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摘 要：当前，许多厂矿企业、学校医院等单位，由于用水用电量较大，分布点较多，靠人工巡检无法对长明灯，长流水等现象进行及时有效的监管，从而造成大量能源浪费。设计一种通过无线WiFi模块和stm32f103控制器对楼宇内用水管道，用电线路进行参数采集和监管的平台。通过该平台，不同角色的用户不仅可以通过手机、电脑等终端设备实时查询各监控点的运行状况，也可以对这些监控点进行远程控制，达到对水电等能源更加合理、有效利用的目的。
关键词：能源监控；手机终端查询监控；UCOSII操作系统；WiFi；
中图分类号：TP317.4 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）06-0031-04
节能降耗一直是我国长期坚持的基本国策，也是企事业单位节约成本，提高运营效率的关键问题，由于缺乏有效的监管手段，很多单位存在着水电资源大量浪费的现象，如白天亮着的路灯，彻夜长明的教室，公共厕所内的长流水，靠人工巡检而没能及时发现泄漏的生产用水管道等。为了有效的对类似资源浪费情况进行监管和控制，本文采用无线WiFi模块[1-2]及stm32处理器构建监控节点数据采集及传输终端，将监控点运行参数传输到云平台，云平台按照用户要求对各监控点数据依据数据源类型，优先级、时间点等特征进行整理，用户可以通过手机、电脑等设备连接云平台，对感兴趣的信息进行查询、处理。如果发现异常，可以向云平台发出操作命令，服务器接收到用户命令后，根据命令要求完成监控节点设备的控制。在非异常情况下，用户也可以把自己对监控节点的控制要求以控制文件的形式传输给云平台，云平台解析用户控制文件，并按照控制要求将命令下发给监控节点控制器，用户通过手机控制文件编辑器生成的包含简单控制命令的控制文件内容如下所示。
{"device"："L001"，"operate"：[{"time"："2016-5-4：16：30：05"，"action"："on"}，{"time
"："2016-5-4：22：00：00"，"action"："off"}}。
该条控制命令的主要意图是：控制1#设备在规定时间开，在另外一个规定时间关闭，云平台解析该控制命令，会在规定时间点向1#设备控制器发送“on”命令，而在另外一个规定时间点向1#设备控制器发送“off”命令。
系统设计主要框架如图1所示。
1 无线WiFi固件设计
从方便用户使用及系统稳定性等方面考虑，系统的关键点在于无线WiFi与控制器和云平台的通信链路上[3-4]，为此，本文对WiFi固件进行了设计，主要实现以下四个功能。
（1）WiFi能够接受用户手机或其他终端的配置信息，这些信息应包括连接到当前局域网哪个AP（SSID和密码），连接指定AP成功后，又需要连接到哪个服务器（IP及端口）等信息。
（2）用户指定AP和服务器连接信息配置完毕后，WiFi应能备份这些信息，當系统重新加电启动，应能把备份信息取出自动连接系统而不需要用户再一次进行配置。
（3）当网络出现异常，WiFi应能检测到这种状况，并自动采取措施：一方面，通知用户无法使系统通信链路畅通，如果用户需要改变通信链路，则接受用户改变要求；另一方面，自主按照备份信息定期连接系统。
（4）WiFi能够通过串行口与控制器交互信息，对该部分信息WiFi不做语义层处理，但要保证信息完整性、正确性。
能够满足上述功能的WiFi固件设计流程如图2所示。
在图2中，WiFi初始化结束后以stationap模式运行在sever状态，用户终端以client状态与WiFi模块建立链接，发送热点和云平台配置信息，当成功与热点和云平台建立链接后，WiFi模块将切换为station模式，此时WiFi模块可以是client状态，通过socket以TCP/IP协议与服务器通信，也可以是web节点，以http协议与服务器通信，而不再与用户终端有直接关系，用户终端只能通过云平台与该WiFi节点通信。
2 控制器功能设计
控制器硬件采用stm32f10x系列CPU为平台[5]，主要对电流互感器、水量传感器等现场数据采集模块输出的信息进行处理，环境信息及视频信息采集与处理作为一种辅助手段供用户按照需求进行选配。当WiFi模块因以下几种原因连接云平台成功后将发送一条通知指令给控制器。
（1）用户首次配置；
（2）断电重启；
（3）断网重连。
控制器接收到该通知指令，将会进入自检状态，对自己连接的现场模块进行识别，并将识别码发送到服务器端进行注册，云平台对每条注册码重新进行确认，如果至少存在一条新的注册码，则认为系统中由于某种原因新增加了一台监控设备，这种情况下云平台将会备份一条刷新命令，当用户终端连接云平台进行查询或远程操作时，将首先接收到该刷新命令，完成各方面的同步。
对现场设备完成注册后，控制器默认按照定时方式对各类设备信息进行采集，其中用电设备检测采用JSY-MK-163型单相互感式计量模块完成，该模块能够对单相交流电压、电流、功率和频率等电气参数进行准确测量，广泛应用于节能改造，电力、交通、环保、石化等行业。
主要技术参数如下。
（1）电压量程：100～380V；
（2）电流量程：5A、50A、100A；
（3）过载能力：电流1.2倍，电压1.5倍；
（4）通信规约：MODBUS-RTU[6-7]；
（5）测量精度：电压、电流、电量小于[±1.0%]，有功电度1级。
模块采用CRC-16-IBM校验方式，对通信数据安全性、可靠性进行校验。 模块测量电参数主要寄存器表如下表1所示：
模块通信报文格式如下表2所示。
对水流量的监控，在实验中采用了霍尔式水流传感流量计DN154，该型号的传感器为三线式脉冲计数型水流统计传感器，通过对信号线输出脉冲计数，估算流水量，约为540个（脉冲）/升。而对于流水速度计算公式为F = 9*V，其中V为单位时间内的流水量（升/分钟）。
基本工作参数如下。
（1）工作电压：DC5 ～18V；
（2）工作湿度：25%～95%RH；
（3）允许耐压≤1.75Mpa；
（4）允许温度-25～80℃
由于该模块应用简单，本文对该模块作详细描述。
控制器应用程序基于UCOSII[8-10]进行开发，共划分了三个任务。
任务OS_TASK_COM主要完成与WiFi模块的交互，当串行通信口收到WiFi数据包，将调用OSSemPost（）通知该任务，任务对数据包进行解析，并按照數据要求完成以下功能。
（1）如果是WiFi请求设备注册命令，则发送设备注册码。
（2）如果是云平台要求控制设备，则根据数据包中的设备号和命令码调用OSMBoxPost（）向设备控制任务发送消息。
设备控制任务由OS_TASK_DEV_CONTROL负责实现，主要包括电气设备的开关，用水设备的开关等。该任务调用OSMBoxPend（）等待消息，一旦等待成功，则取出消息码，根据消息码发出设备控制指令。
而任务OS_TASK_PICK则按照用户设定的时间间隔定时采集各个设备的电气参数，水量参数，如果属于正常运行参数，则结合设备注册码生成数据包通过串行通信口发送给WiFi模块，WiFi模块在数据包前添加控制器标识头，然后发送给云平台。云平台将数据包解析后，保存到数据库，供用户通过各类终端设备进行查询。如果运行参数异常，该任务会向云平台发出报警数据包，由云平台通知用户设备运行异常。
3 结论
本文开发了WiFi固件程序，并以stm32为硬件平台，结合UCOSII操作系统，通过采集和传输相关传感器信号，对各类用电、用水设备尤其是存在监控死角的设备进行实时监控，方便用户实时对这些设备的运行状况、运行参数进行监控和管理，有利于用户合理利用能源，实时在线了解设备运行状况，控制设备运行状态。本文方法在实现过程中，结合实际情况进行了验证，实践表明，本文方法能够取得较好的效果。
参考文献：
[1] 乐鑫信息科技.espressif IoT SDK编程手册[Z].（2014-08-13）[2016-05-15]http：//www.doc88.com/p-6641145609540.html.
[2] 肖宛昂，苏高民，陆廷，等. 一种由WiFi智能插座构成的智能家居[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2014（5）：46-48.
[3] 李晓阳. WiFi技术及其应用与发展[J]. 信息技术， 2012（2）：196-198.
[4] 李小勇. 基于嵌入式Linux的工业无线传感器网络协调器的设计与实现[D]. 北京：北京交通大学，2013.
[5] 季力. 基于STM32芯片的电参数测量与数据传输[J]. 自动化与仪器仪表， 2010（3）：137-139.
[6] 王建锋，张浩，彭道刚. 基于ARM的嵌入式远程监测系统研究与设计[J]. 华东电力，2008（2）：139-143.
[7] 兰敏刚，李丽宏. 基于WinCE的Modbus动态链接库的实现[J]. 计算机应用与软件， 2014（9）：225-227.
[8] 王磊，王耀南，陈斯斯，等. ucos-ii在嵌入式智能视觉监控系统中的应用[J]. 微计算机信息杂志， 2008（11）：6-9.
[9] 黄伟，杨志. 基于嵌入式Internet的网络测控系统设计[J]. 计算机工程与设计，2007（24）：5 903-5 905.
[10] 刘淼，王田苗，魏洪兴，等. 基于uCOS-II的嵌入式数控系统实时性分析[J]. 计算机工程. 2006（22）：222-224.
Research on Energy Regulation Method based on WiFi
YANG Li-zhi， ZHOU Jian-lin， CUI Feng-li
（Computer Science Department， Jiangyin Polytechnic College， Jiangyin 214433， China）
Abstract： Nowadays， many factories and enterprises， schools， hospitals and other units， due to the large power and water consumption and a large number of distribution， cannot timely and effectively supervise the ever-burning lamps， long-flowing water only through manual inspection， resulting in a great waste of energy. This paper designs a platform of parameters collection and monitoring through WiFi wireless module and STM32F103 controller on the premises of water pipeline and electricity lines. Through this platform， users of different roles can not only make the real-time query of each monitoring point through the operation of mobile phones， computers and other devices， but also remotely control these monitoring points to achieve the purpose of more reasonable and effective use of water and energy sources
Key words： energy monitoring； mobile terminal query monitoring； UCOSII operator system；wifi
责任编辑 祁秀春
关键词：能源监控；手机终端查询监控；UCOSII操作系统；WiFi；
中图分类号：TP317.4 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）06-0031-04
节能降耗一直是我国长期坚持的基本国策，也是企事业单位节约成本，提高运营效率的关键问题，由于缺乏有效的监管手段，很多单位存在着水电资源大量浪费的现象，如白天亮着的路灯，彻夜长明的教室，公共厕所内的长流水，靠人工巡检而没能及时发现泄漏的生产用水管道等。为了有效的对类似资源浪费情况进行监管和控制，本文采用无线WiFi模块[1-2]及stm32处理器构建监控节点数据采集及传输终端，将监控点运行参数传输到云平台，云平台按照用户要求对各监控点数据依据数据源类型，优先级、时间点等特征进行整理，用户可以通过手机、电脑等设备连接云平台，对感兴趣的信息进行查询、处理。如果发现异常，可以向云平台发出操作命令，服务器接收到用户命令后，根据命令要求完成监控节点设备的控制。在非异常情况下，用户也可以把自己对监控节点的控制要求以控制文件的形式传输给云平台，云平台解析用户控制文件，并按照控制要求将命令下发给监控节点控制器，用户通过手机控制文件编辑器生成的包含简单控制命令的控制文件内容如下所示。
{"device"："L001"，"operate"：[{"time"："2016-5-4：16：30：05"，"action"："on"}，{"time
"："2016-5-4：22：00：00"，"action"："off"}}。
该条控制命令的主要意图是：控制1#设备在规定时间开，在另外一个规定时间关闭，云平台解析该控制命令，会在规定时间点向1#设备控制器发送“on”命令，而在另外一个规定时间点向1#设备控制器发送“off”命令。
系统设计主要框架如图1所示。
1 无线WiFi固件设计
从方便用户使用及系统稳定性等方面考虑，系统的关键点在于无线WiFi与控制器和云平台的通信链路上[3-4]，为此，本文对WiFi固件进行了设计，主要实现以下四个功能。
（1）WiFi能够接受用户手机或其他终端的配置信息，这些信息应包括连接到当前局域网哪个AP（SSID和密码），连接指定AP成功后，又需要连接到哪个服务器（IP及端口）等信息。
（2）用户指定AP和服务器连接信息配置完毕后，WiFi应能备份这些信息，當系统重新加电启动，应能把备份信息取出自动连接系统而不需要用户再一次进行配置。
（3）当网络出现异常，WiFi应能检测到这种状况，并自动采取措施：一方面，通知用户无法使系统通信链路畅通，如果用户需要改变通信链路，则接受用户改变要求；另一方面，自主按照备份信息定期连接系统。
（4）WiFi能够通过串行口与控制器交互信息，对该部分信息WiFi不做语义层处理，但要保证信息完整性、正确性。
能够满足上述功能的WiFi固件设计流程如图2所示。
在图2中，WiFi初始化结束后以stationap模式运行在sever状态，用户终端以client状态与WiFi模块建立链接，发送热点和云平台配置信息，当成功与热点和云平台建立链接后，WiFi模块将切换为station模式，此时WiFi模块可以是client状态，通过socket以TCP/IP协议与服务器通信，也可以是web节点，以http协议与服务器通信，而不再与用户终端有直接关系，用户终端只能通过云平台与该WiFi节点通信。
2 控制器功能设计
控制器硬件采用stm32f10x系列CPU为平台[5]，主要对电流互感器、水量传感器等现场数据采集模块输出的信息进行处理，环境信息及视频信息采集与处理作为一种辅助手段供用户按照需求进行选配。当WiFi模块因以下几种原因连接云平台成功后将发送一条通知指令给控制器。
（1）用户首次配置；
（2）断电重启；
（3）断网重连。
控制器接收到该通知指令，将会进入自检状态，对自己连接的现场模块进行识别，并将识别码发送到服务器端进行注册，云平台对每条注册码重新进行确认，如果至少存在一条新的注册码，则认为系统中由于某种原因新增加了一台监控设备，这种情况下云平台将会备份一条刷新命令，当用户终端连接云平台进行查询或远程操作时，将首先接收到该刷新命令，完成各方面的同步。
对现场设备完成注册后，控制器默认按照定时方式对各类设备信息进行采集，其中用电设备检测采用JSY-MK-163型单相互感式计量模块完成，该模块能够对单相交流电压、电流、功率和频率等电气参数进行准确测量，广泛应用于节能改造，电力、交通、环保、石化等行业。
主要技术参数如下。
（1）电压量程：100～380V；
（2）电流量程：5A、50A、100A；
（3）过载能力：电流1.2倍，电压1.5倍；
（4）通信规约：MODBUS-RTU[6-7]；
（5）测量精度：电压、电流、电量小于[±1.0%]，有功电度1级。
模块采用CRC-16-IBM校验方式，对通信数据安全性、可靠性进行校验。 模块测量电参数主要寄存器表如下表1所示：
模块通信报文格式如下表2所示。
对水流量的监控，在实验中采用了霍尔式水流传感流量计DN154，该型号的传感器为三线式脉冲计数型水流统计传感器，通过对信号线输出脉冲计数，估算流水量，约为540个（脉冲）/升。而对于流水速度计算公式为F = 9*V，其中V为单位时间内的流水量（升/分钟）。
基本工作参数如下。
（1）工作电压：DC5 ～18V；
（2）工作湿度：25%～95%RH；
（3）允许耐压≤1.75Mpa；
（4）允许温度-25～80℃
由于该模块应用简单，本文对该模块作详细描述。
控制器应用程序基于UCOSII[8-10]进行开发，共划分了三个任务。
任务OS_TASK_COM主要完成与WiFi模块的交互，当串行通信口收到WiFi数据包，将调用OSSemPost（）通知该任务，任务对数据包进行解析，并按照數据要求完成以下功能。
（1）如果是WiFi请求设备注册命令，则发送设备注册码。
（2）如果是云平台要求控制设备，则根据数据包中的设备号和命令码调用OSMBoxPost（）向设备控制任务发送消息。
设备控制任务由OS_TASK_DEV_CONTROL负责实现，主要包括电气设备的开关，用水设备的开关等。该任务调用OSMBoxPend（）等待消息，一旦等待成功，则取出消息码，根据消息码发出设备控制指令。
而任务OS_TASK_PICK则按照用户设定的时间间隔定时采集各个设备的电气参数，水量参数，如果属于正常运行参数，则结合设备注册码生成数据包通过串行通信口发送给WiFi模块，WiFi模块在数据包前添加控制器标识头，然后发送给云平台。云平台将数据包解析后，保存到数据库，供用户通过各类终端设备进行查询。如果运行参数异常，该任务会向云平台发出报警数据包，由云平台通知用户设备运行异常。
3 结论
本文开发了WiFi固件程序，并以stm32为硬件平台，结合UCOSII操作系统，通过采集和传输相关传感器信号，对各类用电、用水设备尤其是存在监控死角的设备进行实时监控，方便用户实时对这些设备的运行状况、运行参数进行监控和管理，有利于用户合理利用能源，实时在线了解设备运行状况，控制设备运行状态。本文方法在实现过程中，结合实际情况进行了验证，实践表明，本文方法能够取得较好的效果。
参考文献：
[1] 乐鑫信息科技.espressif IoT SDK编程手册[Z].（2014-08-13）[2016-05-15]http：//www.doc88.com/p-6641145609540.html.
[2] 肖宛昂，苏高民，陆廷，等. 一种由WiFi智能插座构成的智能家居[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2014（5）：46-48.
[3] 李晓阳. WiFi技术及其应用与发展[J]. 信息技术， 2012（2）：196-198.
[4] 李小勇. 基于嵌入式Linux的工业无线传感器网络协调器的设计与实现[D]. 北京：北京交通大学，2013.
[5] 季力. 基于STM32芯片的电参数测量与数据传输[J]. 自动化与仪器仪表， 2010（3）：137-139.
[6] 王建锋，张浩，彭道刚. 基于ARM的嵌入式远程监测系统研究与设计[J]. 华东电力，2008（2）：139-143.
[7] 兰敏刚，李丽宏. 基于WinCE的Modbus动态链接库的实现[J]. 计算机应用与软件， 2014（9）：225-227.
[8] 王磊，王耀南，陈斯斯，等. ucos-ii在嵌入式智能视觉监控系统中的应用[J]. 微计算机信息杂志， 2008（11）：6-9.
[9] 黄伟，杨志. 基于嵌入式Internet的网络测控系统设计[J]. 计算机工程与设计，2007（24）：5 903-5 905.
[10] 刘淼，王田苗，魏洪兴，等. 基于uCOS-II的嵌入式数控系统实时性分析[J]. 计算机工程. 2006（22）：222-224.
Research on Energy Regulation Method based on WiFi
YANG Li-zhi， ZHOU Jian-lin， CUI Feng-li
（Computer Science Department， Jiangyin Polytechnic College， Jiangyin 214433， China）
Abstract： Nowadays， many factories and enterprises， schools， hospitals and other units， due to the large power and water consumption and a large number of distribution， cannot timely and effectively supervise the ever-burning lamps， long-flowing water only through manual inspection， resulting in a great waste of energy. This paper designs a platform of parameters collection and monitoring through WiFi wireless module and STM32F103 controller on the premises of water pipeline and electricity lines. Through this platform， users of different roles can not only make the real-time query of each monitoring point through the operation of mobile phones， computers and other devices， but also remotely control these monitoring points to achieve the purpose of more reasonable and effective use of water and energy sources
Key words： energy monitoring； mobile terminal query monitoring； UCOSII operator system；wifi
责任编辑 祁秀春