智能家居能源監(jiān)控管理系統(tǒng)的制作

步驟1：項(xiàng)目范圍分析

簡(jiǎn)介

鑒于電力成本的不斷上漲以及旨在減少一般用電量的全球變暖運(yùn)動(dòng)，人們對(duì)分析家庭用電量的興趣日益濃厚。通過(guò)分別分析每個(gè)電器的用電量，可以得出有關(guān)其效率和更換需求的更準(zhǔn)確的結(jié)論。此外，這還可以確定設(shè)備在關(guān)閉時(shí)是否正在消耗大量電能，以及是否應(yīng)該拔掉電源。這樣可以減少電力消耗和成本。

問(wèn)題說(shuō)明

當(dāng)前安裝在家庭中的大多數(shù)傳統(tǒng)預(yù)付費(fèi)電表僅顯示實(shí)時(shí)總使用量的電量和可用電量。無(wú)法查看這些電表的日，周或月消耗量，并且這些電表通常放置在不方便的位置，這使得定期查看變得有些困難。這些功率計(jì)還缺乏單獨(dú)監(jiān)視設(shè)備的能力。因此，隱藏了有關(guān)單個(gè)電器的重要信息。

項(xiàng)目目標(biāo)和范圍

需要一個(gè)智能電表系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以分析家庭中的多個(gè)電器以獲取諸如如電壓，電流，有功功率，視在功率，無(wú)功功率，功率因數(shù)和頻率。借助有線/無(wú)線連接，設(shè)備可以連接到中央網(wǎng)關(guān)，并且網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)可以上載和處理收集的信息。然后，數(shù)據(jù)可以顯示在平臺(tái)的基于android的圖形用戶界面上。該平臺(tái)允許用戶從任何啟用Android的設(shè)備訪問(wèn)數(shù)據(jù)。為了降低成本，系統(tǒng)需要能量計(jì)量節(jié)點(diǎn)，該能量計(jì)量節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)以無(wú)線方式或有線方式與網(wǎng)關(guān)通信，這樣對(duì)于包含許多受監(jiān)視設(shè)備的家庭來(lái)說(shuō)，僅需要一個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)。此外，還要求關(guān)于電器的當(dāng)前信息也可以通過(guò)菜單界面在本地顯示器上查看。如果滿足以下條件，則遠(yuǎn)程電能計(jì)量節(jié)點(diǎn)將被視為成功：

?節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的有線/無(wú)線通信

?正確測(cè)量電壓，電流和功率

?網(wǎng)關(guān)上具有顯示和菜單的工作用戶界面

?網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程儀表節(jié)點(diǎn)之間可靠的有線/無(wú)線通信。

如果時(shí)間允許，可能會(huì)添加以下附加功能以改進(jìn)項(xiàng)目，請(qǐng)記住，省略這些功能不會(huì)影響操作：

?建立安全的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)包裝網(wǎng)關(guān)站

?建立安全的機(jī)械結(jié)構(gòu)以隔離能量計(jì)量節(jié)點(diǎn)

?在設(shè)備關(guān)閉時(shí)提高設(shè)備的電源效率并最小化功耗

智能電表和智能電表系統(tǒng)

智能電表是公用事業(yè)用于交流信息的電子測(cè)量設(shè)備為客戶開(kāi)帳單并操作其電氣系統(tǒng)。十五年來(lái)，電表已被公用事業(yè)公司有效地用于為其至少一部分客戶群提供準(zhǔn)確的賬單數(shù)據(jù)。

最初，由于技術(shù)原因，該技術(shù)已應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)客戶對(duì)更復(fù)雜的費(fèi)率和更精細(xì)的計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)需求的需求。電子表的使用已為公用事業(yè)的最大客戶服務(wù)，并隨著時(shí)間的流逝逐漸擴(kuò)展到所有客戶類別。通過(guò)降低技術(shù)成本和所有客戶類別的高級(jí)計(jì)費(fèi)要求，可以實(shí)現(xiàn)這種遷移。電子儀表與用于信息，監(jiān)視和控制的雙向通信技術(shù)的結(jié)合通常被稱為高級(jí)儀表基礎(chǔ)架構(gòu)（AMI）。利用單向通信收集電表數(shù)據(jù)的先前系統(tǒng)稱為AMR（自動(dòng)電表讀?。┫到y(tǒng)。 AMI已隨著時(shí)間的流逝而發(fā)展，從最初的抄表替代品（AMR）到如今的雙向通訊和數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

盡管智能電表在公用事業(yè)行業(yè)中相對(duì)較新，但它們卻受到與電子電表和較舊的機(jī)電產(chǎn)品相同的盡職調(diào)查和審查。這些儀表在儀表精度和設(shè)計(jì)上一直達(dá)到或超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，例如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）C12.1。此外，用于認(rèn)證儀表性能的設(shè)備必須可追溯到美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST），這是與行業(yè)合作以正確應(yīng)用技術(shù)和測(cè)量的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)。智能電表安裝使用的其他標(biāo)準(zhǔn)包括用于家庭電氣布線的國(guó)家電氣法規(guī)（NEC），用于外殼和設(shè)備的國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）和Underwriters Laboratories（UL），以及用于公用設(shè)施布線的國(guó)家電氣安全法規(guī)（NESC） 。通過(guò)公用事業(yè)計(jì)量專業(yè)人士和計(jì)量制造商的領(lǐng)導(dǎo)，這些固態(tài)電子測(cè)量設(shè)備的精心開(kāi)發(fā)使得計(jì)量表產(chǎn)品具有先進(jìn)的功能，穩(wěn)定的精度和更嚴(yán)格的精度公差，并且比先進(jìn)的功能更具成本效益。

步驟2：系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成。網(wǎng)關(guān)，能源節(jié)點(diǎn)和android應(yīng)用程序界面。下面的圖1顯示了這些部分之間如何相互作用。

能量計(jì)量節(jié)點(diǎn)

能量節(jié)點(diǎn)單元負(fù)責(zé)在請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行功率測(cè)量然后將它們發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。它等待通過(guò)UART（有線連接）從網(wǎng)關(guān)發(fā)出的請(qǐng)求。收到請(qǐng)求后，它會(huì)從EMIC讀取測(cè)量值，然后將此信息發(fā)送回網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)單元

網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)送到android應(yīng)用程序界面。它還具有控制臺(tái)訪問(wèn)權(quán)限，可以顯示所有相關(guān)信息以及一個(gè)小的界面。通過(guò)有線通信從能量節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求信息。然后，能量節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送回網(wǎng)關(guān)。然后，網(wǎng)關(guān)將此信息轉(zhuǎn)發(fā)到android應(yīng)用程序界面。此過(guò)程以固定的間隔進(jìn)行，可以在菜單界面中進(jìn)行設(shè)置。因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)和能量節(jié)點(diǎn)是分開(kāi)的，所以單個(gè)系統(tǒng)可以包含許多能量節(jié)點(diǎn)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，由于僅需要購(gòu)買能源節(jié)點(diǎn)，因此監(jiān)視其他附加設(shè)備的成本較低。

Android應(yīng)用程序界面

設(shè)計(jì)了android應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序負(fù)責(zé)讀取每個(gè)連接的能源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)，還負(fù)責(zé)設(shè)置各種網(wǎng)關(guān)配置和參數(shù)（例如各種閾值等）。

步驟3：能源節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

能量節(jié)點(diǎn)單元負(fù)責(zé)讀取EMIC的測(cè)量值，并在收到網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求后中繼此信息。能量節(jié)點(diǎn)單元由三個(gè)主要部分組成–能量測(cè)量IC本身，感測(cè)電路和隔離電路。能源節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方式使其可以通過(guò)電線直接連接到基站，以作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行。

能源測(cè)量前端（EMIC）

來(lái)自cirrus邏輯的CS5490用作能量測(cè)量的前端。從文獻(xiàn)回顧中可以明顯看出，一種簡(jiǎn)單的功率測(cè)量方法是使用EMIC，因?yàn)椴恍枰M(jìn)一步的計(jì)算，也不需要考慮其他任何因素。僅需要設(shè)置和校準(zhǔn)EMIC，然后可以讀取寄存器以獲取相關(guān)信息。正在考慮一些EMIC，例如微芯片的MCP3903。它使用SPI通信，共有8個(gè)專用于通信的引腳（SCK，SDO，SDI，CS，復(fù)位和3個(gè)數(shù)據(jù)就緒線）。大多數(shù)EMIC使用SPI通信。然而，最引人注目的邏輯芯片是CIRRUS LOGIC的CS5490。它使用UART進(jìn)行通信，并且似乎比其他EMIC更強(qiáng)大。該IC具有的一些功能包括：

?能量測(cè)量精度為0.1％

?支持分流電阻和CT

?片上測(cè)量/計(jì)算：

–有功，無(wú)功和視在功率

– RMS電壓和電流

–功率因數(shù)和線路頻率

–瞬時(shí)電壓，電流和功率

?過(guò)電流，電壓驟降和電壓驟升檢測(cè)

?超快速片上數(shù)字校準(zhǔn)

?UART串行接口

?片上溫度傳感器

?3.3 V單電源

?低功耗：13 mW

CS5490集成了獨(dú)立的四階Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于通道，參考電路和成熟的EXL信號(hào)處理內(nèi)核，可提供有功，無(wú)功和視在能量測(cè)量。此外，RMS和功率因數(shù)計(jì)算可用。計(jì)算結(jié)果通過(guò)可配置的能量脈沖輸出，或直接通過(guò)UART串行訪問(wèn)片上寄存器。串行端口上還提供瞬時(shí)電流，電壓和功率測(cè)量。兩線制UART可在需要時(shí)最大程度地降低隔離成本。

CS5940總共僅需要3個(gè)引腳來(lái)接收，接收和復(fù)位。 EMIC通常連接到電源以獲取電壓讀數(shù)，因此需要將IC與與其通信的微處理器隔離。該項(xiàng)目中使用光耦合器在網(wǎng)關(guān)（Beaglebone黑色）和IC之間建立隔離連接。光耦合器在使用光傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可以將兩個(gè)電路彼此隔離，并且其光敏晶體管全部封裝在一個(gè)小封裝中。方便的是，它還可以用作電平轉(zhuǎn)換器，因?yàn)锽eaglebone black在3.3V電壓下工作，某些部件在5V邏輯下工作，而電能計(jì)量IC僅在3.3V邏輯下解決了一個(gè)設(shè)備的兩個(gè)問(wèn)題。

可配置的數(shù)字輸出提供能量脈沖，過(guò)零，能量方向或中斷功能。在各種情況下都可能產(chǎn)生中斷，包括電壓驟降或驟升，過(guò)電流等等。通過(guò)校驗(yàn)和和寫(xiě)保護(hù)來(lái)確保片上寄存器的完整性。 CS5490旨在與各種電壓和電流傳感器接口，包括分流電阻器，電流互感器和Rogowski線圈。

EMIC確實(shí)需要一些電路來(lái)進(jìn)行測(cè)量。為了進(jìn)行電壓測(cè)量，在兩根線之間使用了一個(gè)分壓器，為了進(jìn)行電流測(cè)量，使用了一個(gè)分流電阻器。該IC在電壓測(cè)量和電流測(cè)量輸入上的最大峰峰值為250mV，因此CT或并聯(lián)電阻和分壓器的選擇必須使最大值不會(huì)達(dá)到最大值，否則IC會(huì)斷裂

第4步：能量節(jié)點(diǎn)電路說(shuō)明

選擇了并聯(lián)電阻，因?yàn)樗然魻栃?yīng)傳感器更穩(wěn)定。并且比電流互感器小。分流電阻器必須處于這樣的范圍內(nèi)：如果從設(shè)備汲取最大允許電流，則分流電阻器上的電壓降峰峰值之間小于250mV，因?yàn)檫@是EMIC的最大電流電壓輸入。

Vmax = Imax * Rshunt

因此，Rshunt = Vmax/Imax

選擇Imax為17A，Vmax為250mV

R = 10mΩ

因此此處將使用一個(gè)小于10mΩ的并聯(lián)電阻。 EMIC具有50倍的內(nèi)部可調(diào)增益，因此可以使用更小的分流電阻器，并且還具有減小電阻器功耗的優(yōu)勢(shì)。

高壓交流線路通過(guò)分壓器進(jìn)行衰減。傳感器由1.76Mohm和1Kohm電阻組成，然后提供給CS5490電壓通道輸入。分壓比取決于CS5490電壓通道的最大輸入范圍（176mVRMS）和最大線路電壓。分壓比由下面的公式確定。

Vout = Vin *（R2/（R1 + R2））《176mV RMS

對(duì)于線路電壓，Vin = 260 Vrms，并且R2 = 1K，則可以求解R1。參見(jiàn)下面的公式：

R1 = ［1000 * {（260V/176mV）– 1}］ = 1.47Mohm

給出120％的裕度，為了選擇公共電阻值，選擇了R1 = 120％* 1.47M = 1.76Mohm電阻。電壓檢測(cè)電阻（R2）的參考電位必須與電流傳感器和CS5490電源（位于線路或中性線）相同。

微處理器和繼電器電路的邏輯電平為3.3 V和5V，而EMIC具有3.3V邏輯電平，因此需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器。此外，電能計(jì)量IC連接到電源，但是必須將微處理器芯片與電源隔離，因?yàn)閬?lái)自電源的噪聲會(huì)損壞微處理器，尤其是其他組件的可靠性。因此，需要一種能夠同時(shí)進(jìn)行隔離和電平轉(zhuǎn)換的設(shè)備。幸運(yùn)的是，光耦合器可以做到這一點(diǎn)。當(dāng)光耦合器中的一個(gè)信號(hào)傳輸?shù)剿鼤r(shí)，它的光源就會(huì)打開(kāi)。該光源激活連接接收側(cè)兩端的晶體管。光耦合器的選擇主要是由于可用性和尺寸。另一個(gè)重要因素是在光耦合器之間傳輸信號(hào)的上升和下降時(shí)間。

EMIC的默認(rèn)波特率設(shè)置為600。由于波特率非常低，因此光耦合器可以處于微秒范圍。該項(xiàng)目的光耦合器是MCT2E。它的上升和下降時(shí)間分別為3和4 us，因此以600的波特率可靠地通信是可以接受的。還選擇它的原因是它易于獲得并且具有僅6針的小型封裝。

步驟5：EMIC校準(zhǔn)，縮放和補(bǔ)償

電表是配電網(wǎng)絡(luò)的一部分，用于測(cè)量電力消耗。在配電網(wǎng)中使用電表要求電表適應(yīng)各種配置。這取決于配電網(wǎng)的一部分以及安裝了電表的最終用戶的類型。這些配置包括廣泛的電壓和電流范圍，根據(jù)規(guī)格，電表應(yīng)能正常工作。上述要求要求計(jì)量引擎具有適應(yīng)性，以便根據(jù)規(guī)格可選擇轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的換能器，同時(shí)仍記錄輸入線路信號(hào)的實(shí)際值。

電表設(shè)計(jì)是由許多組件組成，由于電表設(shè)計(jì)中的各種因素，其特性可能會(huì)有所不同。構(gòu)成電路一部分的組件包括：

?用作電流傳感器的電流互感器（CT）或分流器

?用作電壓傳感器的電阻分壓器

?電阻器

?電容器

?電感器

這些特性的變化會(huì)影響測(cè)量信號(hào)，可能會(huì)導(dǎo)致

偏移增加，幅度改變和信號(hào)相位變化。考慮到以上所有因素，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)儀表輸出。校準(zhǔn)是將線路參數(shù)設(shè)置為已知值，并計(jì)算各種信號(hào)調(diào)節(jié)參數(shù)（例如增益，偏移補(bǔ)償和相位補(bǔ)償因子）的過(guò)程。

校準(zhǔn)在CS5490中是獨(dú)立的，并且所有計(jì)算均由器件執(zhí)行，并存儲(chǔ)在內(nèi)部寄存器中。補(bǔ)償要求MCU執(zhí)行一些計(jì)算，然后將結(jié)果存儲(chǔ)回CS5490寄存器。由于CS5490沒(méi)有非易失性存儲(chǔ)器（NVM），因此必須將永久性的校準(zhǔn)和補(bǔ)償存儲(chǔ)放在MCU NVM中，并在任何AFE復(fù)位條件后重新加載。通常，每次校準(zhǔn)和補(bǔ)償都需要執(zhí)行以下步驟：

?1.配置CS5490的初始條件

?2.將模擬輸入與來(lái)自精確源的激勵(lì)相結(jié)合

》

?3.啟用所需的校準(zhǔn)

?4.執(zhí)行校準(zhǔn)

?5.讀取結(jié)果

?6.計(jì)算新寄存器補(bǔ)償值

?7.將結(jié)果存儲(chǔ)在AFE和NVM中

通常同時(shí)執(zhí)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。例如，由于AC增益校準(zhǔn)和相位補(bǔ)償需要將類似的輸入信號(hào)施加到電流和電壓通道，因此校準(zhǔn)和補(bǔ)償是同時(shí)執(zhí)行的。

1。正常操作過(guò)程（在現(xiàn)場(chǎng)每次復(fù)位時(shí)執(zhí)行）

以下過(guò)程概述了將儀表置于正常操作模式所需的步驟。圖2.3顯示了現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)操作的簡(jiǎn)化流程圖。

1。重置CS5490。

2?；謴?fù)配置和控制寄存器。

3。從非易失性存儲(chǔ)器中恢復(fù)VGAIN和IGAIN寄存器。

4。如果需要，請(qǐng)從NVM恢復(fù)偏移量寄存器。

5。如果需要，請(qǐng)從NVM恢復(fù)相位補(bǔ)償寄存器。

6。如果需要，請(qǐng)從NVM恢復(fù)空載補(bǔ)償?shù)絇OFF和QOFF寄存器。

7。將單個(gè)轉(zhuǎn)換命令發(fā)送到CS5490。

8。確認(rèn)寄存器校驗(yàn)和有效，或返回到步驟1。

9。將連續(xù)轉(zhuǎn)換命令發(fā)送到CS5490。

10。啟用并清除DRDY。

11。投票DRDY。

12。如果設(shè)置了DRDY，請(qǐng)清除DRDY。

13。讀取IRMS，VRMS和PAVG。通過(guò)以下方法將IRMS，VRMS和PAVG縮放回真實(shí)值：

安培= Full_Scale_Current *（IRMS/0.6）

電壓= Full_Scale_Voltage *（VRMS/0.6）

瓦數(shù)= Full_Scale_Power *（PAVG/0.36）

14。循環(huán)回到“輪詢DRDY”步驟。

2。完整的校準(zhǔn)和補(bǔ)償過(guò)程（執(zhí)行一次）

以下過(guò)程顯示了執(zhí)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償所需的步驟。圖2.4顯示了完整校準(zhǔn)過(guò)程的流程圖。

圖2.4主要校準(zhǔn)過(guò)程

1。接通CS5490設(shè)備的電源。

2。重置CS5490設(shè)備。

3。驗(yàn)證寄存器校驗(yàn)和以確認(rèn)重置成功。

4?；謴?fù)配置和控制寄存器。

5。將參考線電壓和負(fù)載電流連接到電表，電流相滯后角為60o。

6。如果參考負(fù)載電流不是滿負(fù)載，則將比例寄存器設(shè)置為0.6 x 223x參考負(fù)載電流÷滿量程電流的比率。如果參考線電壓低于最大線電壓，請(qǐng)參閱非滿量程增益校準(zhǔn)。

7。連續(xù)轉(zhuǎn)換（0xD5命令）2秒鐘。

8。停止連續(xù)轉(zhuǎn)換（0xD8指令）。

9。讀取IRMS，VRMS，PAVG和PF，并通過(guò)驗(yàn)證IRMS，VRMS，PAVG和PF是否在合理范圍內(nèi)來(lái)確認(rèn)參考電壓和電流信號(hào)是否正確連接。

10。清除DRDY狀態(tài)位。

11。將交流增益校準(zhǔn)命令（0xFE）發(fā)送到CS5490。

12。等待設(shè)置DRDY。

13。如果需要，請(qǐng)執(zhí)行相位補(bǔ)償，交流偏移校準(zhǔn)和功率偏移校正。

14。發(fā)送連續(xù)轉(zhuǎn)換（0xD8命令）。

15。驗(yàn)證測(cè)量精度。如果精度不在規(guī)格范圍內(nèi)，請(qǐng)檢查設(shè)置或使儀表失靈。

16。讀取VGAIN，IGAIN，IACOFF，POFF，QOFF，PC，然后注冊(cè)校驗(yàn)和并將其保存到閃存/EEPROM中。

17。校準(zhǔn)完成。

3。系統(tǒng)縮放比例

硬件縮放比例：CS5490輸入使用衰減電路進(jìn)行縮放，衰減電路的最大輸入幅度為176mVRMS或35mVRMS，這取決于AFE增益設(shè)置為增益分別為10倍或50倍。

AFE刻度： AFE寄存器記錄輸入電平，這些電平顯示為最新測(cè)量值與最大RMS電壓和RMS電流的比率。 。 RMS寄存器的最大值使用0.6的比率生成。寄存器值讀取為24位十六進(jìn)制數(shù)字，該數(shù)字按比例表示0.6VRMS滿量程。在最大電壓（0.6）和最大電流（0.6）時(shí)，最大功率為PMAX = VRMSMAX×IRMSMAX = 0.6×0.6 = 0.36。

MCU比例尺：讀取所有寄存器并根據(jù)滿載條件解釋24位十六進(jìn)制數(shù)。知道最大硬件縮放比例和與滿量程輸入有關(guān)的最新AFE寄存器值后，MCU例程便能夠計(jì)算實(shí)際功率測(cè)量值。

步驟6：網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)送到android應(yīng)用程序界面。它還具有控制臺(tái)訪問(wèn)權(quán)限，可以顯示所有相關(guān)信息以及一個(gè)小的界面。通過(guò)有線通信從能量節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求信息。然后，能量節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送回網(wǎng)關(guān)。然后，網(wǎng)關(guān)將此信息轉(zhuǎn)發(fā)到android應(yīng)用程序界面。此過(guò)程以固定的間隔進(jìn)行，可以在菜單界面中進(jìn)行設(shè)置。因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)和能量節(jié)點(diǎn)是分開(kāi)的，所以單個(gè)系統(tǒng)可以包含許多能量節(jié)點(diǎn)。這樣做的好處是，由于只需要購(gòu)買能源節(jié)點(diǎn)，因此監(jiān)視其他附加設(shè)備的成本較低。

網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序完全使用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)。該應(yīng)用程序的流程圖如右圖所示。該應(yīng)用程序使用“ sys”文件系統(tǒng)初始化Beaglebone黑板的GPIO引腳開(kāi)始。然后設(shè)置GPIO引腳的方向以適應(yīng)該引腳上使用的功能。例如，選擇連接繼電器的引腳作為輸出，而選擇連接開(kāi)關(guān)的引腳作為輸入。

在GPIO引腳初始化之后，我們打開(kāi)了兩個(gè)串行端口節(jié)點(diǎn)。在Linux文件系統(tǒng)中以“/dev/ttyOx”訪問(wèn)，其中x是UART號(hào)。這兩個(gè)串行端口是我們的電能計(jì)量節(jié)點(diǎn)使用UART直接連接的端口。因此，只有在打開(kāi)這些端口之后，我們才能訪問(wèn)這些端口。之后，我們閱讀串行端口的先前配置，并設(shè)置一個(gè)新的端口以匹配我們的EMIC功能。成功設(shè)置串行端口后，我們將校準(zhǔn)常數(shù)加載到兩個(gè)EMIC板上，從而初始化兩個(gè)CS5490 EMIC，準(zhǔn)備進(jìn)行能量測(cè)量。

成功加載校準(zhǔn)常數(shù)后，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)信號(hào)處理程序，用于緊急停止網(wǎng)關(guān)服務(wù)器應(yīng)用程序。在這里，我們對(duì)資源進(jìn)行了所有的明智分配，例如服務(wù)器文件描述符，串行端口以及我們?cè)趹?yīng)用程序中使用的所有資源。

由于網(wǎng)關(guān)還負(fù)責(zé)將電表讀數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此我們使用sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)，用于以結(jié)構(gòu)化格式存儲(chǔ)儀表的讀數(shù)。初始化信號(hào)處理程序后，我們打開(kāi)/創(chuàng)建名為“ METERx”的對(duì)應(yīng)儀表的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，其中x是儀表編號(hào)。如果數(shù)據(jù)庫(kù)文件最初不存在，則創(chuàng)建該文件，否則將其打開(kāi)?，F(xiàn)在，以“ month_year”格式創(chuàng)建/打開(kāi)對(duì)應(yīng)月份和年份的表。對(duì)于新的月份/年份，應(yīng)用程序會(huì)自動(dòng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建相應(yīng)的表。

現(xiàn)在要在網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)并行性，我們實(shí)現(xiàn)了三個(gè)線程，它們運(yùn)行三種不同的應(yīng)用程序功能。在這里，我們初始化三個(gè)線程。第一個(gè)是“計(jì)時(shí)器線程”，它負(fù)責(zé)維護(hù)程序中的參考時(shí)間延遲，以定期更新數(shù)據(jù)庫(kù)和用于儀表讀數(shù)的用戶界面。下一個(gè)線程“開(kāi)關(guān)輪詢線程”負(fù)責(zé)連續(xù)監(jiān)視開(kāi)關(guān)是否被按下，從而執(zhí)行相應(yīng)的負(fù)載開(kāi)關(guān)功能。第三個(gè)線程“服務(wù)器線程”負(fù)責(zé)與Android客戶端應(yīng)用程序創(chuàng)建，綁定，偵聽(tīng)和維護(hù)TCP/IP連接，以進(jìn)行數(shù)據(jù)更新和檢索。

為進(jìn)行原型演示，我們選擇了Beaglebone black ，這是德州儀器（TI）的開(kāi)發(fā)板作為網(wǎng)關(guān)處理器。它配備了最少的功能集，以允許用戶體驗(yàn)處理器的功能，并且不打算用作完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因?yàn)锽eagleBone Black無(wú)法通過(guò)板載訪問(wèn)處理器提供的許多功能和接口。支持某些接口。 BeagleBone Black并非旨在執(zhí)行任何特定功能的完整產(chǎn)品。它是實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)如何對(duì)處理器進(jìn)行編程以及如何通過(guò)創(chuàng)建自己的軟件和硬件來(lái)訪問(wèn)外圍設(shè)備的基礎(chǔ)。它還提供對(duì)許多接口的訪問(wèn)，并允許使用稱為capes的附加板來(lái)添加許多不同的功能組合。用戶還可以開(kāi)發(fā)自己的電路板或添加自己的電路。

電路板功能包括：

1。 AM335x 1GHzARM?Cortex-A8

2。 512MB DDR3 RAM

3。 4GB 8位eMMC板載閃存存儲(chǔ)器

4。 3D圖形加速器

5。 NEON浮點(diǎn)加速器

連接性：

1。用于電源和通信的USB客戶端

2。 USB主機(jī)

3。以太網(wǎng)

4。 HDMI

5。 2個(gè)46針接頭插座

軟件兼容性：

1。 Debian的

2。的Android

3。 Ubuntu的

4。 Cloud9 IDE

步驟7：ANDRIOD應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介

此應(yīng)用程序?qū)⒇?fù)責(zé)通過(guò)Wi-Fi從網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。首先，它將要求登錄名和密碼，以便未經(jīng)授權(quán)的用戶將無(wú)法使用它。然后它會(huì)根據(jù)用戶要求發(fā)送特定數(shù)據(jù)的命令，然后以不同的形式顯示網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)。有各種用于顯示各種類型數(shù)據(jù)的按鈕，每次單擊都會(huì)發(fā)送特定命令，以便網(wǎng)關(guān)將識(shí)別出要從數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)。還提供了根據(jù)用戶需求從應(yīng)用中打開(kāi)和關(guān)閉電表的措施。從我們可以在電表將限制發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序中設(shè)置能耗限制的角度來(lái)看，該電表很聰明，網(wǎng)關(guān)將在達(dá)到該限制時(shí)跟蹤能耗，并自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備。

在上圖中，我們看到啟用了Meter1，而未啟用Meter2，因此我們只能使用儀表1的按鈕；與儀表2相關(guān)的按鈕被禁用，以防止它們被意外使用。還有三個(gè)按鈕，用于發(fā)送命令以檢索當(dāng)前使用情況數(shù)據(jù)，當(dāng)月前幾周的數(shù)據(jù)使用情況以及前一天的數(shù)據(jù)使用情況。每個(gè)電表都有一個(gè)開(kāi)關(guān)，可以將其打開(kāi)和關(guān)閉，這將使電器根據(jù)我們的意愿打開(kāi)/關(guān)閉。當(dāng)前使用情況將顯示在同一屏幕上，并且將顯示的數(shù)據(jù)是功率，電壓，電流和能量。其他命令將導(dǎo)致數(shù)據(jù)以圖形的形式顯示在不同的活動(dòng)上。文本框底部是設(shè)置每月消耗量的限制，下面的按鈕將顯示上個(gè)月的能耗。

為了以圖表形式顯示數(shù)據(jù)，我們使用了Achartengine庫(kù)，我們必須復(fù)制到項(xiàng)目的libs文件夾中，我們必須在mainfest文件中添加其圖形活動(dòng)。我們之所以使用Achartengine是因?yàn)樗敲赓M(fèi)的，精簡(jiǎn)的并且支持各種類型的圖形。

為了發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)，我們使用了Stream Sockets，因?yàn)樵赨DP套接字的情況下，數(shù)據(jù)可能會(huì)被丟失，這將導(dǎo)致應(yīng)用程序行為異常。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，因此對(duì)于每個(gè)通信，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)線程，通信將在其處理程序中進(jìn)行，結(jié)果將由其在主線程中的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)布。在每個(gè)線程關(guān)閉時(shí)，其套接字也將關(guān)閉。我們還使用了一些背景圖片，需要將其復(fù)制到/bin/res/drawable-mdpi文件夾中。