基于B/S架構的嵌入式遠程用電管理系統

張陽偉，李成鳳，張 豐

(綏化學院 電氣工程學院，黑龍江 綏化 152061)

基于B/S架構的嵌入式遠程用電管理系統

張陽偉，李成鳳，張 豐

(綏化學院 電氣工程學院，黑龍江 綏化 152061)

針對校園中現有用電管理系統的存在的缺陷與弊端，提出了一種基于B/S架構的嵌入式遠程用電管理系統的解決方案；系統以ARM-CORTEX-A8為主控板的核心處理器，Linux操作系統為應用程序的運行環境，同時在Linux系統中搭建了嵌入式BOA服務器；系統中使用html語言完成系統與用戶的交互頁面，并通過CGI技術實現了瀏覽器與嵌入式服務器的數據交互；為不改變原有建筑電力布線，系統終端采用zigbee無線網絡實現遠程的用電監控，從而實現遠程用電管理系統；為使系統運行效率高，主進程中使用多線程技術完成系統中各任務，系統中使用數據共享內存的方式完成各進程間的數據通信，使用消息隊列實現客戶端對系統終端設備的控制，系統中通過sqlite3數據庫完成所有歷史數據的記載；通過系統實驗測試，該系統可以正確響應用戶需求以及滿足校園內所設置的合理用電申請的遠程用電管理要求，在安全、節約用電的同時有最大程度的方便了校園內非常規工作需求。

B/S架構；Linux操作系統；BOA服務器；遠程用電管理

0 引言

校園內從安全用電、節約用電的角度出發，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、節約用電的狀況有所改善，但有時校園內有些用電部門需要短時間、臨時性的較大功率用電，例如冬天里學生使用吹風機吹干頭發，就會受到學生公寓限功率用電的影響，學校是學生們學習的場所，但也是他們生活的地方，因此學生公寓應在保證安全和節約用電的前提下，應盡量的方便學生們的日常生活；學校內老師們的科研方向并不統一，因此一些教師的臨時性的大功率的用電實驗，實驗室內配電箱的功率限額用電也會影響到他們的科研工作。同時學校考慮要為教職工和學生提供一個良好的工作和學習環境，對于一些單位的用電又是自由開放式的，如教學樓的照明燈常常是學生進入教室后打開，而離開后又忘記關閉電源，這又造成了不必要的用電浪費；學生公寓內寢室照明燈常亮等用電浪費現象比比皆是。對于上述現象校園內需要一個智能平臺來合理的分配和管理校園內的用電，因此提出了一種基于B/S架構的遠程用電管理系統，來解決在保證安全、節約用電的基礎上，又不影響校園內處理工作中臨時性、突發性事件工作的遠程用電管理系統。

1 系統整體結構

遠程用電管理系統的整體結構如圖1所示，系統中所有的用戶分為兩種權限，即普通用戶和系統管理員。系統中普通用戶均為校園內的各用單部門的非專業技術人員，普通用戶僅具有申請用電和查看用電的權限。系統管理員為校園內各個部分用電管理中心的工作人員，系統的管理員不僅具有普通用戶的權限還具有設置各個電部門允許申請用電功率上限、用電時長、申請用電次數等權限。用戶遠程通過瀏覽器輸入系統主控板的IP地址訪問用電管理系統。訪問到用電管理系統頁面后使用自己的賬號和密碼登錄系統用電管理系統，選擇自己所在的用電單位進行系統的用電訪問。如若用戶需要申請用電則需在網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信息，在用電管理系統接收到用戶填寫的用電申請后，會由系統中的Boa服務器創建的CGI進程獲取瀏覽器頁面表單中的有效數據信息，下傳到系統主控進程，主控進程依據校園內的整體用電情況，完成數據分析，并作出合理控制，同時將用電申請結果反饋給用戶。若用戶的用電申請未通過系統的批準，系統則通過頁面消息告知用戶未通過用電申請原因，若系統通過了用戶的用電申請，系統將會將用戶的用電申請信息進行有效數據篩選，并通過串口傳給Zigbee中間節點，由ZigBee無線網絡的終端節點完成用電申請的實際開關量操作。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的更改，僅能可以由系統管理員通過用電管理系統的參數設置更改完成。以保證用電管理系統的安全合理使用。

圖1 系統整體結構

2 系統實現思路

系統實現的思路大體由兩條路線組成，其系統設計思路框圖如圖2所示。一條路線為用戶端通過用電管理系統的登錄頁面向主控制進程發送查看或設置指令。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的前端加入用戶數據記錄數據庫，當有用戶登錄系統時，系統需要匹配登錄的賬號與密碼是否與數據庫內的信息匹配。待用戶進入管理系統后，系統就會接收用戶的數據信息，這時無論用戶是否成功申請用電，系統均應連同當前時間以及用電申請結果記錄到管理系統的用電管理數據庫中，以便其他進程的使用。設計思路中的另一條路線為系統終端無線網絡設備節點的信息采集、最終的指令執行狀態反饋給系統主控進程。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，用電申請以及當前的用電狀態的查詢。當用戶通過管理系統查詢某一時間的用電情況時，僅需從用電管理數據庫中調出歷史數據；若用戶需要了解當前的用電狀態，管理系統的主進程會通過核心控制板的的串口與zigbee中間節點通信得到的底層工作狀態數據信息，并將數據進行量化轉換存儲到用電管理數據庫中；若用戶是申請用電，在主控進程下發數據指令后，zigbee網絡節點應將底層開關量的實際狀體狀態反饋給管理，這一過程管理系統應將指令反饋狀態加載到數據庫中保存信息。再上述情況收集完信息后，系統的主控進程將信息通過CGI應用程序通過BOA服務器刷新html頁面表單中的顯示數據，以便最終可以在瀏覽器上顯示有效信息。若是遠程用電管理系統的終端檢測到終端工作環境有異常狀態，也會上傳到瀏覽器頁面，并通過瀏覽器頁面指示標志示警。

圖2 系統設計思路

2.1 系統中各線程結構

系統的主控進程初始為系統創建數據庫，并在數據庫中完成各個表單的創建，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進程中的通信數據信息，其激活方式為消息隊列內容不為空；數據處理線程，其作用是通過消息隊列中獲取數據進行數據分析處理，判斷其獲取到的數據是否為合理范圍內的數據，然后將獲得到的數據信息按照用戶類別進行分類，將處理好的有效數據加載到鏈表中，然后發送條件變量信號，供相關進行使用，用戶端請求線程發送的條件變量信號為其激活條件；數據庫線程是將用戶端的所有的指令信息，以及指令信息執行狀態的記錄備份，其激活狀態為鏈表節點中有數據，以及數據處理線程發送條件變量信號；終端接收線程，主要是通過zigbee無線網絡終端節點對配電柜工作狀態信息的采樣，以及各個用電單位的功率限定值，zigbee中間節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備文件信息即可，待數據信息讀取后向數據解析線程發送條件變量信號；數據解析線程是依據ARM-CORTEX-A8與zigbee中間節點設備的通信協議進行數據的解析；共享內存刷新線程，用以刷新共享內存，html頁面表單中的顯示數據，在主控進程與CGI進程通信中起著重要作用。在系統中出現問題時系統中在所有子線程會依次退出，知道主線程結束，主線程結束后會釋放所有資源然后退出，即主控進程結束，這樣就保證了系統不會因癱瘓在某一環節影響了系統的整體工作情況系統的主線程還使用了外部中斷信號來響應用戶強制性結束控制的方法。

圖3 系統各線程間關系

2.2 用戶端到終端信息傳輸

系統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，用戶數據處理線程會創建消息隊列，用以獲取CGI應用程序的指令信息；為確保主控進程的控制指令到終端無線設備的指令信息不丟失，在主控進程中還應創建一個串口數據緩沖鏈表，用戶請求線程可以一直接收用戶的請求信息，不必等待系統終端是否完成數據的處理，線程中接收到的信息全部加載到數據緩沖鏈表中，數據處理線程會從鏈表中的節點信息獲取到用戶請求信息，并分別放入到數據庫數據鏈表中，和通過串口將節點信息下傳給用電管理系統的終端部分，這樣就會大大減少信息丟失現象。

當系統識別到的是普通用戶權限，系統獲取消息隊列的鎖，然后依次獲取消息隊列中的不同類型的數據信息，解析獲取到的信息，并發送條件信號以激活相對應阻塞的線程，直到消息隊列空為止。若解析到的信息是查看用電指令，主控進程需要調用數據線程，依據用戶填寫的用電部門和查詢時間，將數據庫內匹配的數據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據處理線程，數據處理線程會依據現有的用電信息的處理用戶端的請求信息，數據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的用電量是否合理，如果合理則激活串口服務進程，將解析后的信息下傳到無線網絡終端，如果用電申請不合理，則將錯誤信息反饋給用戶。

當系統識別到登錄用戶的權限為系統管理員時，主控進程中的系統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據進行解析有效信息，更改相關用電部門的額定功率限定值的設置，單次用電時長以及各部門用電峰值預警狀態，然后將數據信息加入到數據庫信息鏈表中，同時向數據庫線程中發送信號量，當數據庫線程獲得資源鎖并檢測到條件變量信號后，會將數據庫信息鏈表中的所有節點數據信息依次解析，并將解析后節點信息存放在相對應的數據庫表單中。

圖4 用戶到終端信息傳輸流程

2.3 系統終端到瀏覽器頁面的信息傳輸

系統終端到頁面信息傳輸流程如圖5所示。對于用電管理系統中工作在配電室的終端設備，為滿足配電室的智能化管理，還要求終端設備可以監控工作室的環境信息，因此在終端工作環境內設置溫度傳感器、濕度傳感器，若配電室內環境溫度、濕度異常，就會觸發系統報警。同時配電室內應禁止非工作人員的進入，因此用電系統要求每個工作人員應刷RFID卡后才允許進入配電室內，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中如有發現非工作人員進入，系統會發出預警信號。系統終端還對整個配電室內的電壓、電流進行檢測，以保證其工作在安全值范圍內。以上的預警信息普通用戶并不關注，系統用戶查詢的時間可能并不及時，因此配電室內出現預警信息后需要無線終端設備主動上傳，并交由主控進程處理。

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

圖5 終端到頁面信息傳輸流程圖

3 系統測試

每個用電部門均有一個遠程用電管理系統的核心監控主板，即每個用電部門均有一個用電管理系統自己的IP地址，當用戶通過瀏覽器登錄用電管理系統主頁面時，會需要用戶填寫單位，系統會依據用戶所填寫的用電單位，后臺數據庫搜索，通過內部鏈接跳轉到制定單位的用電管理系統中心中，完成自己的業務需求。

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3秒鐘后會有反饋結果，若是申請用電成功，則顯示成功，若是失敗，系統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，即學校每個期望學生用電30 kW,如學生有超出部分，則需要學生自己支付超出部分的用電費用，當月已使用的電量，當前可申請短時間內可使用的限定功率最大值，即每次學生短時間內可使用的最大用電功率為1.8 kW。當月的剩余電量，以及當日已申請的用電次數。每個寢室的每日可申請的用電次數是由系統管理員來設置的，同時單詞允許使用大功率用電的時長也是由系統管理員來設置，這樣就避免了學生們無限次連續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生的用電，又可以有效的安全和節約用電。

圖7 管理員查詢頁面

4 結束語

遠程用電管理系統是基于B/S架構開發的嵌入式系統的應用，它是依據當今社會各高校還在依賴人工管理的用電管理系統中存在的缺陷和弊端下提出的一套智能用電管理平臺，將校園內的系統用電合理化重新分配，考慮到對于不同用戶的安全、節約用電，遠程用電系統對各個部門的用電申請提出了系統限制，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上，同時系統終端還會對終端的工作環境進行檢測，將檢測到的數據信息進行系統上傳，以及工作預警。遠程用電管理系統將使所有用戶同一平臺分權限管理，降低同一平臺多用戶工作的耦合性，遠程用電管理系統在保證了校園安全節約用電的基礎上，智能化的對校園內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。通過系統測試，遠程用電管理系統在達到校園內安全節約用電的同時，還極大的方便了各用電部門靈活用電調度的工作，對于開放用電部門也改善了傳統的用電浪費的現象。

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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