摘要

　　隨著(zhù)我國城市化的不斷推進(jìn),常規能源消費巨大日益短缺,降低能源的消耗浪費已經(jīng)成為如今經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )文明的迫切需求。由于我國建筑業(yè)的飛速成長(cháng),建筑產(chǎn)生的能耗占總能耗的比例日益加劇,在控制建筑能耗方面存在著(zhù)巨大的節能空間。要實(shí)現建筑節能的首要條件就是掌握建筑能耗情況,建立公共建筑的能耗監測系統就非常有必要了,它能夠促進(jìn)我們對建筑能耗做出準確客觀(guān)的評價(jià),有利于擬定合適的節能標準。而目前能耗監測系統存在著(zhù)基礎能耗采集數據不準確、運行不穩定等問(wèn)題,并且在某些方面上阻礙了節能技術(shù)的應用。文章針對能耗數據采集不準確等問(wèn)題,設計了一套基于嵌入式Linux操作系統的建筑能耗數據采集器。

　　首先文章闡述了建筑能耗的背景化及國內外的研究現狀,給出了課題研究的主要內容。

　　然后根據數據采集器的功能需求對數據采集器進(jìn)行了總體方案設計,并在此基礎上介紹了嵌入式系統。該建筑能耗數據采集器由硬件和軟件兩部分組成。整個(gè)硬件設計分為主控模塊和外圍電路模塊兩大部分。主控模塊選取AT91SAM9260作為嵌入式處理器,外圍電路模塊有電源模塊電路、復位電路、通信接口電路、TF卡數據儲存電路和基于網(wǎng)絡(luò )接口芯片DM9000的網(wǎng)絡(luò )接口電路,設計的硬件系統既滿(mǎn)足了數據采集器的各種功能,又保證了設備的穩定性和準確性。其次軟件方面,構建了　W嵌入式Linux操作系統為平臺,包括建立交叉編譯環(huán)境、建立引導加載程序、Linux系統的剪裁與移植和文件系統的創(chuàng )建,實(shí)現了嵌入式Linux操作系統對數據采集硬件的管理。之后對應用程序進(jìn)行了設計,包括了運用嵌入式服務(wù)器的配置模塊實(shí)現基于Web方式的網(wǎng)絡(luò )相關(guān)參數配置、通過(guò)485接曰通信的數據采集模塊實(shí)現基礎能耗數據采集、借助嵌入式SQLite數據庫實(shí)現數據集中處理存儲和基于TCP/IP協(xié)議的數據上傳模塊實(shí)現與能耗數據中也通過(guò)XML格式的數據包完成通信,使數據采集器能夠正常運行。

　　本文中的嵌入式建筑能耗數據采集器采用了開(kāi)放的接曰、通用的協(xié)議和標準的Linux操作系統,使采集器具有了運行穩定和良好的可擴展性。建筑能耗數據采集器的研究可W給面向其他領(lǐng)域數據采集器的研究一定的參考價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：建筑能耗數據采集器,AT91SAM9260,嵌入式Linux,嵌入式服務(wù)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 format 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

　　根據目前的能源消耗結構統計,中國建筑能耗的總體情況在持續増長(cháng),建筑能耗所占的比例從二十世紀八十年代的15%,上升到27.45%,逐漸接近。向著(zhù)發(fā)達國家建筑能耗所占比例(32%)靠擾。隨著(zhù)國家的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高,根據預測我國的建筑能耗所占比例還會(huì )上升接近10%,超過(guò)工業(yè)能輕成為第一用能領(lǐng)域。而大型公共建筑的能源浪費問(wèn)題在建筑能耗中尤其重要。國家發(fā)改委能源研究所、住建部的公開(kāi)信息務(wù),國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑在總面積僅僅只有全國城鎮建筑總面積5%的情形下耗電量居然占到了　23%。由此可以表明我國實(shí)現建筑節能的急迫性。在這般大的比重面前,建筑能耗開(kāi)始制約我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展口]。在"十H五"規劃中也提出了總體目標,未來(lái)要大力發(fā)展建筑節能技術(shù)、城市節能工程等重點(diǎn)領(lǐng)域,提高建筑節能標準,完善節能建筑評價(jià)體系。

　　根據中國公共建筑能耗調研分析,表明推進(jìn)節能減排的措施在公共建筑節能方面還有很大的空間。加強公共建筑節能可從兩方面動(dòng)手:一方面抵制倡導某些現代化的口號,如"高、大、新、奇",就是限制新建高能耗大型公共建筑數量,盡可能發(fā)展與自然和諧的"普通公共建筑另一方面用數據說(shuō)話(huà),通過(guò)準確能耗數據找出建筑節能過(guò)程中出現的問(wèn)題,把測評各種舉措的成效也集中到建筑能耗數據中,逐步把公共建筑節能工作轉移到通過(guò)數據對比達成建筑能耗的下降以。要實(shí)現建筑節能的首要條件是掌握建筑能耗情況,進(jìn)一步了解耗能突出情況,因此建立公共建筑的能耗監測系統就非常重要了。

　　建筑能耗監測系統能夠采集各類(lèi)龐大的原始能耗數據,并通過(guò)分析處理數據了解建筑能耗特點(diǎn)、優(yōu)化設備的工作策略,做出節能判斷,從而達到對能源消耗的控制,提升了能源使用率,減少對各項能源的消耗[4]。近年來(lái),我國能耗監測管理得到了不同程度的改善,尤其是在物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下,建立能耗實(shí)時(shí)監測管理體系、控制節能數量己經(jīng)是觸手可及的事情。通過(guò)加強監測數據的統計和分析,使能耗監測平臺切實(shí)成為加強節能管理、提高節能水平的有效工具。建筑能耗監測平臺的建設是節能監管體系五項制度的數據基礎和技術(shù)支撐,可以推進(jìn)能源統計、能效公示、能耗定額巧節能服務(wù)等工作以。黨的十八屆五中全會(huì )提出要堅持節約資源的基本國策,建筑節能也日趨受到政府直古未有的關(guān)注。這對我們來(lái)講既是一次挑戰,也是一個(gè)難能可貴的機遇。

　　建筑能耗數據采集器需要具備現場(chǎng)數據采集、數據實(shí)時(shí)顯示儲存、數據傳輸等功能,它最重要的作用是通過(guò)采集大量計量裝置的能耗數據經(jīng)過(guò)處理上傳給數據中也,來(lái)反映建筑的能耗狀況。建筑能耗采集器作為一種性能強大的嵌入式設備,巧妙地將數據采集與網(wǎng)絡(luò )傳輸結合在了一起,使數據能夠被完整準確的采集保存,而這正恰恰就是保證建筑節能監測平臺運行穩定和準確的前提。由此可見(jiàn),嵌入式建筑能耗數據采集器的研究是十分必要的,可以在社會(huì )上產(chǎn)生重要的應用價(jià)值和效益。

　　本文根據公共建筑能耗監測系統中數據采集器部分的性能需求,設計了一種基于嵌入式Linux的建筑能耗數據采集器,該采集器基本滿(mǎn)足了住建部發(fā)布的相關(guān)技術(shù)規程,針對現有建筑能耗數據采集器系統專(zhuān)用、配置繁瑣以及配置不靈活等問(wèn)題,增強了采集器的網(wǎng)絡(luò )配置功能,優(yōu)化了數據采集器的系統運行流程,實(shí)現了數據的穩定采集、保存和網(wǎng)絡(luò )通信等功能。

　　建筑能耗數據采集器設計與實(shí)現：

網(wǎng)頁(yè)配置界面

PMC-310電能表

TDS-100流量計

建筑能耗數據采集器

建筑能耗數據采集器

參數設置界面

監聽(tīng)界面

目錄

　　摘要
　　ABSTRACT
　　第1章 緒論
　　　　1.1 課題研究的背景及意義
　　　　1.2 國內外研究現狀
　　　　　　1.2.1 基于嵌入式數據采集系統的研究現狀
　　　　　　1.2.2 建筑能耗監測系統的發(fā)展動(dòng)態(tài)
　　　　2 課題研究的主要內容
　　第2章 數據采集器總體設計方案及相關(guān)技術(shù)
　　　　2.1 數據采集器總體設計方案
　　　　　　2.1.1 建筑能耗數據采集器功能需求
　　　　　　2.1.2 建筑能耗數據采集器總體設計
　　　　2.2 嵌入式系統技術(shù)
　　　　　　2.2.1 嵌入式系統定義及特點(diǎn)
　　　　　　2.2.2 嵌入式操作系統
　　　　　　2.2.3 嵌入式Linux系統
　　　　2.3 本章小結
　　第3章 建筑能耗數據采集器的硬件設計
　　　　3.1 數據采集器的硬件總體結構
　　　　3.2 核也板介紹
　　　　　　3.2.1 主控串U器
　　　　　　3.2.2 數據暫存電路
　　　　3.3 外圍電路的設計
　　　　　　3.3.1 電源模塊
　　　　　　3.3.2 復位電路
　　　　　　3.3.3 通信接口電路設計
　　　　　　3.3.4 TF卡數據儲存電路設計
　　　　　　3.3.5 網(wǎng)絡(luò )通信電路設計
　　　　3.4 本章小結
　　第4章 嵌入式Linux系統軟件平臺的搭建
　　　　4.1 建立交叉編譯環(huán)境
　　　　　　4.1.1 VMware Workstation 的安裝
　　　　　　4.1.2 Ubuntu 的安裝
　　　　　　4.1.3 交叉編譯器的安裝
　　　　4.2 建立引導加載程序
　　　　　　4.2.1 Bootloader 介紹
　　　　　　4.2.2 U-boot 移植
　　　　4.3 Linux系統內核的移植
　　　　　　4.3.1 Linux內核組成及其目錄結構
　　　　　　4.3.2 Linux內核的配置和編譯
　　　　4.4 文件系統的創(chuàng )建
　　　　　　4.4.1 根文件系統介紹
　　　　　　4.4.2 根文件系統的構建
　　　　　　4.4.3 根文件系統鏡像的制作
　　　　4.5 本章小結
　　第5章 建筑能耗數據采集器的軟件設計與實(shí)現
　　　　5.1 數據采集器軟件的總體設汁
　　　　5.2 配置模塊的設計
　　　　　　5.2.1 嵌入式Boa月良務(wù)器
　　　　　　5.2.2 Boa的配置與移植
　　　　　　5.2.3 CGI��
　　　　　　5.2.4 CGI 程序設計
　　　　　　5.2.5 網(wǎng)頁(yè)配置界面的設汁
　　　　5.3 數據采集模塊的設計
　　　　　　5.3.1 能耗計量表和數據采集通信協(xié)議
　　　　　　5.3.2 數據采集軟件程序設計
　　　　5.4 數據處理存儲模塊的設計
　　　　　　5.4.1 嵌入式數據庫簡(jiǎn)介
　　　　　　5.4.2 SQLite嵌入式數據庫概況
　　　　　　5.4.3 SQLite 的編譯
　　　　　　5.4.4 SQLite 的設計
　　　　　　5.4.5 SQLite 的實(shí)現
　　　　5.5 數據上傳模塊的設計
　　　　　　5.5.1 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議
　　　　　　5.5.2 網(wǎng)絡(luò )通信的設計
　　　　　　5.5.3 XML
　　　　　　5.5.4 XML 數據格式
　　　　　　5.5.5 能耗數據編碼規則
　　　　　　5.5.6 XML 加密
　　　　5.6 數據采集器軟件的實(shí)現
　　　　5.7 本章小結
　　第6章 總結與展望
　　　　6.1 總結
　　　　6.2 展望
　　參考文獻
　　致謝
　　攻讀碩±學(xué)位期間論文發(fā)表及科硏情況

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