張陽偉，李成鳳，張 豐

(綏化學(xué)院 電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061)

基于B/S架構(gòu)的嵌入式遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)

張陽偉，李成鳳，張 豐

(綏化學(xué)院 電氣工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061)

針對校園中現(xiàn)有用電管理系統(tǒng)的存在的缺陷與弊端，提出了一種基于B/S架構(gòu)的嵌入式遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)的解決方案；系統(tǒng)以ARM-CORTEX-A8為主控板的核心處理器，Linux操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序的運行環(huán)境，同時在Linux系統(tǒng)中搭建了嵌入式BOA服務(wù)器；系統(tǒng)中使用html語言完成系統(tǒng)與用戶的交互頁面，并通過CGI技術(shù)實現(xiàn)了瀏覽器與嵌入式服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互；為不改變原有建筑電力布線，系統(tǒng)終端采用zigbee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程的用電監(jiān)控，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)；為使系統(tǒng)運行效率高，主進程中使用多線程技術(shù)完成系統(tǒng)中各任務(wù)，系統(tǒng)中使用數(shù)據(jù)共享內(nèi)存的方式完成各進程間的數(shù)據(jù)通信，使用消息隊列實現(xiàn)客戶端對系統(tǒng)終端設(shè)備的控制，系統(tǒng)中通過sqlite3數(shù)據(jù)庫完成所有歷史數(shù)據(jù)的記載；通過系統(tǒng)實驗測試，該系統(tǒng)可以正確響應(yīng)用戶需求以及滿足校園內(nèi)所設(shè)置的合理用電申請的遠(yuǎn)程用電管理要求，在安全、節(jié)約用電的同時有最大程度的方便了校園內(nèi)非常規(guī)工作需求。

B/S架構(gòu)；Linux操作系統(tǒng)；BOA服務(wù)器；遠(yuǎn)程用電管理

0 引言

校園內(nèi)從安全用電、節(jié)約用電的角度出發(fā)，對各個用電部門通常采取限功率用電，從整體使用效果上看，校園的安全、節(jié)約用電的狀況有所改善，但有時校園內(nèi)有些用電部門需要短時間、臨時性的較大功率用電，例如冬天里學(xué)生使用吹風(fēng)機吹干頭發(fā)，就會受到學(xué)生公寓限功率用電的影響，學(xué)校是學(xué)生們學(xué)習(xí)的場所，但也是他們生活的地方，因此學(xué)生公寓應(yīng)在保證安全和節(jié)約用電的前提下，應(yīng)盡量的方便學(xué)生們的日常生活；學(xué)校內(nèi)老師們的科研方向并不統(tǒng)一，因此一些教師的臨時性的大功率的用電實驗，實驗室內(nèi)配電箱的功率限額用電也會影響到他們的科研工作。同時學(xué)?？紤]要為教職工和學(xué)生提供一個良好的工作和學(xué)習(xí)環(huán)境，對于一些單位的用電又是自由開放式的，如教學(xué)樓的照明燈常常是學(xué)生進入教室后打開，而離開后又忘記關(guān)閉電源，這又造成了不必要的用電浪費；學(xué)生公寓內(nèi)寢室照明燈常亮等用電浪費現(xiàn)象比比皆是。對于上述現(xiàn)象校園內(nèi)需要一個智能平臺來合理的分配和管理校園內(nèi)的用電，因此提出了一種基于B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)，來解決在保證安全、節(jié)約用電的基礎(chǔ)上，又不影響校園內(nèi)處理工作中臨時性、突發(fā)性事件工作的遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)中所有的用戶分為兩種權(quán)限，即普通用戶和系統(tǒng)管理員。系統(tǒng)中普通用戶均為校園內(nèi)的各用單部門的非專業(yè)技術(shù)人員，普通用戶僅具有申請用電和查看用電的權(quán)限。系統(tǒng)管理員為校園內(nèi)各個部分用電管理中心的工作人員，系統(tǒng)的管理員不僅具有普通用戶的權(quán)限還具有設(shè)置各個電部門允許申請用電功率上限、用電時長、申請用電次數(shù)等權(quán)限。用戶遠(yuǎn)程通過瀏覽器輸入系統(tǒng)主控板的IP地址訪問用電管理系統(tǒng)。訪問到用電管理系統(tǒng)頁面后使用自己的賬號和密碼登錄系統(tǒng)用電管理系統(tǒng)，選擇自己所在的用電單位進行系統(tǒng)的用電訪問。如若用戶需要申請用電則需在網(wǎng)頁上填寫用電申請信息，其中包括用電部門，用電功率，用電時長，用電開始時間，申請用電原因等相關(guān)信息，在用電管理系統(tǒng)接收到用戶填寫的用電申請后，會由系統(tǒng)中的Boa服務(wù)器創(chuàng)建的CGI進程獲取瀏覽器頁面表單中的有效數(shù)據(jù)信息，下傳到系統(tǒng)主控進程，主控進程依據(jù)校園內(nèi)的整體用電情況，完成數(shù)據(jù)分析，并作出合理控制，同時將用電申請結(jié)果反饋給用戶。若用戶的用電申請未通過系統(tǒng)的批準(zhǔn)，系統(tǒng)則通過頁面消息告知用戶未通過用電申請原因，若系統(tǒng)通過了用戶的用電申請，系統(tǒng)將會將用戶的用電申請信息進行有效數(shù)據(jù)篩選，并通過串口傳給Zigbee中間節(jié)點，由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點完成用電申請的實際開關(guān)量操作。對于各個部門的功率限電上限，單次用電時長等重要用電參數(shù)的更改，僅能可以由系統(tǒng)管理員通過用電管理系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置更改完成。以保證用電管理系統(tǒng)的安全合理使用。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)實現(xiàn)思路

系統(tǒng)實現(xiàn)的思路大體由兩條路線組成，其系統(tǒng)設(shè)計思路框圖如圖2所示。一條路線為用戶端通過用電管理系統(tǒng)的登錄頁面向主控制進程發(fā)送查看或設(shè)置指令。這一過程中需要用戶登錄自己的賬號申請用電，因此需要在管理系統(tǒng)的前端加入用戶數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)庫，當(dāng)有用戶登錄系統(tǒng)時，系統(tǒng)需要匹配登錄的賬號與密碼是否與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息匹配。待用戶進入管理系統(tǒng)后，系統(tǒng)就會接收用戶的數(shù)據(jù)信息，這時無論用戶是否成功申請用電，系統(tǒng)均應(yīng)連同當(dāng)前時間以及用電申請結(jié)果記錄到管理系統(tǒng)的用電管理數(shù)據(jù)庫中，以便其他進程的使用。設(shè)計思路中的另一條路線為系統(tǒng)終端無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點的信息采集、最終的指令執(zhí)行狀態(tài)反饋給系統(tǒng)主控進程。這一過程主要涉及到用戶以及管理員對用電單位的用電查詢，用電申請以及當(dāng)前的用電狀態(tài)的查詢。當(dāng)用戶通過管理系統(tǒng)查詢某一時間的用電情況時，僅需從用電管理數(shù)據(jù)庫中調(diào)出歷史數(shù)據(jù)；若用戶需要了解當(dāng)前的用電狀態(tài)，管理系統(tǒng)的主進程會通過核心控制板的的串口與zigbee中間節(jié)點通信得到的底層工作狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)進行量化轉(zhuǎn)換存儲到用電管理數(shù)據(jù)庫中；若用戶是申請用電，在主控進程下發(fā)數(shù)據(jù)指令后，zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)將底層開關(guān)量的實際狀體狀態(tài)反饋給管理，這一過程管理系統(tǒng)應(yīng)將指令反饋狀態(tài)加載到數(shù)據(jù)庫中保存信息。再上述情況收集完信息后，系統(tǒng)的主控進程將信息通過CGI應(yīng)用程序通過BOA服務(wù)器刷新html頁面表單中的顯示數(shù)據(jù)，以便最終可以在瀏覽器上顯示有效信息。若是遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)的終端檢測到終端工作環(huán)境有異常狀態(tài)，也會上傳到瀏覽器頁面，并通過瀏覽器頁面指示標(biāo)志示警。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 系統(tǒng)中各線程結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的主控進程初始為系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫中完成各個表單的創(chuàng)建，然后初始化各個線程間所使用到的線程鎖和條件變量，以及全局變量的定義，接著開啟各個線程，各線程間關(guān)系如圖3所示。其中包括用戶端請求線程，其作用是獲得CGI進程中的通信數(shù)據(jù)信息，其激活方式為消息隊列內(nèi)容不為空；數(shù)據(jù)處理線程，其作用是通過消息隊列中獲取數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析處理，判斷其獲取到的數(shù)據(jù)是否為合理范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后將獲得到的數(shù)據(jù)信息按照用戶類別進行分類，將處理好的有效數(shù)據(jù)加載到鏈表中，然后發(fā)送條件變量信號，供相關(guān)進行使用，用戶端請求線程發(fā)送的條件變量信號為其激活條件；數(shù)據(jù)庫線程是將用戶端的所有的指令信息，以及指令信息執(zhí)行狀態(tài)的記錄備份，其激活狀態(tài)為鏈表節(jié)點中有數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)處理線程發(fā)送條件變量信號；終端接收線程，主要是通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點對配電柜工作狀態(tài)信息的采樣，以及各個用電單位的功率限定值，zigbee中間節(jié)點通過串口的方式與主控板進行連接，因此線程僅需讀取串口設(shè)備文件信息即可，待數(shù)據(jù)信息讀取后向數(shù)據(jù)解析線程發(fā)送條件變量信號；數(shù)據(jù)解析線程是依據(jù)ARM-CORTEX-A8與zigbee中間節(jié)點設(shè)備的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)的解析；共享內(nèi)存刷新線程，用以刷新共享內(nèi)存，html頁面表單中的顯示數(shù)據(jù)，在主控進程與CGI進程通信中起著重要作用。在系統(tǒng)中出現(xiàn)問題時系統(tǒng)中在所有子線程會依次退出，知道主線程結(jié)束，主線程結(jié)束后會釋放所有資源然后退出，即主控進程結(jié)束，這樣就保證了系統(tǒng)不會因癱瘓在某一環(huán)節(jié)影響了系統(tǒng)的整體工作情況系統(tǒng)的主線程還使用了外部中斷信號來響應(yīng)用戶強制性結(jié)束控制的方法。

圖3 系統(tǒng)各線程間關(guān)系

2.2 用戶端到終端信息傳輸

系統(tǒng)中的用戶到終端信息傳輸流程如圖4所示。主控進程在開啟各個線程工作后，用戶數(shù)據(jù)處理線程會創(chuàng)建消息隊列，用以獲取CGI應(yīng)用程序的指令信息；為確保主控進程的控制指令到終端無線設(shè)備的指令信息不丟失，在主控進程中還應(yīng)創(chuàng)建一個串口數(shù)據(jù)緩沖鏈表，用戶請求線程可以一直接收用戶的請求信息，不必等待系統(tǒng)終端是否完成數(shù)據(jù)的處理，線程中接收到的信息全部加載到數(shù)據(jù)緩沖鏈表中，數(shù)據(jù)處理線程會從鏈表中的節(jié)點信息獲取到用戶請求信息，并分別放入到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)鏈表中，和通過串口將節(jié)點信息下傳給用電管理系統(tǒng)的終端部分，這樣就會大大減少信息丟失現(xiàn)象。

當(dāng)系統(tǒng)識別到的是普通用戶權(quán)限，系統(tǒng)獲取消息隊列的鎖，然后依次獲取消息隊列中的不同類型的數(shù)據(jù)信息，解析獲取到的信息，并發(fā)送條件信號以激活相對應(yīng)阻塞的線程，直到消息隊列空為止。若解析到的信息是查看用電指令，主控進程需要調(diào)用數(shù)據(jù)線程，依據(jù)用戶填寫的用電部門和查詢時間，將數(shù)據(jù)庫內(nèi)匹配的數(shù)據(jù)信息反饋給主控制進程，由主控進程做進一步的處理。如果解析到的指令信息為用電申請，則主控進程中用戶請求線程將會激活數(shù)據(jù)處理線程，數(shù)據(jù)處理線程會依據(jù)現(xiàn)有的用電信息的處理用戶端的請求信息，數(shù)據(jù)處理線程將會接收用戶信息，并分析用戶的用電申請時間段內(nèi)的用電量是否合理，如果合理則激活串口服務(wù)進程，將解析后的信息下傳到無線網(wǎng)絡(luò)終端，如果用電申請不合理，則將錯誤信息反饋給用戶。

當(dāng)系統(tǒng)識別到登錄用戶的權(quán)限為系統(tǒng)管理員時，主控進程中的系統(tǒng)管理線程將會獲得鎖資源，同時依靠于CGI進程通信獲得的表單數(shù)據(jù)進行解析有效信息，更改相關(guān)用電部門的額定功率限定值的設(shè)置，單次用電時長以及各部門用電峰值預(yù)警狀態(tài)，然后將數(shù)據(jù)信息加入到數(shù)據(jù)庫信息鏈表中，同時向數(shù)據(jù)庫線程中發(fā)送信號量，當(dāng)數(shù)據(jù)庫線程獲得資源鎖并檢測到條件變量信號后，會將數(shù)據(jù)庫信息鏈表中的所有節(jié)點數(shù)據(jù)信息依次解析，并將解析后節(jié)點信息存放在相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表單中。

圖4 用戶到終端信息傳輸流程

2.3 系統(tǒng)終端到瀏覽器頁面的信息傳輸

系統(tǒng)終端到頁面信息傳輸流程如圖5所示。對于用電管理系統(tǒng)中工作在配電室的終端設(shè)備，為滿足配電室的智能化管理，還要求終端設(shè)備可以監(jiān)控工作室的環(huán)境信息，因此在終端工作環(huán)境內(nèi)設(shè)置溫度傳感器、濕度傳感器，若配電室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度異常，就會觸發(fā)系統(tǒng)報警。同時配電室內(nèi)應(yīng)禁止非工作人員的進入，因此用電系統(tǒng)要求每個工作人員應(yīng)刷RFID卡后才允許進入配電室內(nèi)，每個進入的配電室工作人員的刷卡記錄都會備份到用電系統(tǒng)中如有發(fā)現(xiàn)非工作人員進入，系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警信號。系統(tǒng)終端還對整個配電室內(nèi)的電壓、電流進行檢測，以保證其工作在安全值范圍內(nèi)。以上的預(yù)警信息普通用戶并不關(guān)注，系統(tǒng)用戶查詢的時間可能并不及時，因此配電室內(nèi)出現(xiàn)預(yù)警信息后需要無線終端設(shè)備主動上傳，并交由主控進程處理。

用電系統(tǒng)的終端上傳信息的另一種情況為用戶端發(fā)送指令信息到用電系統(tǒng)，若用戶端發(fā)送的是申請指令則系統(tǒng)的終端設(shè)備會檢測開關(guān)量的實際動作狀態(tài)并通過zigbee無線傳輸?shù)姆绞缴蟼鹘ozigbee中間節(jié)點，在zigbee中間節(jié)點中會創(chuàng)建串口接收數(shù)據(jù)鏈表，并將每個無線終端節(jié)點上傳的所有信息作為一個節(jié)點加入到該鏈表中，串口接收線程會將循環(huán)取出鏈表節(jié)點信息放到消息隊列中，并發(fā)送條件變量信號激活數(shù)據(jù)解析線程，直到鏈表為空。數(shù)據(jù)解析線程被激活后，會依據(jù)系統(tǒng)自定的通信協(xié)議對節(jié)點信息進行解析。并將解析后的數(shù)據(jù)放到全局變量中，同時向共享內(nèi)存線程發(fā)送條件變量信號，激活共享內(nèi)存變量，使其刷新共享內(nèi)存中的有效信息，從而使用戶可以通過網(wǎng)頁瀏覽到用電系統(tǒng)的終端工作狀態(tài)。若用戶發(fā)送的是用電查看指令，主控進程則會激活數(shù)據(jù)庫線程，反饋其內(nèi)保存的歷史記錄信息。

圖5 終端到頁面信息傳輸流程圖

3 系統(tǒng)測試

每個用電部門均有一個遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)的核心監(jiān)控主板，即每個用電部門均有一個用電管理系統(tǒng)自己的IP地址，當(dāng)用戶通過瀏覽器登錄用電管理系統(tǒng)主頁面時，會需要用戶填寫單位，系統(tǒng)會依據(jù)用戶所填寫的用電單位，后臺數(shù)據(jù)庫搜索，通過內(nèi)部鏈接跳轉(zhuǎn)到制定單位的用電管理系統(tǒng)中心中，完成自己的業(yè)務(wù)需求。

如某老師需到實驗室進行大功率實驗，在登錄系頁面后需正確填寫用電申請選項，其申請用電單位是4號樓103室，申請用電功率為3.3 KW，用電開始時間為14:00，用電時長30分鐘，用電原因大功率負(fù)載實驗，其用電申請頁面如圖6所示。填寫完申請用電后，系統(tǒng)3秒鐘后會有反饋結(jié)果，若是申請用電成功，則顯示成功，若是失敗，系統(tǒng)會給出申請用電失敗的原因歸屬類。

圖6 申請用電頁面

若宿管人員需要查看本單位各個寢室房間的用電情況，在登錄系統(tǒng)平臺中輸入自己的職工編號和密碼后再輸入本單位的編號，如5號樓，其系統(tǒng)反饋頁面如圖7所示，第一列為本單位中各個房間號，然后依次為每個房間每月可用電量，即學(xué)校每個期望學(xué)生用電30 kW,如學(xué)生有超出部分，則需要學(xué)生自己支付超出部分的用電費用，當(dāng)月已使用的電量，當(dāng)前可申請短時間內(nèi)可使用的限定功率最大值，即每次學(xué)生短時間內(nèi)可使用的最大用電功率為1.8 kW。當(dāng)月的剩余電量，以及當(dāng)日已申請的用電次數(shù)。每個寢室的每日可申請的用電次數(shù)是由系統(tǒng)管理員來設(shè)置的，同時單詞允許使用大功率用電的時長也是由系統(tǒng)管理員來設(shè)置，這樣就避免了學(xué)生們無限次連續(xù)的使用的使用大功率用電器，這樣處理的目的是既方便了學(xué)生的用電，又可以有效的安全和節(jié)約用電。

圖7 管理員查詢頁面

4 結(jié)束語

遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，它是依據(jù)當(dāng)今社會各高校還在依賴人工管理的用電管理系統(tǒng)中存在的缺陷和弊端下提出的一套智能用電管理平臺，將校園內(nèi)的系統(tǒng)用電合理化重新分配，考慮到對于不同用戶的安全、節(jié)約用電，遠(yuǎn)程用電系統(tǒng)對各個部門的用電申請?zhí)岢隽讼到y(tǒng)限制，保證各個部門合理的申請和查看本部門的用電情況的基礎(chǔ)上，同時系統(tǒng)終端還會對終端的工作環(huán)境進行檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)信息進行系統(tǒng)上傳，以及工作預(yù)警。遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)將使所有用戶同一平臺分權(quán)限管理，降低同一平臺多用戶工作的耦合性，遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)在保證了校園安全節(jié)約用電的基礎(chǔ)上，智能化的對校園內(nèi)各用電單位從新分配電能，對于各個用電單位合理的用單查看和申請不需要繁瑣的審批流程，既提高了辦事的快速性，也是工作變得靈活可靠。通過系統(tǒng)測試，遠(yuǎn)程用電管理系統(tǒng)在達(dá)到校園內(nèi)安全節(jié)約用電的同時，還極大的方便了各用電部門靈活用電調(diào)度的工作，對于開放用電部門也改善了傳統(tǒng)的用電浪費的現(xiàn)象。

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Embedded Remote Electricity Management System Based on B/S Architecture

Zhang Yangwei，Li Chengfeng，Zhang Feng

(Institute of Electrical Engineering,Suihua University,Suihua 152061,China )

Aiming at the shortcomings and drawbacks of the existing power management system in campus, a solution of embedded remote electricity management system based on B / S architecture is proposed . The system uses ARM-CORTEX-A8 as the core processor of the main control board and the Linux operating system as the running environment of the application program. At the same time, the embedded BOA server is built in the Linux system . The system uses the html language to complete the system and user interaction pages, and through the CGI technology to achieve the browser and embedded server data interaction . In order not to change the original building power wiring, the system uses ZigBee wireless network terminal to achieve remote power monitoring, remote power management system is designer. In order to make the system run efficiently, the main process uses multithreading technology to complete the tasks in the system. The system uses data shared memory to complete the data communication between the processes. The message queue is used to realize the control of the system terminal equipment. Through the Sqlite3 database to complete all the historical data records . Through the system test, the system can correctly respond to user needs and to meet the campus set by the rational use of electricity applications for remote power management requirements in the safe and save electricity at the same time have the greatest degree of convenience to the campus of the unconventional work requirements.

B/S framework; Linux operating system; BOA web server; remote management of electricity

2017-01-13；

2017-02-21。

綏化學(xué)院杰出青年基金(SJ16009)。

張陽偉(1987-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要從事計算測量控制方向的研究。

1671-4598(2017)07-0246-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.061

TP316

A