基于ZigBee技术的图书馆节约用电管理系统设计

XIX第4章系统的软件设计4.1数据库端系统实现本章介绍如何使用阿里云平台提供的服务器，在代理商服务器上安装Docker容器，并将阿里云提供的边缘计算服务器镜像拉取至Docker中实现服务器的架设。上位机的数据库是直接调用阿里云端数据库去实现的。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。Aristotelian协议具有轻量级、简单、开放、易于实现等特点，适合于广泛的应用。在许多情况下，包括密闭环境，例如：机器对机器M2M通信和物联网山IoT。它已被广泛用于通过卫星链路进行通信的传感器，偶尔拨号的医疗设备，智能家居和一些小型化设备。MQTT协议的当前版本是2014年发布的MQTTv3.1.1。除了标准版之外，还有SN的简化版，它针对的是一般在TCP/IP网络工作的嵌入式设备，本文就是基于ZigBee下去实现整个的数据传输协议，在进行数据传输的过程中，在数据中加入可识别的帧头和帧尾，上位机读取到信号后，根据对帧头和尾的读取，就可以知道所取的数据放入哪个位置，从而完成数据库的数据存储，否则上位机无法得知所取的数据的大小空间对错等。4.1.1数据上传与下载数据的上传是指各图书馆相关人员根据自己的权限，能够在规定时间内登录图书馆节约用电系统，上报学期内每月的用电数据和年度的计划用电量，生成供电用电月报表和年度计划用电量报表进行上报。假如这个数据发生了很大的改变，就会重新生成新的表格进行上报。另外为了进一步加大整个系统的安全性，整个设计的过程当中也是对于整个图书馆内的温湿度以及光照强度等信息进行采集上传的功能。各图书馆上报人员能用图书馆系统的登陆和修改的权限，能对本图书馆的用电报表进行修改表格和删除表格的操作。4.1.2数据分析图书馆的电力管理系统不仅可以接受和发送数据，更能够完成数据存储的功能。只有对存储的数据进行特别深入的计算，才能充分利用其价值，为图书馆进行合理的节约用电，达到最大的节能省钱效果。因此，数据分析模块是图书馆电力管理系统中非常重要的组成部分。通过对数据的合理分析和利用，可以生成各单位图书馆的报表。当光照强度低于30%时，并且在有人的情况下，继电器开始工作，开始计量电费，其他时候继电器是不工作的，数据分析图如4.1所示。图4.1数据分析4.1.3数据查询用电数据查询的功能是基于上传用电数据的系统，可以汇总数据情况并提供相关查询其功能。系统管理员或操作员可使用该功能进入系统中，通过点击相关功能查询用电数据。在查询窗口中，用户可依据筛选条件，诸如用电报表的年度、月份等，显示相应的报表，用户能够选择任意报表进行查看。相关人员可以根据数据进行对于整体的分析。可以查询节能效果和用户使用情况以及电费的支出情况等，如下图4.2所示。图4.2数据查询4.1.4管理员维护在服务器端，用户被分为管理员和油田数据上报员两类。管理员是最高权限的用户，除了可以更改自己的信息和权限外，还可以执行一系列其他操作。油田数据上报员则具有一定的权限，包括编辑个人信息、修改个人用户密码、上传数据报表、查询报表等功能。4.2系统总程序的设计本文设计是以当前节能减排为背景，运用所学的电力电子知识设计一个智能环境检测以及人数统计的ZigBee技术的图书馆节约用电管理系统设计，该系统以STM32单片机为核心，实现对教室内学生人数及相关环境的数据处理。该校园图书馆节约用电管理系统主要由以单片机、电源模块、通信模块、温湿度传感器、光照传感器、人体红外传感器、继电器等完成系统硬件设计。系统上电后，采集初始化，系统上电后，各个模块进行初始化的任务，利用红外模块来监测图书馆的人数。整个系统设计思路清晰，简单易懂。图4.3为系统的总程序流程图。图4.3基于STM32图书馆节约用电管理系统总流程图图4.4为上位机总框架图，下位机通过WIFI模块，将数据发送给上位机，上位机接受到信号后进行解读，将相应的数据存储和显示到相应的地方，需要显示的数据显示到显示屏，存储的数据存入数据库，需要处理的数据进行处理。图4.4上位机总流程图4.3ZigBee模块软件设计ZigBee模块与单片机之间通过串口进行连接，ZigBee模块RXD引脚连接单片机的P3.1引脚，ZigBee模块的TXD引脚连接单片机的P3.0引脚，ZigBee模块软件设计中，首先需要对串口进行初始化，ZigBee模块获取u单片机处理后的数据信息，接收完成则返回。ZigBee软件模块设计图如图4.5所示。图4.5ZigBee软件模块设计4.4按键输入软件子程序设计根据硬件电路设计，当按键被按下时，IO口将输入低电平信号。软件部分通过if语句来判断IO端口的信号是0还是1，从而能够准确地识别出是哪个按键被按下。通过对按键信号的识别，对应的子程序将被执行，从而完成了信息输入的功能。按键软件流程图如图4.6所示。图4.6按键子程序流程图4.5编程语言与调试环境选择在调试系统的过程中软件程序的设定占有较为重要的地位。设计师在设计系统初期会选择合适的编程语言，以合适且方便为选择标准，此过程对整个系统而言十分重要。通过对系统的各个方面进行分析，并且结合后续使用过程中的实用性和便利性进行考虑，本系统选用C语言进行编译。普遍编程人员首先接触到的编译语言为C语言，因此C语言在使用的便利性方面占据极大优势，单片机系统多以C语言为编译语言。C语言除以上所述优势外，在逻辑方面也具备一定的优势。运用C语言编译的程序，能够使用户更为轻松的理解程序内容，熟练运用程序。此外，在实用性方面，C语言借助其模块化的优势，极大地提高了系统编程过程中的实用性。本文采用的系统开发环境为Keil，Keil软件在实用性方面具备一定的优势，工程师在选择编译软件时长将其作为首选，该软件也凭借其自身优势，成为使用最为广泛的一套编程软件。4.6手机与云服务器交互云服务器主要用于提供HTTP服务，云服务器是一类软件程序服务器，并不是硬件服务器。它的主要功能是进行WEB服务器程序来侦听当前机器的8080端口，一旦有任何外部访问，就会返回一些相关消息。当用户进行应用程序发起对图书馆用电报表的查询请求时，首先会在互联网上进行DNS查询，查询到主机名对应的IP,比如查到的是图书馆的IP地址，云服务器就用查询到的IP地址去连接服务器，然后发送到手机app当中。4.7本章小结这一章节总结了服务器端怎么调用自己的请求处理类问题，从客户端收到请求并进行识别、分析请求、查找资源、执行数据库操作，最终结果把数据反馈给浏览器完成结果的过程。进而，我进而仔细的介绍了系统中的关键技术和对应的技术原理。结合现实需要的，我们利用阿里云数据库实现了图书馆管理系统中大量用电数据的存储和计算，充分发挥了云数据库的优势部分。其次，我还写出了该系统怎样与手机进行的交互。用户在手机端发起请求后，系统通过与服务器进行交互，实现请求的处理和返回结果。这些是该系统的核心技术实现。系统调试5.1系统实物图该设计分为三个部分，数据采集部分、终端网关部分、阿里云服务器部分。检测图书馆亮度，温度，湿度，人员有无，终端控制部分采用继电器。通过各种传感器检测各种数据。如下图5.1所示。图5.1系统实物图图5.2光照强度检测5.2硬件测试通过光照强度传感器和人体红外传感器接收数据，我设置的值为光照强度低于30%时，并且在有人的情况下，继电器亮起并且开始计量电费，如果低于30%但是没人的时候，继电器也是也是不计量电费的，这样能够避免电费的损失从而进行节能用电的效果，如上图5.2所示电路板的连接性检测是硬件测试中的首要阶段，在硬件平台搭建的基础之上，运用万用表对其进行调试。万用表的主要用途为，检测电路板的焊接情况，确保各焊接点均焊接正常，以保障后续的电路工作均可正常运行。进行完以上测试后，将该电路板与简单电路相连，探查指示灯的显示情况，若指示灯亮起，则表明该电路板的电源板块运行正常。然后测试电路板的电平信号的输出情况，分别针对基准源与晶振电路进行调试，观察信号的输出值是否处于稳定范围内，同时观察稳压芯片是否存在供电误差情况。以上调试完毕后，可长时间运行此的电路板，观察在运行的过程中是否有器件呈现过热情况，此调试称为温升测试，倘若在该调试过程中有器件出现过热问题，针对该器件的封装情况以及参数阻容值进行重新评估，保证系统的正常运行。经过以上调试，该系统的可靠性得到验证，硬件电路的调试在系统中尤为重要，后续的编程工作需以其正常调试为前提，才能够继续运行。5.3软件测试通过下位机检测到的数据上传至阿里云平台，进行数据的显示储存收集，进行检测和观察，如下图5.3.1所示。图5.3.1阿里云平台数据储存各个传感器上传的数据都可以进行数据保存，可以通过历史数据进行用电高峰的预测，从而保护图书馆的用电安全，进而可以对电量进行有效的分配，从根源上对图书馆用电进行节约式管理，如下图5.3.2所示。图5.3.2历史数据存储与显示在进行软件测试的时候，需要对前一个阶段的硬件测出的各项数值进行比对和分析，确保其均在正常要求内。然后对电路板的MCU进行程序烧录，调试成正常安全的状态后，对其与各功能板块逐一进行测验和实验。通过使用仿真器和调试软件，同时结合硬件电路的调试，在子程序中设定了断点。然后，在watch窗口中输入了和子程序相关的所有变量，并且实时监测内容的实际变化值。然而，在系统运行子程序的第6条指令时，内存变量中发生了与正常数值不同的值，进而导致内存指针出现了错误，最终引发内存溢出错误，导致整片内存全部被填满了。内存调试如图5.3.3所示。图5.3.3内存观察调试通过多种的调节方式，发现一个int变量没有被强制直接拉入设置好的内存地址，由于突发的原因，造成指针显示错误，导致了整个系统彻底崩溃，好在及时发现了相关的问题，然后通过修改变量的存储检测，加入了变量的软件程序检测，保证了实时存储问题不会再次出现，这样一个系统错误导致无法正常运行的调试过程就完成了。再次运行程序，系统一直运行良好，并没有发现异常结果。结果如图5.3.4所示。图5.3.4调试后结果2727第6章结论本文通过STM32单片机的图书馆节约用电管理系统的设计，实现了数字化控制技术对模拟量的控制方法，对通信及传感器触发控制控制技术有了清晰地认知，通过各类传感器模块的学习，可以有效的传输数据，无线路干扰，且保证可以迅速完成响应动作。本文主要做了以下几点工作：（1）在本文设计之前，通过查阅资料了解ZigBee设备的发展现状并对传输技术进行了仔细研究，了解了ZigBee传输是一种数字传输，为数据传输提供了有力保障，节约了时间成本。（2）在本文设计中将红外温度传感器技术和单片机有力相结合，有效的实现和完成了对环境数据的测量及数据传输，将给定的模拟信号体现了数字化的实际应用，为其它领域数字化控制系统的应用和设计实现提供参考价值。（3）本论文基于当前节能减排的环境下，进行设计一款适应于图书馆提升电能使用的手段，较好的完成了课题的设计要点，实物功能也进一步地课题设计方案的可行性。虽然本系统设计达到了预期目标，但离真正的图书馆节约用电系统还有许多需要改进的地方。

（1）目前市场上的智能用电管理系统采用更先进的控制架构，结合到了人工智能和语音助手的相关技术，即便是这样了，系统的功能仍然需要继续修改。

（2）服务器和数据库尚有特别多的功能没有实现，分布式系统仅仅为模拟的结果，并没有提高性能。图书馆节约用电系统中的网络安全是相当关键的，但是本设计在系统安全性方面做得仍有待充分改进，这是未来需要解决的关键问题。2929附录参考文献王庆刚,陈旭阳.基于单片机的人体红外计数系统的设计和实现[J].信息通信,2020(01):111-113.胡伶俐,何建铵,欧汉福,张芳.单片机技术基础与应用[M].重庆大学出版社:中等职业教育电子与信息技术专业系列教材,2019,03.113.FirstEnergyandPJMAskCustomerstoConserveElectricity[J].M2Presswire,2022.ShigeruTakushima,DaijiMorita,NobuhiroShinoharaetal.Opticalin-processheightmeasurementsystemforprocesscontroloflasermetal-wiredeposition[J]PrecisionEngineering,2020,62(C).\t"/kcms2/article/kcmstarget"Agriculture-VegetableCrops;ResearchersfromUniversityofIllinoisReportRecentFindingsinVegetableCrops(Copperoxidenanoparticleeffectsonrootgrowthandhydraulicconductivityoftwovegetablecrops)[J].

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