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嵌入式Linux的建筑能耗数据采集器开发

添加时间:2018/09/14 所属栏目:毕业设计论文
本论文依据国家住房和城乡建设部发布的《公共建筑能耗远程监测系统技术规程》的技术要求,设计了一套基于嵌入式Linux操作系统的建筑能耗数据采集器,实现了对数据采集器进行网络配置,对建筑能耗数据进行采集、处理、保存、上传等功能。
  以下为本篇论文正文:

摘要

  随着我国城市化的不断推进,常规能源消费巨大日益短缺,降低能源的消耗浪费已经成为如今经济发展和社会文明的迫切需求。由于我国建筑业的飞速成长,建筑产生的能耗占总能耗的比例日益加剧,在控制建筑能耗方面存在着巨大的节能空间。要实现建筑节能的首要条件就是掌握建筑能耗情况,建立公共建筑的能耗监测系统就非常有必要了,它能够促进我们对建筑能耗做出准确客观的评价,有利于拟定合适的节能标准。而目前能耗监测系统存在着基础能耗采集数据不准确、运行不稳定等问题,并且在某些方面上阻碍了节能技术的应用。文章针对能耗数据采集不准确等问题,设计了一套基于嵌入式Linux操作系统的建筑能耗数据采集器。

  首先文章阐述了建筑能耗的背景化及国内外的研究现状,给出了课题研究的主要内容。

  然后根据数据采集器的功能需求对数据采集器进行了总体方案设计,并在此基础上介绍了嵌入式系统。该建筑能耗数据采集器由硬件和软件两部分组成。整个硬件设计分为主控模块和外围电路模块两大部分。主控模块选取AT91SAM9260作为嵌入式处理器,外围电路模块有电源模块电路、复位电路、通信接口电路、TF卡数据储存电路和基于网络接口芯片DM9000的网络接口电路,设计的硬件系统既满足了数据采集器的各种功能,又保证了设备的稳定性和准确性。其次软件方面,构建了 W嵌入式Linux操作系统为平台,包括建立交叉编译环境、建立引导加载程序、Linux系统的剪裁与移植和文件系统的创建,实现了嵌入式Linux操作系统对数据采集硬件的管理。之后对应用程序进行了设计,包括了运用嵌入式服务器的配置模块实现基于Web方式的网络相关参数配置、通过485接曰通信的数据采集模块实现基础能耗数据采集、借助嵌入式SQLite数据库实现数据集中处理存储和基于TCP/IP协议的数据上传模块实现与能耗数据中也通过XML格式的数据包完成通信,使数据采集器能够正常运行。

  本文中的嵌入式建筑能耗数据采集器采用了开放的接曰、通用的协议和标准的Linux操作系统,使采集器具有了运行稳定和良好的可扩展性。建筑能耗数据采集器的研究可W给面向其他领域数据采集器的研究一定的参考价值。

  关键词:建筑能耗数据采集器,AT91SAM9260,嵌入式Linux,嵌入式服务器,SQLite

ABSTRACT

  With the continuous development of urbanization in China, the huge shortage of conventional energy consumption, and reduce the waste of energy consumption has become an urgent need for economic development and social civilization. Due to the rapid growth of China's construction industry,buUding energy consumption accounts for the proportion of total energy consumption,there is hug energy saving space in the control of building energy consumption. To achieve the first condition of building energy efficiency is th master the building energy COnsumption,the estabUshment of public building energy monitoring systhm is very necessary; it can promote us th make ol)jective and accurate evaluation of building energy COnsumption and 1:0 develop appropriate standards for energy COnservation. But the current energy COnsumption monitoring system has some problems,such as the basic energy COnsumption data collection is not accurate,the operation is not stable and so on5 and in some ways,it hinders the application of energy saving thchnology. Aiming at the problem of inaccurate data acquisition, a building energy COnsumption data acquisition system based on embedded Linux operating system is designed in this paper.

  Firstly, this paper expounds the present situation research background and the domestic and international building energy consumption, are the main content of the research. Then according to the functional requirements of data acquisition for data acquisition for the overall program design, and on this basis, we introduced the embedded system.The building energy consumption data acquisition system is composed of two parts: hardware and software. The hardware design of main control module and peripheral circuit module two parts. Main control module selects the AT91SAM9260 as embedded processor, peripheral circuit module with power module circuit, reset circuit,communication interface circuit,TF card data storage circuit and network interface circuit based on the network interface chip dm9000. Design of the systhm hardware can not only satisfy the various features of the data collector, and ensure the stability and accuracy of the equipment. Secondly in the software aspect,to build the embedded Linux operating system as a platform,ineluding building the cross compile environment,establishment of bootloader, Linux tailoring and transplantation of file system creation,the realization of the embedded Linux operating system for data acquisition hardware management. After application of the design, including the use of embedded server module configuration, Web-based way of network-related parameters,in achieve basic energy consumption data collected by the data acquisition module 485 interface for communication, with an embedded SQLite database for data centralization storage and processing based on TCP / IP protocol data upload module and data center energy consumption through the completion of the communication packets XML so that the data collector to run properly.

  In this paper, the embedded buUding energy consumptio。data acquisition system uths an open interface, universal protocol and standard Linux operating system; so that the collector has a stable and good scalability.Building energy consumption data acquisition research study can give some reference value for other areas of data acquisition.

  Keywords: Building energy consumption data collector, AT91SAM9260, Embedded Linux, Embedded Server, SQLite

  根据目前的能源消耗结构统计,中国建筑能耗的总体情况在持续増长,建筑能耗所占的比例从二十世纪八十年代的15%,上升到27.45%,逐渐接近。向着发达国家建筑能耗所占比例(32%)靠扰。随着国家的不断发展和人民生活水平的提高,根据预测我国的建筑能耗所占比例还会上升接近10%,超过工业能轻成为第一用能领域。而大型公共建筑的能源浪费问题在建筑能耗中尤其重要。国家发改委能源研究所、住建部的公开信息务,国家机关办公建筑和大型公共建筑在总面积仅仅只有全国城镇建筑总面积5%的情形下耗电量居然占到了 23%。由此可以表明我国实现建筑节能的急迫性。在这般大的比重面前,建筑能耗开始制约我国经济的飞速发展口]。在"十H五"规划中也提出了总体目标,未来要大力发展建筑节能技术、城市节能工程等重点领域,提高建筑节能标准,完善节能建筑评价体系。

  根据中国公共建筑能耗调研分析,表明推进节能减排的措施在公共建筑节能方面还有很大的空间。加强公共建筑节能可从两方面动手:一方面抵制倡导某些现代化的口号,如"高、大、新、奇",就是限制新建高能耗大型公共建筑数量,尽可能发展与自然和谐的"普通公共建筑另一方面用数据说话,通过准确能耗数据找出建筑节能过程中出现的问题,把测评各种举措的成效也集中到建筑能耗数据中,逐步把公共建筑节能工作转移到通过数据对比达成建筑能耗的下降以。要实现建筑节能的首要条件是掌握建筑能耗情况,进一步了解耗能突出情况,因此建立公共建筑的能耗监测系统就非常重要了。

  建筑能耗监测系统能够采集各类庞大的原始能耗数据,并通过分析处理数据了解建筑能耗特点、优化设备的工作策略,做出节能判断,从而达到对能源消耗的控制,提升了能源使用率,减少对各项能源的消耗[4]。近年来,我国能耗监测管理得到了不同程度的改善,尤其是在物联网的推动下,建立能耗实时监测管理体系、控制节能数量己经是触手可及的事情。通过加强监测数据的统计和分析,使能耗监测平台切实成为加强节能管理、提高节能水平的有效工具。建筑能耗监测平台的建设是节能监管体系五项制度的数据基础和技术支撑,可以推进能源统计、能效公示、能耗定额巧节能服务等工作以。党的十八届五中全会提出要坚持节约资源的基本国策,建筑节能也日趋受到政府直古未有的关注。这对我们来讲既是一次挑战,也是一个难能可贵的机遇。

  建筑能耗数据采集器需要具备现场数据采集、数据实时显示储存、数据传输等功能,它最重要的作用是通过采集大量计量装置的能耗数据经过处理上传给数据中也,来反映建筑的能耗状况。建筑能耗采集器作为一种性能强大的嵌入式设备,巧妙地将数据采集与网络传输结合在了一起,使数据能够被完整准确的采集保存,而这正恰恰就是保证建筑节能监测平台运行稳定和准确的前提。由此可见,嵌入式建筑能耗数据采集器的研究是十分必要的,可以在社会上产生重要的应用价值和效益。

  本文根据公共建筑能耗监测系统中数据采集器部分的性能需求,设计了一种基于嵌入式Linux的建筑能耗数据采集器,该采集器基本满足了住建部发布的相关技术规程,针对现有建筑能耗数据采集器系统专用、配置繁琐以及配置不灵活等问题,增强了采集器的网络配置功能,优化了数据采集器的系统运行流程,实现了数据的稳定采集、保存和网络通信等功能。

  建筑能耗数据采集器设计与实现:

网页配置界面
网页配置界面

PMC-310电能表
PMC-310电能表

TDS-100流量计
TDS-100流量计

建筑能耗数据采集器
建筑能耗数据采集器

建筑能耗数据采集器
建筑能耗数据采集器

参数设置界面
参数设置界面

监听界面
监听界面

目录

  摘要
  ABSTRACT
  第1章 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
    1.2 国内外研究现状
      1.2.1 基于嵌入式数据采集系统的研究现状
      1.2.2 建筑能耗监测系统的发展动态
    2 课题研究的主要内容
  第2章 数据采集器总体设计方案及相关技术
    2.1 数据采集器总体设计方案
      2.1.1 建筑能耗数据采集器功能需求
      2.1.2 建筑能耗数据采集器总体设计
    2.2 嵌入式系统技术
      2.2.1 嵌入式系统定义及特点
      2.2.2 嵌入式操作系统
      2.2.3 嵌入式Linux系统
    2.3 本章小结
  第3章 建筑能耗数据采集器的硬件设计
    3.1 数据采集器的硬件总体结构
    3.2 核也板介绍
      3.2.1 主控串U器
      3.2.2 数据暂存电路
    3.3 外围电路的设计
      3.3.1 电源模块
      3.3.2 复位电路
      3.3.3 通信接口电路设计
      3.3.4 TF卡数据储存电路设计
      3.3.5 网络通信电路设计
    3.4 本章小结
  第4章 嵌入式Linux系统软件平台的搭建
    4.1 建立交叉编译环境
      4.1.1 VMware Workstation 的安装
      4.1.2 Ubuntu 的安装
      4.1.3 交叉编译器的安装
    4.2 建立引导加载程序
      4.2.1 Bootloader 介绍
      4.2.2 U-boot 移植
    4.3 Linux系统内核的移植
      4.3.1 Linux内核组成及其目录结构
      4.3.2 Linux内核的配置和编译
    4.4 文件系统的创建
      4.4.1 根文件系统介绍
      4.4.2 根文件系统的构建
      4.4.3 根文件系统镜像的制作
    4.5 本章小结
  第5章 建筑能耗数据采集器的软件设计与实现
    5.1 数据采集器软件的总体设汁
    5.2 配置模块的设计
      5.2.1 嵌入式Boa月良务器
      5.2.2 Boa的配置与移植
      5.2.3 CGI
      5.2.4 CGI 程序设计
      5.2.5 网页配置界面的设汁
    5.3 数据采集模块的设计
      5.3.1 能耗计量表和数据采集通信协议
      5.3.2 数据采集软件程序设计
    5.4 数据处理存储模块的设计
      5.4.1 嵌入式数据库简介
      5.4.2 SQLite嵌入式数据库概况
      5.4.3 SQLite 的编译
      5.4.4 SQLite 的设计
      5.4.5 SQLite 的实现
    5.5 数据上传模块的设计
      5.5.1 网络通信协议
      5.5.2 网络通信的设计
      5.5.3 XML
      5.5.4 XML 数据格式
      5.5.5 能耗数据编码规则
      5.5.6 XML 加密
    5.6 数据采集器软件的实现
    5.7 本章小结
  第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
  参考文献
  致谢
  攻读硕±学位期间论文发表及科硏情况

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