耿寶光 賈文曄

【摘 要】 文中采用多功能高精度三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022EU實(shí)現(xiàn)電能量采集，通過(guò)STM32系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度采集和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)基于GPRS的透?jìng)髟莆锫?lián)網(wǎng)云組態(tài)，進(jìn)行溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控和空調(diào)電源的自動(dòng)開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。

【關(guān)鍵詞】 ATT7022EU;透?jìng)髟? GPRS DTU;節(jié)能

【中圖分類號(hào)】 TU83 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）06-0100-03

基站通信設(shè)備主要包括電源、蓄電池組、通信主設(shè)備、傳輸設(shè)備和空調(diào)等其他配套設(shè)施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在通信企業(yè)的能耗成本中，基站電費(fèi)能耗占七成多，為了排除基站內(nèi)的熱量，空調(diào)幾乎需要全天不間斷運(yùn)行，空調(diào)電耗非常大，占整個(gè)能耗的四成左右。我們針對(duì)基站空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析研究，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能采集、溫度監(jiān)控的空調(diào)能耗智能管理系統(tǒng);利用STM32F103系列微控制器，一方面接收與處理電能計(jì)量芯片傳回的數(shù)據(jù)，一方面接收與響應(yīng)服務(wù)器云端通過(guò)GPRS DTU傳回的數(shù)據(jù)，兩者統(tǒng)一結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控。

系統(tǒng)分為四大部分：控制器及基本控制外設(shè)、電能計(jì)量芯片及測(cè)量電路、通訊模塊、顯示與控制設(shè)備，整體框圖如圖1所示。其中，控制器及基本控制外設(shè)包含：微控制器STM32系列單片機(jī)及其工作必需電路，通過(guò)繼電器控制基站設(shè)備（空調(diào)、風(fēng)機(jī)等）。電能計(jì)量芯片及測(cè)量電路包含：計(jì)量芯片ATT7022EU，電量采集和溫度采集電路。通訊模塊包含：物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端GPRS DTU，TTL轉(zhuǎn)RS485通信轉(zhuǎn)換電路。顯示與控制設(shè)備包含：電腦端搭建的上位機(jī)，另外還有一個(gè)電源電路。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程為：采集電路采集的模擬量經(jīng)計(jì)量芯片的ADC采集與處理，處理后的數(shù)字量存儲(chǔ)在內(nèi)部緩沖區(qū)中;溫度采集電路采集的數(shù)字量直接存儲(chǔ)在控制器內(nèi)部緩沖區(qū)中。當(dāng)控制器收到顯示與控制設(shè)備發(fā)出的基于Modbus協(xié)議的指令后，根據(jù)不同的指令把對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)通過(guò)SPI協(xié)議發(fā)送給計(jì)量芯片，計(jì)量芯片就把信息通過(guò)SPI接口傳遞給控制器;控制器對(duì)這些信息經(jīng)過(guò)處理與完善，把數(shù)據(jù)通過(guò)RS485協(xié)議返回給顯示與控制設(shè)備中，顯示與控制設(shè)備再經(jīng)過(guò)處理展現(xiàn)給用戶，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的功能。同時(shí)，控制器根據(jù)不同需求來(lái)決定是否操作基本控制外設(shè)，其控制利用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到安全可靠的效果。

1控制器及基本控制外設(shè)

采用STM32-F1系列基于Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。具體型號(hào)為STM32F103RCT6其原理圖如圖2所示。

采用ULN2003驅(qū)動(dòng)的繼電器作為微控制器控制基站設(shè)備的外設(shè)，如圖3所示。圖中U4為ULN2003，是一個(gè)7路反向大電流驅(qū)動(dòng)列陣;由于繼電器驅(qū)動(dòng)電流大于STM32通用IO口輸出的最大電流（25mA），不能用IO口直接驅(qū)動(dòng)繼電器，需加入U(xiǎn)LN2003，使灌電流可達(dá)500mA。當(dāng)IN1輸入端為高電平時(shí)，輸出端OUT1輸出低電平，繼電器吸合，同時(shí)發(fā)光二極管導(dǎo)通作為指示燈。在輸出口并聯(lián)反向續(xù)流二極管，用來(lái)防止截流瞬間繼電器電感線圈產(chǎn)生的電勢(shì)損壞控制電路。繼電器吸合后引腳4和3導(dǎo)通，端口220V_L和RL1連通，達(dá)到控制啟動(dòng)的效果。

2電能計(jì)量芯片及測(cè)量電路

采用高精度多功能的計(jì)量芯片，支持電壓電流有效值，有功、無(wú)功、視在功率的測(cè)量，芯片為ATT7022EU，在工作范圍內(nèi)非線性測(cè)量誤差小于0.1%。同時(shí)具有SPI通信接口，方便與控制器進(jìn)行高效傳輸。其原理如圖4所示：

測(cè)量電路包含兩部分，溫度采集與電量采集電路。溫度采集電路包含兩部分，其一為外設(shè)，如圖2的器件P3所示，外接溫度傳感器DS18B20，其二為計(jì)量芯片內(nèi)部集成的溫度傳感器。兩者均為數(shù)字傳感器，前者可以設(shè)定9到12位分辨率，精度高達(dá)0.5攝氏度，而后者為分辨率0.726攝氏度的8位ADC。電流與電壓的采樣均使用互感器方式。

3通訊模塊

采用RS485接口通信芯片MAX3485，兼容控制器3.3V供電電源，具有10Mbps高速傳輸速率的半雙工器件，其通信只需兩根通信線，采用差分方式有效地抑制了共模干擾，提高了通訊的可靠性，并且容許多機(jī)通訊，傳輸距離也很遠(yuǎn)，滿足工業(yè)通訊需求。其原理如圖5所示。

采用有人物聯(lián)網(wǎng)推出的GPRS產(chǎn)品USR-GPRS-730來(lái)實(shí)現(xiàn)RS485通信設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器之間的通訊。該無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端利用GPRS公用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)來(lái)為用戶提供長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，并支持透?jìng)髟频慕尤?。硬件?shí)物如下圖6所示。

該設(shè)備有三種工作模式，其一為網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ剑涠镠TTPD模式，其三為短信透?jìng)髂Ｊ?。本系統(tǒng)采用工作模式一，即微控制器通過(guò)RS485接口接入該設(shè)備，通過(guò)該設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)指定服務(wù)器上，同時(shí)也能通過(guò)該設(shè)備接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該模式下系統(tǒng)工作流程如下圖7所示。

設(shè)備所具有的支持接入透?jìng)髟乒δ苁钦麄€(gè)系統(tǒng)的核心所在。透?jìng)髟破脚_(tái)的存在，解決了微控制與PC上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。透?jìng)髟浦饕δ苁怯脕?lái)透?jìng)鲾?shù)據(jù)，有了該設(shè)備的支持，微控制器的數(shù)據(jù)可以直接接入云端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

4顯示與控制設(shè)備

本模塊包含電腦PC端（或手機(jī)端）。電腦PC端也涉及兩部分，其一為透?jìng)髟瓶刂婆_(tái)，起到無(wú)線監(jiān)視的作用，其二為基于Visual Studio IDE開(kāi)發(fā)的C#可執(zhí)行應(yīng)用程序，用于輔助透?jìng)髟瓶刂婆_(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控的作用。

5軟件設(shè)計(jì)概況

軟件設(shè)計(jì)分為三大部分，其一為微控制器STM32集成開(kāi)發(fā)，包含電量的采集與處理，信號(hào)的收發(fā)與控制，是整套系統(tǒng)的核心控制單元。其二為MCGS組態(tài)軟件;其三為基于云服務(wù)器的物聯(lián)網(wǎng)云組態(tài)網(wǎng)端，一站式完成設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制;最后是開(kāi)發(fā)一種基于透?jìng)髟频奈⑿判〕绦?，可隨時(shí)隨地來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控。

6系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

溫度監(jiān)測(cè)（預(yù)留5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)），電壓、電流監(jiān)測(cè)，就地＼遠(yuǎn)程控制，空調(diào)控制（啟動(dòng)、停止），電磁閥控制（0度、30度、60度、90度），風(fēng)機(jī)控制（啟動(dòng)、停止），柜門控制（開(kāi)、關(guān)），遠(yuǎn)程通信（手機(jī)卡方式）。

本系統(tǒng)采用基于物聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)能耗智能管理系統(tǒng)，可通過(guò)PC和手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)控基站內(nèi)溫度及用電情況，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開(kāi)閉空調(diào)電源，達(dá)到節(jié)能的效果。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)基站一年數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，能耗比原來(lái)降低15%左右。

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