校园节能控制中间层的设计与实现

田永　于德海　周岩

摘 要：随着物联网技术的发展，当今大学校园也越来越现代化、智能化，校园规模不断扩大，但是也随之产生了严重的能源浪费，在能源，电力日趋紧张的今天，节能、高效、减排也显得非常重要。校园电力资源的使用，传统都是依赖人工来控制，在特定的时间内打开或者关闭，不是很灵活，有以下缺点：照明分配不均，电力的浪费，不能实时掌握每个地点的信息。文章对校园节能控制中间层进行了设计。

关键词：校园；节能控制；中间层；设计；实现

为了满足数字化校园的建设，落实教育部“节能减排学习行动”与“节约型学校建设”的各项要求，设计并且制作了物联网校园中间层，和配套硬件，可以根据不同的情况，不同的地点，设置不同的能源使用策略，合理，及时，不减少原有功能，实现高效的能源控制。

系统设计的总体目标是研制适合于校园内不同场所，可以设置不同的策略，并且结合GIS技术将空间数据进行表现，面向接口设计整套系统，提高了物联网中间层的灵活性与可靠性，表现与控制形式也更具人性化，中间层使用Go语言编写，使用channel实现多线程并发，每一个新线程启动只需1KB左右，只需一台服务器即可提供极强的并发操作，不仅节约了成本，还便于维护与升级。

系统主要功能：可以按照学习课表，日出日落等设定一系列的策略，灵活的控制校园的电源控制。

1 系统硬件设计

中央控制台

室内单元控制终端

路灯单元控制终端

手持Android 控制终端

1.1 中央控制室

中央控制室负责监控和管理整个系统运行并记录其实时运行状况。系统由一台IBM服务器、UPS电源、打印机、短信接口模块、多媒体系统等部分组成。UPS电源在中央控制室意外断电时，可以紧急给系统供电，保障系统的稳定运行。IBM主机通过交換机接入校园网，作为服务器使用，提供HTTP查询接口，和终端数监控接口，其他PC机或者手机端接受授权后可以实现数据访问和共享，控制等操作，实现了移动式的实时监控和报警。

1.2 室内单元控制终端

室内单元控制终端可以通过WIFI 或者 ZigBee与中央控制室交互数据，实时与中央控制室交互数据来控制整个室内单元的节能策略，比如通过教务系统导入课表，仅可以在上课时间段内开通电源，或者设置为该教室通过声控控制电源，或者设置此教室仅通过开关控制电源等。硬件部分包括无线通信模块、光照感应模块、人体感应模块、A/D转换电路、麦克风，STC控制芯片等构成。

1.3 路灯单元控制终端

路灯控制终端与教室单元控制终端相似，采用UHF无线电台进行数据交互，采用的工作方式是异频双工方式，FSK调制方式。路灯控制终端接收到单灯控制地址范围及策略选择指令后，解析命令代码，实现对照明的控制。由于路灯站点比较分散，其结构为星型拓扑，一点对多点。微控制器也可以将采集到的数据，将调制解调器FSK调制，然后进行数据发送。路灯单元控制终端部分包括无线通信模块、光照感应模块、人体感应模块、A/D转换电路，控制芯片等构成。

1.4 手持控制终端

由于服务器中间层提供了实时数据的接口，策略设置接口，手持Android控制端或者IOS控制端，可以很轻松的获取校园实时的电源使用信息，只需采用HTML或者其他的编程技术，将服务器返回的数据展示在手机屏幕上即可，实现了数据与展示的分层，不仅方便编程与维护，同时也提高了系统的稳定性。

2 软件设计

服务器软件在LINUX环境下开发，服务器采用CentOS，数据库采用MySql，开发语言采用Google的GO语言，Go语言是服务器端语言，支持云计算的网络服务。Go语言能够让程序员快速开发，并且在软件不断的增长过程中，它能让程序员更容易地进行维护和修改。它融合了传统编译型语言的高效性和脚本语言的易用性和富于表达性。Go 让函数很容易成为非常轻量的线程。这些线程在 Go 中被叫做 goroutines a；语言层面支持并发，这个就是Go最大的特色，天生的支持并发，Go就是基因里面支持的并发，可以充分的利用多核，很容易使用并发。极大的提高了服务器的并发量与执行效率。

2.1 中央控制室系统软件设计

本软件设计采用工厂模式，包括路由过滤模块、策略生成模块、站点管理模块，android 和 WEB 显示页接口模块组成。站点模块用来添加或者删除节能终端，路由过滤模块用来根据请求的路由找到对应的逻辑处理部分，将此时终端的数据和数据库保持的数据相比对，判断此节点是否运行正常。策略生成模块用来生成某一终端或者某一组终端的节能策略，此模块产生的代码是服务器和下位机通讯的关键数据。同时为了减少系统耦合，系统单独提供了数据接口，各个节点数据，整体数据等以JSON格式输出。

2.2 监控终端软件设计

本系统终端适用于大多数平台及其手持平台，只要通过HTTP请求中央控制器的接口，将得到的JSON实时数据通过WEB或者 安卓的页面展示即可，通过GIS或者第三方地图生成站点分布地图，基于主控制中心返回的JSON数据能实现地图与属性的综合查询，修改地图，实时的反应整个校园内的灯光，电源的运行情况。控制面板上也可以配置不同的策略，再次通过HTTP请求POST到服务器，当服务器验证用户权限后，转发到监控终端。利用GIS平台为例，可以对地图的缩小、放大、鹰眼、距离，漫游等查询，分析以及统计，可以在客户端查看各个终端的使用电量情况和报警信息，并可以对查询和分析的结果通过打印机打印出专题图和统计图等可视化的形式打印出来。基于主服务器更加直观的控制所有节点信息，做到控制节能的同时还能及时的通知维护人员到故障现场维护。

3 结束语

随着社会的进步，互联网的快速发展，智能化的方式延伸到了人类生产生活的各个方面。本系统的控制端都布置在服务端，通过HTTP与各个终端控制节点交互，并且服务器提供策略接收，实时数据发送接口，有很高的扩展性，可以将平台延时至各个平台，方便用户查看，随时管理各个节点。本套系统满足了学校对节能多变，灵活的控制，同时也满足了不同的管理人员对学校地理，时间，能源信息的多方位掌控。同时建设节约型社会是国家的重要战略部署，也是坚持落实科学发展观的必然要求，本系统同时也宣传了节约，勤俭，让同学们更加关注能源的节约，努力把美丽的校园建设成绿色校园。

参考文献

[1]李涛.基于无线传感器网络的室内灯光控制系统[Z].2011.

[2]谢孟军.Go Web编程[M].2013.

[3]潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M].2002.

[4]王鹤.智能灯光控制系统的研制[D].

[5]罗光伟.基于WINCC的校园教室节能控制系统[D].

作者简介：田永（1993-），本科生，主要研究方向：计算机科学与技术、嵌入式系统开发。

*通讯作者：于德海（1960，8-），吉林省长春市人，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向：嵌入式系统。