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在能效監測現場(chǎng)，能效監測終端是主要實(shí)現采集物理量(溫度、流量、電量等)的設備，且是用戶(hù)交互的唯一硬件設備，傳統的能效監測終端等同于能效采集終端，與用戶(hù)的交互很少。在能效需求側管理體系中，作為需求側的主要設備，能效監測終端需要承擔與監控主站的雙向交互，以及與用戶(hù)的雙向交互任務(wù)。本文研究并實(shí)現了一種基于多媒體顯示、具備雙向交互功能的能效監測終端，為能效的需求側管理提供了可靠的實(shí)現手段。 1 硬件設計 首先本文從硬件組成上來(lái)分析實(shí)現能效監測終端的細節。終端由以下幾大核心硬件單元組成：具備多媒體協(xié)處理器的中央處理器Freescale i.mx51、LVDS液晶顯示接口、以太網(wǎng)RJ45、433MHz微功率無(wú)線(xiàn)、GPRS接口、基于RS485的數字通信接口。硬件組成原理如圖1所示。 圖1 硬件組成 如圖1所示，硬件設計總體包含三部分，即數據通信接口部分、核心處理部分、人機交互部分。其中： 1)數據通信接口包含2個(gè)RS485串口，用于連接數字型傳感器;1個(gè)R232用于本地維護;1個(gè)RJ45以太網(wǎng)接口，用于與后臺主站的遠程連接;1路433MHz的微功率無(wú)線(xiàn)通信接口，用于無(wú)線(xiàn)數據采集;1路GPRS通信接口，用于遠程連接后臺主站�？梢钥闯�，為了增強通信適應性，終端在前端采集上預置了多路獨立串口，后端遠程通信預置了以太網(wǎng)和GPRS接口，而這些接口的基礎均為獨立串口。 2)核心處理部分由i.mx51、NAND FLASH、SDRAM構成最小系統，NAND FLASH存儲系統映像和文件系統，SDRAM為系統程序執行提供內存，在系統啟動(dòng)階段為程序重定向提供運行空間。 3)人機交互部分由LVDS液晶接口和觸摸控制接口組成，LVDS液晶接口具備很強的抗電磁干擾特性，數據防干擾能力強;觸摸屏接口采用在工業(yè)領(lǐng)域應用廣泛的電阻式觸摸屏接口，以適應復雜苛刻的現場(chǎng)環(huán)境。 除以上幾部分，終端電源采用線(xiàn)性電源方案設計，如圖2所示。 2 嵌入式軟件設計 能效監測終端的軟件由啟動(dòng)程序、嵌入式Linux操作系統層、中間件層、應用程序層組成。 2.1 啟動(dòng)程序bootloader設計 圖2 電源原理圖 啟動(dòng)程序bootloader是板級嵌入式軟件系統的基礎，終端上電執行的第一部分程序便是bootloader。實(shí)現終端主要硬件接口的驅動(dòng)、系統啟動(dòng)代碼等。系統啟動(dòng)代碼完成處理器初始化、內存初始化、堆�？臻g準備、程序代碼重定向等系統啟動(dòng)的準備工作。啟動(dòng)程序流程如圖3所示： 以上流程較為特殊的地方在于程序重定向的過(guò)程：i.mx51冷啟動(dòng)后，NAND FLASH控制器中有2K 的SRAM會(huì )被用作boot RAM，根據硬件設計如果支持從NAND FLASH啟動(dòng)的話(huà)，i.mx51會(huì )將NAND FLASH中的前2K的數據自動(dòng)拷貝到NAND FLASH 控制器中的 RAM中，并且自動(dòng)跳轉到該2K RAM的開(kāi)始地址 0xD0000000開(kāi)始執行。bootloader固件被燒寫(xiě)到NAND FLASH的0地址處，所以bootloader的前2K代碼被拷貝到0xD0000000。 2.2 特殊的驅動(dòng)程序設計 能效監測終端的軟件基于Linux系統設計完成，而典型的Linux系統框架具備常用的串口UART驅動(dòng)、FLASH驅動(dòng)等。但是對于較為特殊的以太網(wǎng)驅動(dòng)、433MHz驅動(dòng)，需要做特殊的驅動(dòng)程序設計，特征如下： a)本文所研究的能效監測終端在以太網(wǎng)通信上有較特殊的要求，因此需做特殊的移植和修改，使得以太網(wǎng)的驅動(dòng)支持直接收發(fā)以太網(wǎng)數據包�；舅悸窞楸３衷序寗�(dòng)框架不變，(1)加入以太網(wǎng)讀寫(xiě)接口;(2)修改以太網(wǎng)數據發(fā)送接口，截斷原來(lái)的發(fā)送數據接口;(3)修改以太網(wǎng)數據接收接口，使得數據接收后不直接向上層遞交而是送入自定義內存中。 b)433MHz的驅動(dòng)實(shí)現為字符型驅動(dòng)，驅動(dòng)的工作流程為：初始化設備即初始化對應管腳并使能中斷;按照433MHz的通信協(xié)議構建數據包并發(fā)送給無(wú)線(xiàn)基帶芯片Si4432;當Si4432接收到數據與協(xié)議包格式不符時(shí)，產(chǎn)生中斷，重發(fā)數據。 2.3 GUI中間件 為了實(shí)現需求側管理，顯示交互是終端必備的功能。本文研究實(shí)現了基于framebuffer的輕量型GUI中間件，是下一步編寫(xiě)圖形應用程序的基礎。本文實(shí)現的輕量型GUI中間件，具有如下的幾個(gè)組成部分： 1)用戶(hù)交互模塊，為應用程序提供API接口函數，屏蔽了GUI的實(shí)現細節。 2)對象管理，實(shí)現對窗口環(huán)境中的邏輯對象的組織管理。包括對象的添加和刪除，GUI窗口顯示的維護，如窗口切換、焦點(diǎn)切換、對象的隱藏和恢復等操作引發(fā)的對象屬性的更新，還有對不同控件的各種事件的響應。 3)基本圖形組件，實(shí)現了對顯示輸出設備的操作。一般獨立于具體的設備驅動(dòng)程序，與物理設備之間形成“設備抽象層”。 4)消息驅動(dòng)機制，負責GUI的消息接收和與其它任務(wù)的通訊以及消息隊列的維護。 5)定時(shí)器及顯存管理，定時(shí)器用于向服務(wù)器發(fā)送定時(shí)器消息，主要用于消息隊列的管理和定時(shí)等。顯存管理主要用于消除顯示過(guò)程中出現的屏幕閃爍現象。 消息驅動(dòng)機制是輕量型GUI中間件最大化利用有限資源實(shí)現GUI操作的重要手段，硬件設備(比如按鍵)產(chǎn)生動(dòng)作事件，系統生成消息，消息分發(fā)至對應的消息處理任務(wù)。在未收到消息時(shí)，消息處理任務(wù)維持消息隊列循環(huán)等待，如圖4所示。 圖3 啟動(dòng)流程圖 圖4 應用程序流程圖 GUI中間件采用了客戶(hù)/服務(wù)器的工作模式，為了減輕服務(wù)器端的負荷，本文的GUI只是把輸入設備事件處理和顯示輸出任務(wù)交給服務(wù)器，以此提高執行速度。 應用程序調用GUI中間件的圖形庫、組件庫等，調用機制與windows的消息響應機制類(lèi)似。如調用圖表繪制組件，應用程序前端顯示刷新組件，應用程序后端進(jìn)入消息循環(huán)，等待數據處理任務(wù)的消息，實(shí)現數據的響應刷新。 2.4 應用程序及數據傳輸協(xié)議 終端具備三大主體功能：數據采集、數據處理和存儲、數據顯示與通信。借助硬件和底層軟件的支持，應用程序實(shí)現流程如下圖4。 應用程序由圖形顯示模塊、服務(wù)器交互通信模塊、數據采集模塊、數據分析和存儲模塊、異步數據通信模塊等組成。其中，與服務(wù)器采用優(yōu)化的JSON協(xié)議作為基礎協(xié)議，實(shí)現數據的實(shí)時(shí)同步更新。 JSON是一種輕量級的數據通信協(xié)議，一定程度上類(lèi)似XML協(xié)議，但支持的數據格式更加廣泛，通信更加高效。終端實(shí)現JSON協(xié)議解析，主要依靠?jì)蓚�(gè)解析類(lèi)實(shí)現：JSONObject和JSONArray。其中，JSONObject用于把對象型的JSON數據轉化成JSONObject對象，然后使用get系列方法獲取對象屬性的數據，最常用的方法是getString;JSONArray用于把數組型的JSON數據轉化成JSONArray對象，該類(lèi)所提供方法和JSONObject類(lèi)基本相同，只不過(guò)其中采用的get系列方法的參數都是整型，代表數組型數據的位置索引。 各功能模塊實(shí)現為輕量級線(xiàn)程，線(xiàn)程間采用管道、信號量等進(jìn)行通信。借組MySQL數據庫實(shí)現對能耗數據的存儲。 終端做為需求側管理的終端設備，需要維持與后臺主站的穩定網(wǎng)絡(luò )連接，此部分采用獨立的線(xiàn)程負責處理網(wǎng)絡(luò )連接，監測連接狀態(tài)，斷線(xiàn)重連;采用獨立的數據收發(fā)線(xiàn)程，避免數據的擁塞，提高響應的實(shí)時(shí)性。 數據的變化，均在界面定時(shí)器的統一調度下，進(jìn)行顯示的同步以及按鍵操作的響應。 3 終端軟件優(yōu)化 對能效監測終端而言，因為其數據集中度高，且頻繁進(jìn)行數據通信，因此優(yōu)化軟件實(shí)現，提高性能是十分重要的工作。結合實(shí)際研發(fā)過(guò)程，對所涉及到的軟件優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行介紹： 1)異步通信優(yōu)化：在能效監測終端的數據流向中，采集數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸至服務(wù)器，通常比較耗時(shí)，同時(shí)本地顯示的響應卻很快。正確的做法是在新的線(xiàn)程中準備好數據，然后再通知主線(xiàn)程異步的獲取數據并顯示。 2)避免內存泄露：內存泄露指的是由于某些原因導致系統內存過(guò)度消耗的問(wèn)題。在內存資源有限的能效監測終端中，內存泄露尤其重要。避免內存泄露的方法在本文所研究的能效監測終端軟件中包括：程序邏輯的內存泄露，即注意新創(chuàng )建對象在使用完后一定要銷(xiāo)毀，即使設置為NULL，也不能保證系統垃圾回收器能夠回收這些對象的資源;在存儲數據時(shí)使用到了數據庫，在使用數據庫時(shí)如果沒(méi)有關(guān)閉游標，將會(huì )造成系統運行速度變慢;位圖資源在不使用時(shí)，應該先調用recycle方法釋放內存，然后再將其設置NULL。 4 結語(yǔ) 本文對需求側管理型能效監測終端的設計進(jìn)行了深入研究。通過(guò)對終端的軟硬件進(jìn)行方案設計，并最終實(shí)現了的軟硬件設計。在實(shí)際應用中，需求側管理型能效監測終端，不僅具備能效數據采集基礎功能，同時(shí)還具備能效數據圖形化顯示，遠程監控，需求側響應功能，可用于實(shí)現依據能效情況安排生產(chǎn)調度，實(shí)現能效預警等功能。 |
