d r i v e r m i c r o s o f t q n x 和n u c l e a r 等产品 我国自主开发的嵌入式系统软件 产品如科银 c o r e t e k 公司的嵌入式软件开发平台d e l t a s s t e m 中科院推出的h o p e n 嵌入式操作 系统 虽然还不够完善 同时由于是研究热点 所以我们可以在网上找到各种各样的免费资源 从各大厂商的开发文档 到各种驱动 程序源代码 甚至很多厂商还提供微处理器的样片 这对 于我们从事这方面的研发 无疑是个资源宝库 对于软件设计来说 不管是上手还是进一步开发 都相对来说比较容易 这就使得很多生手能够比较快的进入研究状态 利于发挥人家的积极创造 性 引 1 2 3 网络技术的发展现状 网络技术的迅猛发展 已经使其应用到了生产 生活的各个领域 其在高校教学和生活管理 中也逐渐得到了普及 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 特别是关系数据库技术的不断成熟 发挥出其简单 灵活易州的优点 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 同时使廊用系统的开发效率也大大提高 较高数 4 宁夏人学硕 学位论丈第一章绪论 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u 伽 1 典型的数据 库管理软件 例如s q ls e r v 贸 o r a c l e a c c e s s f o x p r o 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u 引 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 安全访问和安全存储 网络隔离技术是保证数据安全访问的一个有效方法 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u 引 网络隔离系统应当能够实现 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 引 引 数据加密技术是保证数据安全性的一个重要方法 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 z 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u 引 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 数据加密技术即可应用于数据传输过程 又可应用于数据存储过程 随着网络技术的发展及 网络安全研究的发展 必将作为实现网络环境下数据安全的一种重要手段 1 3 现有用电管理系统的不足 为了解决学生公寓片j 电控制与管理中出现的新问题 目前许多高校购买学生公寓用电控制与 管理系统 这些用电智能控制与管理系统在结构设计上各有千秋 功能上也稍有不同 但最终都 较好地解决了学生公寓用电控制与管理上存在的问题 使高校后勤改革上了崭新的台阶 但有些 院校由于资金不足 对这些产品只能望尘莫及 学生公寓刚电一直处于混乱状态 更谈不上收取 电费 学校的经济负担明显加重 因此也有不少高校出于经济和适应性的考虑 自发设计和研制 适合本校情况的学生公寓用电控制与管理系统 在这种形势下 i c 卡预付费电表 红外无线式抄 表 计算机抄表 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 但也存在着一些不足 l c 卡预付费电表解决了繁重的抄表收费问题 实现了预付费功能 但购电和加电过程相对烦 5 宁夏人学硕l 学位论文第一 章绪论 旷 固 红外抄表器 红外电波 电能表 宁夏人学硕i j 学化论丈 第一章绪论 i i i ii i i i iil ai i i 鼍璺曼曼鼍曼曼皇曼量曼曼曼皇曼 皇曼曼曼曼 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 1 m 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啪1 幢 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 1 4 基于网络的嵌入式用电管理系统 虽然以上系统各有其特点和优势 但都没有从根本上解决高校用电管理中出现的新问题 还 不能很好的实现学生公寓用电控制与管理 而购买现成的学生公寓用电控制与管理系统又要花费 大量资金 本课题为了解决上述问题 以较高的性价比 吸取上述各种用电控制与管理系统的优 点 充分利用当前高校成熟 可靠的校园网络和目前流行的嵌入式技术 自行研发并设计了基于 网络的嵌入式用电管理系统 该系统适合我校学生公寓用电特点 较好地解决了我校学生公寓用 电存在的问题 并且该系统只需要购买一些必要的硬件设备 比如计算机 售电机 多用户电表 等 而软件研发都是由我们自己完成的 因此价格相对较低 因此 对那些具有一定科研开发能 力的高校 可以借鉴本课题的设计思想 设计结构 研发出适合自己本校的学生公寓用电控制与 管理系统 因此 本课题对高校普及推广使用学生公寓用电控制与管理系统具有深远意义 该用电管理系统采用集中管理的方法 将学生各房间的用电情况进行采集 汇总到各公寓的 现场控制柜 各公寓现场控制柜再进一步通过校园网把用电信息发送到学校控制中心 控制中心 可以随时监控各公寓 各房间的用电情况 并可以进行远程控制 实现用电整体管理 学生可以 在指定时间到购电室购电 由购电室上传购电信息到控制中心 然后再由控制中心下传购电信息 到达指定房间 学生购电不需要i c 卡 也不需要任何其它卡或证件 简化了购电手续 由于当 今高校基本都有自己的校园网络 并且技术相对成熟 设备可靠性也比较高 在此基础上 进行 改造 可以充分利用已有资源 降低成本 提高可靠性 基于网络的嵌入式用电管理系统设计为一整套自动监控 智能管理 自动售电 用电查询 统计分析软件 大大方便了学校管理以及学生购电用电 提高了管理效率 保证了学校正常的教 学和生活秩序 其中管理与购电功能分开 职责分开 一定程度上形成了相互制约的管理方式 保证了管理的公正合理 购电方便 查询方便 避免了i c 卡式购电的烦琐 降低了成本 智能 化的管理方式 实时监督所有宿舍用电 特别是恶性负载的实时监控 最大限度的限制了一切违 规用电 杜绝了安全隐患 保证了学校这个高密度场所的用电安全 通过学生用电查询 增强学 生自身的节约用电意识 全局管理 合理分配用电 合理限电 最大程度的减少不必要的用电损 耗 一切数据都经过加密存储 传输 用电参数的访问 修改采用级别和口令认可 该系统由三个子系统构成 一部分是控制中心管理子系统 一部分是是售电子系统 另一部 分是学生公寓现场控制子系统 售电子系统和学生公寓现场控制子系统分别通过校园网与控制中 心管理子系统进行通信 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 售电子系统只需一台售电计算机 其上安装有售电 软件 学生公寓现场控制子系统主要由现场控制柜 大屏幕汉字液晶显示屏 多用户柜 箱 式电 能表以及安装在现场控制柜上的现场控制软件等组成 一栋学生公寓楼配置一台现场控制柜 内 置嵌入式计算机 一台大屏幕汉字液品显示屏 其通过并口连接现场控制柜并悬挂于公寓楼出 7 宁夏人学硕 学位论文第 章绪论 口大厅 根据每层房间数配置多用户柜式或箱式电能表 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问 箱式可安放在宿舍楼的每一层走廊墙 壁上 现场控制柜通过r s 4 8 5 总线采集各电能表上的电量信息 各个学校视自身情况而定 例 如我校有a b c d 四个校区 其中a 区为教学区 无宿舍楼 先不予考虑 b c d 三区 都有不同数量宿舍楼 高度不等 每层房间数也从3 0 间到9 0 间不等 就本校而言 基于网络的 嵌入式用电管理系统可设置一个控制中心 b c d 三区各设置一个售电终端 方便学生买电 一栋学生公寓楼配置一台现场控制柜 一台大屏幕汉字液晶显示屏 至于多用户柜 箱 式电能表 的配置根据宿舍楼总房间数和每层房间数而定 整个系统的组成框图如图l 4 所示 1 5 本文的主要工作及创新 图1 4 系统总体框架图 本课题为实际应用课题 本文在分析了各种通信技术的特点以及现有的一些用电管理系统的 优缺点的基础上 提出一种基于以太网通信和r s 4 8 5 总线双层网络的学生公寓用电管理系统方 案 该方案的创新点在于利用以太网实现了数据的即时传输 研究 作主要包括以下内容 1 分析各种通信技术的特点 结合高校学生公寓的实际情况和用电管理系统对数据传输 的要求 选择合适的通信方案 并完成系统整体结构的设计 2 本课题将用电管理系统分为三个子系统分别进行设计 首先完成各个子系统硬件设计 与选型 其次重点对三个子系统进行软件设计 包括控制中心管理子系统软件设计 售电子系统 软件设计 现场控制子系统软件设计以及安装在控制中心主控计算机上的学生查询网站 3 根据高校的网络现状 系统对安全性的要求和网络安全的风险分析 运用先进的网络 安全技术和网络安全产品提出网络交全保障系统方窠 结合网络的具体需求 将多种安全措施进 行整合 建立一个完整的 立体的 多层次的网络安全防御体系 以防i 卜网络安全风险的各个方 8 宁夏大学硕 j 学位论文第 章绪论 量皇曼曼皇曼鼍m m 一 一 i m 一 i 一 一一一m m m m 鼍曼詈鼍曼曼曼皇薯 面的问题 1 6 本文各章内容安排 本文一共分为六个章节 各章节内容安排如下 第l 章 绪论 本章介绍了系统的研制背景 系统相关技术发展现状 包括抄表技术的发展 现状 嵌入式技术的发展现状以及网络技术的发展现状 在分析各种通信技术和一些已投入使用 的高校用电管理系统优缺点的基础上 结合高校实际情况提出了本课题的总体设计方案 第2 章 嵌入式系统相关技术理论研究 现场控制子系统采用嵌入式系统 而且在整个系统 中处于中间件的位置 是各个模块联系的纽带 因此现场控制子系统的设计和实现是本系统的关 键所在 为此需要对嵌入式系统相关技术深入了解和研究 为后续设计打下良好的理论基础 本 章介绍了嵌入式系统的相关理论 包括嵌入式系统概述 定义 特点 发展和应用领域 嵌入式 系统与单片机 p c 机的区别 嵌入式系统总体结构 嵌入式操作系统 嵌入式系统开发模式以 及嵌入式系统设计方法等 第3 章 现场控制子系统的设计和实现 现场控制子系统硬件平台设计 包括a 脚以微处理 器简介和硬件选型 现场控制子系统软件设计 主要包括编程语言的选择 交叉编译环境的搭建 l m w c 的内核裁剪 根文件系统的制作 驱动程序开发和应用软件设计 第4 章 控制中心管理子系统和售电子系统的设计和实现 详细介绍了控制中心管理子系统 和售电子系统的硬件设计 软件开发以及数据库设计 简单介绍了学生网上用电查询网站 并对 各个子系统之间的硬件接口和数据通讯进行了说明 第5 章 系统的网络安全性 分析两层数据传输网络存在的安全问题 提出了提高r s 4 8 5 总线网络可靠性的方法 详细介绍了几种先进的计算机网络的防御技术 结合网络的具体需求 将多种安全技术措施进行整合 建立一个完整的 立体的 多层次的网络安全防御体系 这样一 个全面的网络安全解决方案 可以防止网络安全风险的各个方面的问题 第6 章 总结与展望 对整个研究工作进行总结 分析该系统的应用前景 并对后续性研究 进行了展望 9 宁夏人学硕t f 位论文 第一 章嵌入式系统桐关技术理论研究 曼曼 皇 曼曼曼曼曼曼曼量曼曼n u l lm mm m n l m 1m n 舅曼皇曼毫曼曼蔓 量曼鼻蔓曼 第二章嵌入式系统相关技术理论研究 2 1 嵌入式系统概述 2 i 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统本身是一个相对模糊的概念 因为它涉及的领域很多 所以人们很难给 嵌入式 系统 一个确切的定义 国际电气和电子工程师学会i e e e i n t e r n a t i o n a li n s t i t u t ef o re l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r s 给出的定义是 a ne m b e d d e ds y s t e mi sd e v i c e su s e dt oc o n t r o l m o n i t o r o r a s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t m a c h i n e r yo rp l a n t s 嵌入式系统是控制 监视或者辅助装置 机器 和设备运行的装置馏1 这主要是从应用上加以定义的 从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的 综合体 还可以涵盖机械等附属装置 不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓 目前国内一个普遍被认同的定义是 以 应用为中心 以计算机技术为基础 软 硬件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体 积 功耗有严格要求的专用计算机系统 馏1 它一般由嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式 操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成 用于实现对其他设备的控制 监视或管理等功能 根据这个定义 可从以下几个方面来理解嵌入式系统 1 嵌入式系统是面向用户 面向产品 面向应用的 它必须与具体应用相结合才会具有 生命力 才更具有优势 因此可以这样理解上述三个面向的含义 即嵌入式系统是与应用紧密结 合的 它具有很强的专用性 必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相 结合后的产物 这一点就决定了它必然是一个技术密集 资金密集 高度分散 不断创新的知识 集成系统 所以 介入嵌入式系统行业 必须有一个正确的定位 例如p a l m 之所以在p d a 领域 占有7 0 以上的市场 就是因为其立足于个人电子消费品 着重发展图形界面和多任务管理 而 风河的v x w o r k s 之所以在火星车上得以应用 则是因为其高实时性和高可靠性 3 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪 满足应用系统的功能 可靠性 成 本 体积等要求 所以 如果能建立相对通用的软硬件基础 然后在其上开发出适应各种需要的 系统 是一个比较好的发展模式 目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有儿k 到几十k 微内 核 需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减 但是由于微内核的存在 使得这种扩展能够非 常顺利的进行 实际上 嵌入式系统本身是一个外延极广的名词 凡是与产品结合在 起的具有嵌入式特点 的控制系统都可以叫嵌入式系统 而且有时很难以给它下一个准确的定义 现在人们讲嵌入式系 统时 某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统 本文在进行分析和研究时 也 沿用这一观点 1 0 宁夏人学硕 学位论丈第二章嵌入式系统相关技术理论研究 2 1 2 嵌入式系统的特点 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因主要有几个方面 一是芯片技术的发展 使得单 个芯片具有更强的处理能力 而且使集成多种接口成为可能 众多芯片生产厂商已经将注意力集 中在这方面 另一方面的原因就是应用的需要 由于对产品可靠性 成本 更新换代要求的提高 使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出 成为近年来令人关 注的焦点 从上面的定义 我们可以看出嵌入式系统的几个重要特点 h 2 4 1 1 系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的 系统资源相对有限 所 以内核较之传统的操作系统要小得多 比如e n e a 公司的o s e 分布式系统 内核只有5 k 而精 简过的w i n d o w s 7 的内核也达到了2 5 m 简直没有可比性 2 专用性强 由于嵌入式系统的硬件配置是根据系统的性能指标选择的 因此软硬件的 结合十分紧密 体系结构的内部 各层次 模块的耦合度比较高 一般要针对硬件进行系统的移 植 即使在同一品牌 同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改 同时 针对不同的任务 往往需要对系统进行较大更改 程序的编译下载要和系统相结合 这种修改和 通用软件的 升级 是完全两个概念 3 系统精简 由于资源有限 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计 无论是相对 简单的单片机系统 还是具有操作系统的复杂系统 都必须量体裁衣 去除冗余 力争在同样的 硅片面积上实现更高的性能 4 高实时性 高可靠性 软件代码要求高质量和高可靠性 高实时性是嵌入式软件的基 本要求 因此软件要求固态存储 以提高速度 在多任务嵌入式系统中 对重要性各不相同的任 务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键 这就需要嵌入式系统软硬件具有高 实时性 另外 嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制 因此对程序的质量 特别是可靠性 有着较高的要求 5 嵌入式软件开发走向标准化 必须使用多任务的操作系统 嵌入式系统的应用程序可 以没有操作系统直接在芯片上运行 但是为了合理地调度多任务 利用系统资源 系统函数以及 和专家库函数接口 用户必须自行选配r t o s r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m 开发平台 这样才能 保证程序执行的实时性 可靠性 并减少开发时间 保障软件质量 6 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力 即使殴计完 成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的 必须有一套开发工具和环境才能进行开 发 通常采用目标机一宿主机的开发模式 一般在宿主机 p c 机 或 j 作站上编译 目标机作为 最后的执行机 开发时需要交替结合进行 2 1 3 嵌入式系统的发展历程和发展趋势 嵌入式系统的发展历程 综观嵌入式技术的发展 人致经历了以 卜四个阶段1 6 1 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统 同时具有与监测 伺服 指示设各 宁夏大学硕f 学位论文第 章嵌入 弋系统相关技术理论研究 相配合的功能 这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中 一般没有操作系统的 支持 通过汇编语言编程对系统进行直接控制 运行结束后清除内存 这一阶段系统的主要特点 是 系统结构和功能都相对单一 处理效率较低 存储容量较小 几乎没有用户接口 由于这种 嵌入式系统使用简便 价格很低 以前在国内工业领域应用较为普遍 但是已经远远不能适应高 效的 需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础 以简单操作系统为核心的嵌入式系统 这一阶段系统的 主要特点是 c p u 种类繁多 通用性比较弱 系统开销小 效率高 操作系统具有一定的兼容性 和扩展性 应用软件较专业 用户界面不够友好 系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序 运行 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统 这一阶段系统的主要特点是 嵌入式操 作系统能运行于各种不同类型的微处理器上 兼容性好 操作系统内核精小 效率高 并且具有 高度的模块化和扩展性 具备文件和目录管理 设备支持 多任务 网络支持 图形窗口以及用 户界面等功能 具有大量的应用程序接口 a p i 开发应用程序简单 嵌入式应用软件丰富 第四阶段是以基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统 这是一个正在迅速发展的阶段 目前大