楊帆，陳向詩瑤，李國平

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.智能機器人湖北省重點實驗室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

樓宇單元配電箱遙控開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計

楊帆1，2，陳向詩瑤1，李國平1

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.智能機器人湖北省重點實驗室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205

針對傳統(tǒng)樓宇單元配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布線困難、節(jié)點智能化程度不高等弊端，設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇單元配電箱改造控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)硬件主要包括位于房間內(nèi)部的信息接收盒和樓道間的開關(guān)主控制器，信息接收盒由電源部分、單片機部分、無線收發(fā)模塊、信息存儲模塊、看門狗以及開關(guān)控制部分組成，開關(guān)主控制器由MSP430系列單片機、電源模塊部分、按鍵、12864液晶屏組成，并且可通過RS232連接上位機電腦，信息接收盒分成4組分別連接到4個開關(guān)主控制器上，開關(guān)主控制器連接到值班室內(nèi)的電腦；軟件包括基于MODBUS協(xié)議的上位機通訊軟件及監(jiān)控軟件．該系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊的有效范圍達(dá)到1～2．5 km，宿舍管理員能遠(yuǎn)程遙控各個房間的照明電路和插座電路，并且可以查看到任意房間的電路關(guān)斷情況．

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；單元配電箱改造；MODBUS協(xié)議；遠(yuǎn)程遙控

0 引言

自1998年P(guān)OTTIE G J［1］從網(wǎng)絡(luò)的角度闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)含義以來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，以下簡稱:WSN）作為一種獨立的組網(wǎng)形式出現(xiàn)并應(yīng)用．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［2-3］由大量具有數(shù)據(jù)感知、信息處理和無線通信能力的低功耗、低成本的微型節(jié)點組成，這些節(jié)點能夠自組織地協(xié)同感知覆蓋區(qū)域范圍的特定信息，并通過多跳無線傳輸?shù)姆绞絺魉椭林付康模疅o線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、拓?fù)渥兓l繁、網(wǎng)絡(luò)自組織、節(jié)點資源有限、以數(shù)據(jù)為中心的特點［4-6］．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已在軍事［7-9］、環(huán)境監(jiān)測［10］、建筑物監(jiān)測［11］、智能交通［12］等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，一定會得到更大的應(yīng)用．

傳統(tǒng)的樓宇單元配電箱的控制改造是通過手工布置傳感器節(jié)點，通過有線的方式來實現(xiàn)對現(xiàn)有配電箱的控制改造．但是傳統(tǒng)的有線連接方式有其固有的缺點，如線路老化不易更換、在原有的復(fù)雜有線電路上不易進(jìn)行擴展等［13］．建立一個新的、無線傳播的樓宇單元配電箱遙控系統(tǒng)是解決上述問題的方法之一．

1 總體方案設(shè)計

針對某高校學(xué)生宿舍的管理要求:每晚11點以后要求宿舍管理員可以在值班室通過便捷的電腦操作切斷宿舍樓各個房間的照明電路和插座電路，但不影響空調(diào)電路，以方便規(guī)范該校學(xué)生作息時間．針對宿舍樓布線工程量很大，會耗費大量資金且不易擴展的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇單元配電箱遙控系統(tǒng)改造方案，其無線收發(fā)模塊的有效范圍達(dá)到1～2．5 km．設(shè)計總體方案如圖1所示．

宿舍樓的每個房間安裝一個信息接收盒，每個盒子有一個編號，這些編號保存于ROM芯片中，斷電或者重啟時會讀出相應(yīng)的信號，便于知道控制狀態(tài)．將這些接收盒分成4組分別連接到4個開關(guān)主控制器上．該宿舍樓一共有173個房間，共有173個信息接收盒，由于每個開關(guān)主控制器最多有50個控制節(jié)點，此處采用48個節(jié)點以保證2個節(jié)點的冗余量，故信息接收盒AKG001-AKG048、BKG001-BKG048、CKG001-CKG048、DKG001-DKG029分別連接到4個開關(guān)主控制器AFW、BFW、CFW、DFW上．開關(guān)主控制器連接到值班室內(nèi)的電腦，值班人員通過電腦觸摸屏通訊來控制照明電路和插座電路的開關(guān)．

圖1 總體方案設(shè)計圖Fig.1 The overall design diagram

2 硬件設(shè)計

2.1 房間信息接收盒硬件設(shè)計

房間信息接收盒硬件部分主要包括:電源部分、單片機部分、無線收發(fā)模塊、信息存儲模塊AT24C02、看門狗以及開關(guān)控制部分，如圖2所示．

圖2 信息接收盒硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure of the information receiver box

電源模塊部分220 V取電，通過變壓器以及芯片7812、7805、1117變壓成所需要的12 V、5 V、 3．3 V，用于繼電器、單片機高低電平供電．當(dāng)無線收發(fā)模塊接收到斷電信號以后，會驅(qū)動單片機I／O口輸出高電平信號，此時三極管導(dǎo)通，繼電器將開關(guān)拉下來切斷照明電路和插座電路；無信號時，單片機I／O口處于低頻信號，此時繼電器不動作，系統(tǒng)正常運行．圖2中接低電頻是為了保證即使CPU損壞或者電源燒壞時繼電器仍然導(dǎo)通可以供電不影響系統(tǒng)供電．信息接收盒的主要存儲信息為各個房間斷電起電的地址，斷電起電后開關(guān)的開、關(guān)狀態(tài)信息的保存．

信息接收盒中任意一個節(jié)點電源模塊壞了，整個系統(tǒng)仍然正常供電；ROM需要保存天線相關(guān)數(shù)據(jù)與設(shè)置；收到信號，憑信號密碼正誤進(jìn)行動作；節(jié)點復(fù)位，重新上電，能讀出以前的控制內(nèi)容，繼續(xù)控制．

2.2 開關(guān)主控制器硬件設(shè)計

主控制器采用MPS430，擁有多路UART，以及SPI通信端口．主控制器安裝在值班室，經(jīng)常查詢各個開關(guān)的狀態(tài)，另外通過廣播控制所有開關(guān)或單個開關(guān)的控制；主控制器上有按鍵和12864液晶，用戶可以直接在上面操作．也可以通過RS232連接主控制器芯片和上位機電腦，方便組網(wǎng)集中控制．開關(guān)主控制器硬件原理圖如圖3所示．

圖3 開關(guān)主控制器硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 The hardware structure of the main controller switch

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計中上位機軟件通訊協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，給每個主站編號，通過不同編號來查詢或控制．采用00廣播（命令所有設(shè)備動作），03查詢，06控制代碼（遙控開關(guān)的通電或斷電）．具體通訊協(xié)議此處略．采用LabVIEW或VC編寫上位機監(jiān)控界面．主程序流程框圖如圖4所示．

首先，軟件對UART串口進(jìn)行配置，并對12864液晶屏、無線模塊進(jìn)行初始化．然后判斷當(dāng)前系統(tǒng)時間，若時間未到晚上11點則進(jìn)行等待，否則進(jìn)行查詢開關(guān)量．若未關(guān)，則按照MODBUS協(xié)議發(fā)送相關(guān)命令進(jìn)行通信，等待接收數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗．校驗錯誤則重新發(fā)送，否則發(fā)送下一條命令．

圖4 主程序流程圖Fig.4 The flow chart of the main program

4 模擬實驗

該研究是針對某高校宿舍樓單元配電箱進(jìn)行的改造設(shè)計，圖5是模擬實驗圖，房間的接收盒能進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)采集并發(fā)至電腦系統(tǒng)中，狀態(tài)參數(shù)可在電腦屏幕上顯示，值班室人員可通過電腦完成對各個房間內(nèi)的照明電路和插座電路的遠(yuǎn)程遙控操作，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定．

圖5 模擬實驗圖Fig.5 Simulation diagram

5 結(jié)語

該設(shè)計使得值班人員僅在控制中心通過簡便操作便能完成分布在各個房間內(nèi)電路的開關(guān)控制，有效節(jié)約電能，該系統(tǒng)若能在傳統(tǒng)樓宇單元配電箱的改造（尤其是各大高校宿舍配電箱的改造）中得到推廣應(yīng)用，將節(jié)約人力資源和大量能源．

致謝

湖北省科技廳和武漢工程大學(xué)對本研究提供了資金資助，在此致于衷心的感謝！

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Design of remote control switch system for building unit distribution box

YANG Fan1，2，CHEN Xiang-shi-yao1，LI Guo-ping1
1.School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.Hubei Key Laboratory of Intelligent Robot（Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430205，China

For the drawbacks of difficulty in network cabling of the traditional building unit distribution system and low degree of the intelligence node，the transformation of a building unit distribution box control system based on wireless networks was designed．The hardware of the system included information receiver box inside rooms and the main controller switch located in corridor．The information receiver box consisted of power supply，micro controller unit，wireless transceiver，information storage，watchdog and switch control．The main controller switch consisted of MSP430 series micro controller unit，power supply，key module and 12864 liquid crystal display screen，and was connected to personal computer by RS232．The information receiver boxes were divided into four groups respectively connected to four main controller switches，and then the main controller switches were connected to the computer in the duty room．The software included PC communication software and monitoring software based on MODBUS protocol．The dormitory administrator can remotely control the lighting circuits and sockets circuit of each room and check out the circuit in any room because of the effective range of a wireless transceiver module of the system reaching 1-2．5 km．

wireless sensor networks；transformation of a building unit distribution box；MODBUS protocol；remote control

TP273

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.03.012

1674-2869（2015）03-0058-04

本文編輯：苗變

2015-01-06

國家自然科學(xué)基金重點項目（20142177）；武漢工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（CX2014044）

楊帆（1966-），女，湖北公安人，教授，碩士．研究方向:智能儀器及測控系統(tǒng)．