基于互聯(lián)網(wǎng)+的高校能源管理信息系統(tǒng)設計與開發(fā)

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(浙江工業(yè)大學 容大后勤集團，杭州 310014)

基于互聯(lián)網(wǎng)+的高校能源管理信息系統(tǒng)設計與開發(fā)

鐘斌，李君毅

(浙江工業(yè)大學容大后勤集團，杭州310014)

為了實現(xiàn)高校能源管理的信息共享，提高對高校能源信息管理的智能水平，提出一種基于互聯(lián)網(wǎng)+的高校能源管理信息系統(tǒng)開發(fā)設計方案；系統(tǒng)采用感知層、網(wǎng)絡層和應用層的三層結構，采用RFID、 條形碼、藍牙、紅外等數(shù)據(jù)信息感知技術進行高校能源信息的原始采集，在網(wǎng)絡層通過ZigBee 和無線通信技術進行信息融合傳輸，在控制設備中導入原始數(shù)據(jù)，在互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下建立數(shù)據(jù)處理中心，根據(jù)能源管理系統(tǒng)的現(xiàn)實需求進行信息融合和數(shù)據(jù)存儲管理，設計嵌入式控制器對串口、并口、USB端口、以太網(wǎng)口及GPIB接口進行集成控制，在Linux內核下實現(xiàn)高校能源管理信息系統(tǒng)應用程序開發(fā)；系統(tǒng)測試結果表明，采用該系統(tǒng)進行高校能源管理，具有較好的信息存儲、信息調度和信息檢索能力。

互聯(lián)網(wǎng)+；高校能源管理；信息系統(tǒng)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術和互聯(lián)網(wǎng)通信技術的不斷革新和成熟，社會進入“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，“互聯(lián)網(wǎng)+”是創(chuàng)新2.0下的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新業(yè)態(tài)，它指依靠無線通信技術、Internet技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，通過信息融合和信息系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合，促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和信息管理的升級[1]，在互聯(lián)網(wǎng)+的推動模式下，互聯(lián)網(wǎng)思維推動新的信息產(chǎn)業(yè)革命，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)金融、經(jīng)濟、社會和信息管理交融。

在互聯(lián)網(wǎng)+的信息社會環(huán)境下，對傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)進行升級，促進資源信息共享。本文即是研究在互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下的高校信息管理系統(tǒng)優(yōu)化設計方案，高校的能源信息管理占據(jù)了整個高校管理的一大部分，高校的能源信息包括了產(chǎn)業(yè)信息、教學資源信息、學科科研項目管理、后勤管理、學生信息資源以及師資資源等[2-3]，高校能源管理信息的數(shù)據(jù)規(guī)模較大，更新速度較快，系統(tǒng)管理的難度較大，需要一種集成智能的能源管理信息系統(tǒng)，通過高校事務信息和能源管理信息的有效融合，實現(xiàn)能源信息共享和準確調度，研究高校能源管理信息系統(tǒng)優(yōu)化設計方法在促進高校信息化管理升級具有重要現(xiàn)實意義[4]。

本文在互聯(lián)網(wǎng)+模式下進行高校能源管理信息系統(tǒng)開發(fā)設計方案改進設計，系統(tǒng)采用感知層、網(wǎng)絡層和應用層的三層結構，首先進行了信息管理系統(tǒng)的總體設計構架分析，采用VXI總線技術進行高校能源管理信息數(shù)據(jù)采集，信息采集的設備和終端包括了RFID、 條形碼、藍牙、紅外等設備，然后構建信息處理核心控制模塊，進行能源管理信息融合和數(shù)據(jù)加工，最后在用戶終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息輸出，滿足用戶進行能源管理的信息添加、修改、檢索、能源調度共享等需求，最后進行系統(tǒng)調試和實驗分析，得出有效性結論。

1 系統(tǒng)總體設計及開發(fā)環(huán)境描述

1.1 信息管理系統(tǒng)總體設計構架

為了實現(xiàn)對高校能源管理信息系統(tǒng)設計和高校能源及資源信息的優(yōu)化調度，首先進行系統(tǒng)的總體設計構架分析。采用VXI總線技術進行高校能源管理信息數(shù)據(jù)采集，在嵌入式內核下進行高校能源管理信息系統(tǒng)的軟件開發(fā)設計，系統(tǒng)采用LabWindows/CVI進行代碼資源開放。高校能源管理系統(tǒng)主要分為信息感知模塊、存儲器模塊、網(wǎng)絡控制模塊、設備控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及交叉編譯模塊等。系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡結構設計，分別為感知系統(tǒng)、 網(wǎng)絡層傳輸系統(tǒng)和應用層系統(tǒng)[5]，如圖1所示。其中，在系統(tǒng)的感知層，通過傳感器設備、RFID標簽設備和視頻設備進行原始的高校能源管理信息采樣，在采集的能源信息通過網(wǎng)絡層進行信息傳輸，網(wǎng)絡層采用以太網(wǎng)和無線通信組網(wǎng)設計，采用嵌入式控制器PXI-8155構建網(wǎng)絡通信協(xié)議，在互聯(lián)網(wǎng)+模式下進行串口、并口、USB端口的網(wǎng)絡接口設計。在網(wǎng)絡層中，PXI-6713提供8通道模擬輸出，回放更新率1 MSa/s。

圖1 高校能源管理信息系統(tǒng)的三層網(wǎng)絡結構設計

對高校能源監(jiān)測采用的是在線自動監(jiān)測方式，系統(tǒng)所用的傳感器群采用 ZigBee 協(xié)議進行自組網(wǎng)和無線數(shù)據(jù)傳輸，通過TCP/IP 服務器或 UPD 服務器構建互聯(lián)網(wǎng)+模式下的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，采用無線傳感設計進行信息采集具有能量有限、 部署迅捷匯聚的優(yōu)點，因此在網(wǎng)絡輸出應用層以無線方式與控制器通信，設備配有 3G/4G 模塊，通過若干傳感器單位構建高校能源管理的通信模塊，將采集的環(huán)境信息通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)中心[6]。

根據(jù)上述對高校能源管理信息通的總體設計構架，進行功能模塊化分析和設計，對系統(tǒng)結構設計主要是硬件設計和軟件設計兩大部分，硬件設計主要指的是信息采集模塊的設計和網(wǎng)絡組網(wǎng)的硬件設計，軟件設計包括能源信息管理的數(shù)據(jù)庫構建、算法編程和應用程序開發(fā)等。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境描述

本文設計的高校能源管理信息系統(tǒng)開發(fā)建立在互聯(lián)網(wǎng)+的網(wǎng)絡組網(wǎng)環(huán)境中，以嵌入式Linux為平臺進行信息管理系統(tǒng)開發(fā)，嵌入式Linux的系統(tǒng)開發(fā)中，引導加載程序進行設備驅動開發(fā)，加載安裝根文件系統(tǒng)，Linux中支持多個文件系統(tǒng)，能源管理信息系統(tǒng)的進程間通信及任務調度主要通過三大模塊構成，包括進程管理、內存管理、文件系統(tǒng)。其中，進程管理完成虛擬地址空間構架，緩存設計和寄存器設計等，在有限的內存資源上構建資源信息管理的內部緩存結構，在內核源碼目錄下設計多樣化的輸入/輸出設備，為用戶提供一個簡單、統(tǒng)一的信息資源查詢和管理接口和輸出界面；內存管理是為每個進程創(chuàng)建一個虛擬內存空間，根據(jù)能源管理信息的數(shù)據(jù)結構，為文件管理系統(tǒng)提供適合不同需求的物理介質，支持完整的TCP/IP協(xié)議棧。文件系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的交叉編譯和信息訪問功能，采用無線識別( RFID)技術直接控制系統(tǒng)的硬件設備，通過粘貼、 植入、 插放功能存儲識別信息的介質，經(jīng)RFID 電子標簽調節(jié)器傳送給 Reader，系統(tǒng)通過條碼閱讀器、標簽識別器將所需的能源管理信息資源進行批處理操作，通過智能化管理在源碼目錄的net中實現(xiàn)對高校能源管理信息的調度和訪問[7]。

電子標簽( Tag)、 閱讀器( Reader)等硬件設備采用Socket編程、嵌入式Web服務設計，系統(tǒng)設計采用采析、設計、編碼、測試流程，充分利用開源Linux操作系統(tǒng)調度豐富的網(wǎng)絡信息資源，根據(jù)硬件需要進行虛擬機及操作系統(tǒng)的安裝，互聯(lián)網(wǎng)+模式下的高校能源管理信息系統(tǒng)嵌入式軟件的開發(fā)用來編譯生成可執(zhí)行程序代碼，通過網(wǎng)口、串口、USB口或JTAG口下載到Windows或Linux計算機上的存儲系統(tǒng)中，從而完成整個信息處理和交叉編譯操作[8]，根據(jù)上述設計，得到高校能源管理信息系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境構造圖如圖2所示。

圖2 高校能源管理信息系統(tǒng)構造圖

2 系統(tǒng)硬件設計部分

系統(tǒng)硬件設計是整個高校能源管理信息系統(tǒng)設計的基礎，硬件設計的核心在于能源管理信息的采集和網(wǎng)絡控制層設計兩大部分，能源管理信息采集采用RFID和藍壓傳感器等設備進行信息采樣，通過外部I/O設備實現(xiàn)信息輸入輸出，由邏輯控制設備實現(xiàn)信息融合調度處理。能源管理信息采集負責高校能源信息、師資信息、教學信息等數(shù)據(jù)的采集、處理、與上位機通信，用MUX101程控開關控制AD8021采樣設備，PC機上顯示的A/D采樣結構，通過D/A轉換器給DSP調整放大倍數(shù)，能源管理信息系統(tǒng)采樣率至少200 KHz，由Mux101多路開關控制放大器，考慮到輸入信號幅值較低，頻率較大的問題，在數(shù)據(jù)信息采樣中，模擬預處理機第一級選用AD8021，第二級選用VCA810，它是TI公司推出的一款寬帶電壓控制放大器。根據(jù)指標選用合適的晶振，設計LC濾波電路消除直流偏置，使放大器滿幅輸出，根據(jù)MAX7425的電子特性，通過自定義總線SCSI-68實現(xiàn) UART 接口與 USB 接口之間的轉換。在開源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)中，使用2 KB 的 RAM 以及符合 IEEE802.15.4 標準的RF 收發(fā)器實現(xiàn)高校能源管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)和傳輸。在網(wǎng)絡傳輸層，進行信息控制的主芯片選用 TI 公司的 CC2538 芯片，通過設置寄存器與 CC2538 主芯片持續(xù)通信，將控制指令送入 HC-SR04 模塊，啟動定時器，程序開始運行后，當 DataTxFlag=1 時，ARM Cortex-M3 內核將接收的數(shù)據(jù)取出，由此完成了高校能源管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和信息感知，設計電路圖如圖3所示。

圖3 高校能源管理信息采集設計電路圖

在信息采集部分的方案確定之后，進行信息管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡層設計，在互聯(lián)網(wǎng)+模式下，網(wǎng)絡層設計采用的是反饋動態(tài)增益控制設計理論，通過SCSI-68反饋動態(tài)增益為網(wǎng)絡差的繼電器輸出控制信號，程序開始運行后，配置寄存器寫入前導碼、 同步字、數(shù)據(jù)RF 控制字[9]，編譯鏈接工具為 arm-none-ehtgbi-gbtf，系統(tǒng)初始化及參數(shù)配置完畢之后， 設置任務標志 taskFlag，其中，能源信息管理的任務標志對應狀態(tài)設定見表1。

表1 高校能源管理任務標識對應狀態(tài)

表1給出的標簽狀態(tài)字，確定接收模塊，寫入相應的初始化控制字，執(zhí)行信息系統(tǒng)的程序中斷和時鐘中斷，接收標志 RxPacketReceived，調用發(fā)送程序，將觸發(fā)信號送入 HC-SR04 模塊，進行能源管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡鏈路層開發(fā)設計[10]，根據(jù)上述設計原理，得到高校能源信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡層設計硬件結構圖如圖4所示。

圖4 高校能源信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡層設計硬件結構圖

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件開發(fā)建立在基于X86架構的CPU上，在開發(fā)平臺上集成GNU開發(fā)工具集，如C編譯器GCC，C++編譯器G++，系統(tǒng)設計采用ST 超低功耗 ARM Cortex?-M0 微控制器作為嵌入式STM32宿機的核心控制單元，通過配置CAN_IMASK寄存器與嵌入式STM32宿機連接，設計程序加載模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊進行數(shù)據(jù)加載和程序引導，在dev目錄下建立通信信息數(shù)據(jù)庫，充分考慮了高校能源管理信息系統(tǒng)硬件資源的指標性能，在子系統(tǒng)的架構中，在互聯(lián)網(wǎng)+模式下實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運算、 信息識別、大數(shù)據(jù)存儲等功能，在系統(tǒng)中的核心層級，構建用戶交互組件，在網(wǎng)絡的通信組件中進行指令處理和本地存儲，通過資源調度在互聯(lián)網(wǎng)+模式下實現(xiàn)資源共享，因此整個系統(tǒng)的軟件開發(fā)實現(xiàn)了高校能源信息的集成與管理、分布式并行處理、數(shù)據(jù)分析服務，軟件開發(fā)實現(xiàn)流程圖如圖5所示。

圖5 高校能源信息管理系統(tǒng)軟件開發(fā)設計流程

根據(jù)圖5的設計流程，進行信息系統(tǒng)軟件的模塊化開發(fā)設計，首先進行用戶界面開發(fā)，采用GUI開發(fā)信息管理系統(tǒng)的應用程序主界面，程序主界面由設置界面、網(wǎng)絡參數(shù)、用戶參數(shù)等部分組成，服務器端通過ZigBee 終端節(jié)點監(jiān)控能源管理信息數(shù)據(jù)的應用狀態(tài)，后臺云服務器通過互聯(lián)網(wǎng)+為服務器端提供一個虛擬服務，根據(jù)接收到的用戶指令通過 WiFi進行信息管理，實現(xiàn)高校能源管理的局域網(wǎng)接入功能。然后進行設備驅動程序開發(fā)，高校能源信息管理系統(tǒng)的設備驅動程序負責操作系統(tǒng)與硬件設備之間的交互，初始化和釋放設備，在網(wǎng)絡層通過ZigBee 和無線通信技術進行信息融合傳輸，在控制設備中導入原始數(shù)據(jù)，根據(jù)信息管理數(shù)據(jù)庫中的file_operations數(shù)據(jù)結構，調用請求函數(shù)來進行實際的I/O操作。函數(shù)指針表和塊設備通過read()、write()和ioctl()函數(shù)執(zhí)行并行調度，字符設備的驅動程序實現(xiàn)模塊的注冊及注銷效能，通過自動配置和初始化命令字，調用free_irq()函數(shù)：

define MISC_IKLUL:LDC_MINOR 255//主設備號

define DILKKFJI_NAME "pwm" //控制S3C2440內部A/D轉換

int ret;

ret = misc_rikdceger(amp;misfec);

設計嵌入式控制器對串口、并口、USB端口、以太網(wǎng)口及GPIB接口進行集成控制，控制命令定義如下：

static struct misjyfdfce mbgc = {

.minor = MISC_DIKFNJMIC_MINFSR,

.name = DEVICE_NOKFNE,

.fops = amp;dce_fovf

通過上述設計，完成A/D轉換的讀取操作，實現(xiàn)信息管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

4 系統(tǒng)測試

為了測試本文設計的系統(tǒng)在實現(xiàn)高校能源信息管理中的優(yōu)越性能，進行系統(tǒng)調試分析，實驗建立在嵌入式Linux內核平臺上，輸入命令source install編譯、安裝驅動程序，進行數(shù)據(jù)加載和程序加載，在信息管理系統(tǒng)的主界面測試信息存取的吞吐性能和信息檢索調度的準確性，在4個通道中進行高校能源管理信息檢索，通過對本文系統(tǒng)進行信息管理，對采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)本文系統(tǒng)設置數(shù)據(jù)文件名，默認路徑為系統(tǒng)安裝目錄，可以將同類數(shù)據(jù)存在一個數(shù)據(jù)文件中，能有效實現(xiàn)對高效能源信息的特征采樣和準確調度。表2給出了采用不同系統(tǒng)進行高校能源信息管理的吞吐性能、時間開銷以及檢索精度性能指標對比，分析得知，本文方法設計的信息管理系統(tǒng)的綜合指標優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

表2 系統(tǒng)性能指標對比分析

5 結束語

本文提出一種基于互聯(lián)網(wǎng)+的高校能源管理信息系統(tǒng)開發(fā)設計方案。系統(tǒng)采用三層結構設計感知層、網(wǎng)絡層和應用層的三層結構，采用RFID、 條形碼、藍牙、紅外等數(shù)據(jù)信息感知技術進行高校能源信息的原始采集，在互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下建立數(shù)據(jù)處理中心，根據(jù)能源管理系統(tǒng)的現(xiàn)實需求進行信息融合和數(shù)據(jù)存儲管理，重點對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡層等部分的硬件配置以及軟件開發(fā)進行詳細設計描述。本文設計系統(tǒng)具有較好的高校能源信息存儲、信息調度和信息檢索能力，具有很好的實用價值。

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DesignandDevelopmentofInformationSystemofUniversityEnergyManagementBasedonInternetPlus

Zhong Bin,Li Junyi

(RongDa Service Group， Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

In order to realize the energy management information sharing, improve the intelligence level of the energy information management, the university energy management information system is designed based on Internet plus. The system uses three layer structure of perception layer, network layer and application layer, the original collection of the energy information by RFID, bar code, Bluetooth and infrared data information sensing, information fusion and transmission through ZigBee wireless communication technology in the network layer, the control equipment import raw data, establish the data processing center on the Internet + environment, information fusion and data storage management according to the actual demand of energy management system, design of embedded controller for integrated control of serial port, parallel port, USB port, Ethernet interface and GPIB interface, realize the program of energy management information system application development in colleges and universities in the Linux kernel. The test results show that the system can be used for energy management in colleges and universities, and has a good ability of information storage, information scheduling and information retrieval.

Internet plus; energy management; information system

2017-03-01；

2017-03-24。

浙江省教育廳2016年一般科研項目資助(Y201635800)。

鐘 斌(1976-)，男，浙江諸暨人，碩士，工程師，主要從事高校水電及節(jié)能管理，后勤信息化方向的研究。

1671-4598(2017)09-0130-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.034

TP391

A