基于ZigBee技術(shù)的圖書(shū)館節(jié)約用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

XIX第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1數(shù)據(jù)庫(kù)端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本章介紹如何使用阿里云平臺(tái)提供的服務(wù)器，在代理商服務(wù)器上安裝Docker容器，并將阿里云提供的邊緣計(jì)算服務(wù)器鏡像拉取至Docker中實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的架設(shè)。上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)是直接調(diào)用阿里云端數(shù)據(jù)庫(kù)去實(shí)現(xiàn)的。MQTT是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。Aristotelian協(xié)議具有輕量級(jí)、簡(jiǎn)單、開(kāi)放、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，適合于廣泛的應(yīng)用。在許多情況下，包括密閉環(huán)境，例如：機(jī)器對(duì)機(jī)器M2M通信和物聯(lián)網(wǎng)山IoT。它已被廣泛用于通過(guò)衛(wèi)星鏈路進(jìn)行通信的傳感器，偶爾撥號(hào)的醫(yī)療設(shè)備，智能家居和一些小型化設(shè)備。MQTT協(xié)議的當(dāng)前版本是2014年發(fā)布的MQTTv3.1.1。除了標(biāo)準(zhǔn)版之外，還有SN的簡(jiǎn)化版，它針對(duì)的是一般在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)工作的嵌入式設(shè)備，本文就是基于ZigBee下去實(shí)現(xiàn)整個(gè)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，在數(shù)據(jù)中加入可識(shí)別的幀頭和幀尾，上位機(jī)讀取到信號(hào)后，根據(jù)對(duì)幀頭和尾的讀取，就可以知道所取的數(shù)據(jù)放入哪個(gè)位置，從而完成數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，否則上位機(jī)無(wú)法得知所取的數(shù)據(jù)的大小空間對(duì)錯(cuò)等。4.1.1數(shù)據(jù)上傳與下載數(shù)據(jù)的上傳是指各圖書(shū)館相關(guān)人員根據(jù)自己的權(quán)限，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)登錄圖書(shū)館節(jié)約用電系統(tǒng)，上報(bào)學(xué)期內(nèi)每月的用電數(shù)據(jù)和年度的計(jì)劃用電量，生成供電用電月報(bào)表和年度計(jì)劃用電量報(bào)表進(jìn)行上報(bào)。假如這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生了很大的改變，就會(huì)重新生成新的表格進(jìn)行上報(bào)。另外為了進(jìn)一步加大整個(gè)系統(tǒng)的安全性，整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中也是對(duì)于整個(gè)圖書(shū)館內(nèi)的溫濕度以及光照強(qiáng)度等信息進(jìn)行采集上傳的功能。各圖書(shū)館上報(bào)人員能用圖書(shū)館系統(tǒng)的登陸和修改的權(quán)限，能對(duì)本圖書(shū)館的用電報(bào)表進(jìn)行修改表格和刪除表格的操作。4.1.2數(shù)據(jù)分析圖書(shū)館的電力管理系統(tǒng)不僅可以接受和發(fā)送數(shù)據(jù)，更能夠完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。只有對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特別深入的計(jì)算，才能充分利用其價(jià)值，為圖書(shū)館進(jìn)行合理的節(jié)約用電，達(dá)到最大的節(jié)能省錢(qián)效果。因此，數(shù)據(jù)分析模塊是圖書(shū)館電力管理系統(tǒng)中非常重要的組成部分。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的合理分析和利用，可以生成各單位圖書(shū)館的報(bào)表。當(dāng)光照強(qiáng)度低于30%時(shí)，并且在有人的情況下，繼電器開(kāi)始工作，開(kāi)始計(jì)量電費(fèi)，其他時(shí)候繼電器是不工作的，數(shù)據(jù)分析圖如4.1所示。圖4.1數(shù)據(jù)分析4.1.3數(shù)據(jù)查詢(xún)用電數(shù)據(jù)查詢(xún)的功能是基于上傳用電數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，可以匯總數(shù)據(jù)情況并提供相關(guān)查詢(xún)其功能。系統(tǒng)管理員或操作員可使用該功能進(jìn)入系統(tǒng)中，通過(guò)點(diǎn)擊相關(guān)功能查詢(xún)用電數(shù)據(jù)。在查詢(xún)窗口中，用戶可依據(jù)篩選條件，諸如用電報(bào)表的年度、月份等，顯示相應(yīng)的報(bào)表，用戶能夠選擇任意報(bào)表進(jìn)行查看。相關(guān)人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)于整體的分析?？梢圆樵?xún)節(jié)能效果和用戶使用情況以及電費(fèi)的支出情況等，如下圖4.2所示。圖4.2數(shù)據(jù)查詢(xún)4.1.4管理員維護(hù)在服務(wù)器端，用戶被分為管理員和油田數(shù)據(jù)上報(bào)員兩類(lèi)。管理員是最高權(quán)限的用戶，除了可以更改自己的信息和權(quán)限外，還可以執(zhí)行一系列其他操作。油田數(shù)據(jù)上報(bào)員則具有一定的權(quán)限，包括編輯個(gè)人信息、修改個(gè)人用戶密碼、上傳數(shù)據(jù)報(bào)表、查詢(xún)報(bào)表等功能。4.2系統(tǒng)總程序的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)是以當(dāng)前節(jié)能減排為背景，運(yùn)用所學(xué)的電力電子知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)智能環(huán)境檢測(cè)以及人數(shù)統(tǒng)計(jì)的ZigBee技術(shù)的圖書(shū)館節(jié)約用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)及相關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)處理。該校園圖書(shū)館節(jié)約用電管理系統(tǒng)主要由以單片機(jī)、電源模塊、通信模塊、溫濕度傳感器、光照傳感器、人體紅外傳感器、繼電器等完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電后，采集初始化，系統(tǒng)上電后，各個(gè)模塊進(jìn)行初始化的任務(wù)，利用紅外模塊來(lái)監(jiān)測(cè)圖書(shū)館的人數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路清晰，簡(jiǎn)單易懂。圖4.3為系統(tǒng)的總程序流程圖。圖4.3基于STM32圖書(shū)館節(jié)約用電管理系統(tǒng)總流程圖圖4.4為上位機(jī)總框架圖，下位機(jī)通過(guò)WIFI模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接受到信號(hào)后進(jìn)行解讀，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示到相應(yīng)的地方，需要顯示的數(shù)據(jù)顯示到顯示屏，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，需要處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖4.4上位機(jī)總流程圖4.3ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)ZigBee模塊與單片機(jī)之間通過(guò)串口進(jìn)行連接，ZigBee模塊RXD引腳連接單片機(jī)的P3.1引腳，ZigBee模塊的TXD引腳連接單片機(jī)的P3.0引腳，ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)中，首先需要對(duì)串口進(jìn)行初始化，ZigBee模塊獲取u單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)信息，接收完成則返回。ZigBee軟件模塊設(shè)計(jì)圖如圖4.5所示。圖4.5ZigBee軟件模塊設(shè)計(jì)4.4按鍵輸入軟件子程序設(shè)計(jì)根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，IO口將輸入低電平信號(hào)。軟件部分通過(guò)if語(yǔ)句來(lái)判斷IO端口的信號(hào)是0還是1，從而能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出是哪個(gè)按鍵被按下。通過(guò)對(duì)按鍵信號(hào)的識(shí)別，對(duì)應(yīng)的子程序?qū)⒈粓?zhí)行，從而完成了信息輸入的功能。按鍵軟件流程圖如圖4.6所示。圖4.6按鍵子程序流程圖4.5編程語(yǔ)言與調(diào)試環(huán)境選擇在調(diào)試系統(tǒng)的過(guò)程中軟件程序的設(shè)定占有較為重要的地位。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)初期會(huì)選擇合適的編程語(yǔ)言，以合適且方便為選擇標(biāo)準(zhǔn)，此過(guò)程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言十分重要。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)方面進(jìn)行分析，并且結(jié)合后續(xù)使用過(guò)程中的實(shí)用性和便利性進(jìn)行考慮，本系統(tǒng)選用C語(yǔ)言進(jìn)行編譯。普遍編程人員首先接觸到的編譯語(yǔ)言為C語(yǔ)言，因此C語(yǔ)言在使用的便利性方面占據(jù)極大優(yōu)勢(shì)，單片機(jī)系統(tǒng)多以C語(yǔ)言為編譯語(yǔ)言。C語(yǔ)言除以上所述優(yōu)勢(shì)外，在邏輯方面也具備一定的優(yōu)勢(shì)。運(yùn)用C語(yǔ)言編譯的程序，能夠使用戶更為輕松的理解程序內(nèi)容，熟練運(yùn)用程序。此外，在實(shí)用性方面，C語(yǔ)言借助其模塊化的優(yōu)勢(shì)，極大地提高了系統(tǒng)編程過(guò)程中的實(shí)用性。本文采用的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil，Keil軟件在實(shí)用性方面具備一定的優(yōu)勢(shì)，工程師在選擇編譯軟件時(shí)長(zhǎng)將其作為首選，該軟件也憑借其自身優(yōu)勢(shì)，成為使用最為廣泛的一套編程軟件。4.6手機(jī)與云服務(wù)器交互云服務(wù)器主要用于提供HTTP服務(wù)，云服務(wù)器是一類(lèi)軟件程序服務(wù)器，并不是硬件服務(wù)器。它的主要功能是進(jìn)行WEB服務(wù)器程序來(lái)偵聽(tīng)當(dāng)前機(jī)器的8080端口，一旦有任何外部訪問(wèn)，就會(huì)返回一些相關(guān)消息。當(dāng)用戶進(jìn)行應(yīng)用程序發(fā)起對(duì)圖書(shū)館用電報(bào)表的查詢(xún)請(qǐng)求時(shí)，首先會(huì)在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行DNS查詢(xún)，查詢(xún)到主機(jī)名對(duì)應(yīng)的IP,比如查到的是圖書(shū)館的IP地址，云服務(wù)器就用查詢(xún)到的IP地址去連接服務(wù)器，然后發(fā)送到手機(jī)app當(dāng)中。4.7本章小結(jié)這一章節(jié)總結(jié)了服務(wù)器端怎么調(diào)用自己的請(qǐng)求處理類(lèi)問(wèn)題，從客戶端收到請(qǐng)求并進(jìn)行識(shí)別、分析請(qǐng)求、查找資源、執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作，最終結(jié)果把數(shù)據(jù)反饋給瀏覽器完成結(jié)果的過(guò)程。進(jìn)而，我進(jìn)而仔細(xì)的介紹了系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)和對(duì)應(yīng)的技術(shù)原理。結(jié)合現(xiàn)實(shí)需要的，我們利用阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了圖書(shū)館管理系統(tǒng)中大量用電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算，充分發(fā)揮了云數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)部分。其次，我還寫(xiě)出了該系統(tǒng)怎樣與手機(jī)進(jìn)行的交互。用戶在手機(jī)端發(fā)起請(qǐng)求后，系統(tǒng)通過(guò)與服務(wù)器進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的處理和返回結(jié)果。這些是該系統(tǒng)的核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)試5.1系統(tǒng)實(shí)物圖該設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分，數(shù)據(jù)采集部分、終端網(wǎng)關(guān)部分、阿里云服務(wù)器部分。檢測(cè)圖書(shū)館亮度，溫度，濕度，人員有無(wú)，終端控制部分采用繼電器。通過(guò)各種傳感器檢測(cè)各種數(shù)據(jù)。如下圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)實(shí)物圖圖5.2光照強(qiáng)度檢測(cè)5.2硬件測(cè)試通過(guò)光照強(qiáng)度傳感器和人體紅外傳感器接收數(shù)據(jù)，我設(shè)置的值為光照強(qiáng)度低于30%時(shí)，并且在有人的情況下，繼電器亮起并且開(kāi)始計(jì)量電費(fèi)，如果低于30%但是沒(méi)人的時(shí)候，繼電器也是也是不計(jì)量電費(fèi)的，這樣能夠避免電費(fèi)的損失從而進(jìn)行節(jié)能用電的效果，如上圖5.2所示電路板的連接性檢測(cè)是硬件測(cè)試中的首要階段，在硬件平臺(tái)搭建的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用萬(wàn)用表對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。萬(wàn)用表的主要用途為，檢測(cè)電路板的焊接情況，確保各焊接點(diǎn)均焊接正常，以保障后續(xù)的電路工作均可正常運(yùn)行。進(jìn)行完以上測(cè)試后，將該電路板與簡(jiǎn)單電路相連，探查指示燈的顯示情況，若指示燈亮起，則表明該電路板的電源板塊運(yùn)行正常。然后測(cè)試電路板的電平信號(hào)的輸出情況，分別針對(duì)基準(zhǔn)源與晶振電路進(jìn)行調(diào)試，觀察信號(hào)的輸出值是否處于穩(wěn)定范圍內(nèi)，同時(shí)觀察穩(wěn)壓芯片是否存在供電誤差情況。以上調(diào)試完畢后，可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行此的電路板，觀察在運(yùn)行的過(guò)程中是否有器件呈現(xiàn)過(guò)熱情況，此調(diào)試稱(chēng)為溫升測(cè)試，倘若在該調(diào)試過(guò)程中有器件出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題，針對(duì)該器件的封裝情況以及參數(shù)阻容值進(jìn)行重新評(píng)估，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)以上調(diào)試，該系統(tǒng)的可靠性得到驗(yàn)證，硬件電路的調(diào)試在系統(tǒng)中尤為重要，后續(xù)的編程工作需以其正常調(diào)試為前提，才能夠繼續(xù)運(yùn)行。5.3軟件測(cè)試通過(guò)下位機(jī)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示儲(chǔ)存收集，進(jìn)行檢測(cè)和觀察，如下圖5.3.1所示。圖5.3.1阿里云平臺(tái)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存各個(gè)傳感器上傳的數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行用電高峰的預(yù)測(cè)，從而保護(hù)圖書(shū)館的用電安全，進(jìn)而可以對(duì)電量進(jìn)行有效的分配，從根源上對(duì)圖書(shū)館用電進(jìn)行節(jié)約式管理，如下圖5.3.2所示。圖5.3.2歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示在進(jìn)行軟件測(cè)試的時(shí)候，需要對(duì)前一個(gè)階段的硬件測(cè)出的各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行比對(duì)和分析，確保其均在正常要求內(nèi)。然后對(duì)電路板的MCU進(jìn)行程序燒錄，調(diào)試成正常安全的狀態(tài)后，對(duì)其與各功能板塊逐一進(jìn)行測(cè)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)。通過(guò)使用仿真器和調(diào)試軟件，同時(shí)結(jié)合硬件電路的調(diào)試，在子程序中設(shè)定了斷點(diǎn)。然后，在watch窗口中輸入了和子程序相關(guān)的所有變量，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的實(shí)際變化值。然而，在系統(tǒng)運(yùn)行子程序的第6條指令時(shí)，內(nèi)存變量中發(fā)生了與正常數(shù)值不同的值，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)存指針出現(xiàn)了錯(cuò)誤，最終引發(fā)內(nèi)存溢出錯(cuò)誤，導(dǎo)致整片內(nèi)存全部被填滿了。內(nèi)存調(diào)試如圖5.3.3所示。圖5.3.3內(nèi)存觀察調(diào)試通過(guò)多種的調(diào)節(jié)方式，發(fā)現(xiàn)一個(gè)int變量沒(méi)有被強(qiáng)制直接拉入設(shè)置好的內(nèi)存地址，由于突發(fā)的原因，造成指針顯示錯(cuò)誤，導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)徹底崩潰，好在及時(shí)發(fā)現(xiàn)了相關(guān)的問(wèn)題，然后通過(guò)修改變量的存儲(chǔ)檢測(cè)，加入了變量的軟件程序檢測(cè)，保證了實(shí)時(shí)存儲(chǔ)問(wèn)題不會(huì)再次出現(xiàn)，這樣一個(gè)系統(tǒng)錯(cuò)誤導(dǎo)致無(wú)法正常運(yùn)行的調(diào)試過(guò)程就完成了。再次運(yùn)行程序，系統(tǒng)一直運(yùn)行良好，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常結(jié)果。結(jié)果如圖5.3.4所示。圖5.3.4調(diào)試后結(jié)果2727第6章結(jié)論本文通過(guò)STM32單片機(jī)的圖書(shū)館節(jié)約用電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制技術(shù)對(duì)模擬量的控制方法，對(duì)通信及傳感器觸發(fā)控制控制技術(shù)有了清晰地認(rèn)知，通過(guò)各類(lèi)傳感器模塊的學(xué)習(xí)，可以有效的傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)線路干擾，且保證可以迅速完成響應(yīng)動(dòng)作。本文主要做了以下幾點(diǎn)工作：（1）在本文設(shè)計(jì)之前，通過(guò)查閱資料了解ZigBee設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀并對(duì)傳輸技術(shù)進(jìn)行了仔細(xì)研究，了解了ZigBee傳輸是一種數(shù)字傳輸，為數(shù)據(jù)傳輸提供了有力保障，節(jié)約了時(shí)間成本。（2）在本文設(shè)計(jì)中將紅外溫度傳感器技術(shù)和單片機(jī)有力相結(jié)合，有效的實(shí)現(xiàn)和完成了對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸，將給定的模擬信號(hào)體現(xiàn)了數(shù)字化的實(shí)際應(yīng)用，為其它領(lǐng)域數(shù)字化控制系統(tǒng)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供參考價(jià)值。（3）本論文基于當(dāng)前節(jié)能減排的環(huán)境下，進(jìn)行設(shè)計(jì)一款適應(yīng)于圖書(shū)館提升電能使用的手段，較好的完成了課題的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)物功能也進(jìn)一步地課題設(shè)計(jì)方案的可行性。雖然本系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，但離真正的圖書(shū)館節(jié)約用電系統(tǒng)還有許多需要改進(jìn)的地方。

（1）目前市場(chǎng)上的智能用電管理系統(tǒng)采用更先進(jìn)的控制架構(gòu)，結(jié)合到了人工智能和語(yǔ)音助手的相關(guān)技術(shù)，即便是這樣了，系統(tǒng)的功能仍然需要繼續(xù)修改。

（2）服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)尚有特別多的功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，分布式系統(tǒng)僅僅為模擬的結(jié)果，并沒(méi)有提高性能。圖書(shū)館節(jié)約用電系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)安全是相當(dāng)關(guān)鍵的，但是本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)安全性方面做得仍有待充分改進(jìn)，這是未來(lái)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。2929附錄參考文獻(xiàn)王慶剛,陳旭陽(yáng).基于單片機(jī)的人體紅外計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].信息通信,2020(01):111-113.胡伶俐,何建銨,歐漢福,張芳.單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].重慶大學(xué)出版社:中等職業(yè)教育電子與信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)系列教材,2019,03.113.FirstEnergyandPJMAskCustomerstoConserveElectricity[J].M2Presswire,2022.ShigeruTakushima,DaijiMorita,NobuhiroShinoharaetal.Opticalin-processheightmeasurementsystemforprocesscontroloflasermetal-wiredeposition[J]PrecisionEngineering,2020,62(C).\t"/kcms2/article/kcmstarget"Agriculture-VegetableCrops;ResearchersfromUniversityofIllinoisReportRecentFindingsinVegetableCrops(Copperoxidenanoparticleeffectsonrootgrowthandhydraulicconductivityoftwovegetablecrops)[J].

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