基于STM32F的企業(yè)樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)設計

周克良, 張明麗, 劉太鋼

(江西理工大學　電氣工程與自動化學院, 江西 贛州　341000)

?

基于STM32F的企業(yè)樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)設計

周克良, 張明麗, 劉太鋼

(江西理工大學電氣工程與自動化學院, 江西 贛州341000)

針對企業(yè)樓宇耗電量嚴重的問題，研究設計了基于STM32F的樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)；該系統(tǒng)采用紅外傳感模塊統(tǒng)計樓宇內人數(shù)，使用光控模塊采集光照度，通過微處理器實時采集人數(shù)和光照強度信號，然后進行數(shù)據(jù)處理和算法分析，從而實現(xiàn)樓宇照明燈具的自動控制；同時采集用電電器的工作狀態(tài)信息，若電器長時間處于待機狀態(tài)，系統(tǒng)將會自動切斷其供電電源；實驗結果表明：企業(yè)樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)提高了電能利用率，實現(xiàn)了樓宇的低碳節(jié)能。

企業(yè)樓宇；STM32F；待機；節(jié)能控制

0　引言

隨著我國經濟的飛快發(fā)展，各類企業(yè)樓宇如雨后春筍般建立起來，然而，近年來我國的電力能源已十分吃緊，企業(yè)樓宇的耗電量卻是極大的，因此企業(yè)樓宇的節(jié)能變得十分重要。企業(yè)樓宇的用電電器主要有以下幾種：空調、照明燈具、電腦、打印機及飲水機等電器。對于這些電器的使用，基本上所有的企業(yè)都是人為控制開關，而不是根據(jù)實際需要來控制，例如一個開關控制整片辦公區(qū)域的照明，而不考慮有人沒人或人多人少；比如很多電器開了忘記關閉，或者是一整天不用卻供著電，使電器長時間處于待機狀態(tài)下，這不僅給企業(yè)帶來了損失，也導致了我國電能的浪費[1]。針對這些問題，本文用單片機STM32F103R8T6為主芯片，設計了企業(yè)樓宇的節(jié)能控制系統(tǒng)?？紤]到本系統(tǒng)要進行大量的數(shù)據(jù)采集和處理，因此選用高性能、低功耗、處理速度快、性價比高等優(yōu)勢于一體的ARM Cortex-M3內核的STM32F系列單片機，它具有18通道的12位A/D轉換器及豐富的外圍設備。

該系統(tǒng)采用感光模塊感知辦公區(qū)域的光照強度，利用紅外傳感模塊測量感測區(qū)域內的人數(shù)，并將光照強度和人數(shù)信號傳至STM32F103芯片中，進行A/D轉換和算法分析，通過開關量輸出實現(xiàn)對燈具開關的實時控制。同時，通過電器待機監(jiān)測電路采集各用電電器的工作狀態(tài)，若處于待機狀態(tài)，則在待機超過60 min后自動切斷待機電器的供電電源，與電源隔離，不消耗電能，其時間可根據(jù)具體情況具體設置。節(jié)能系統(tǒng)盡大可能節(jié)約企業(yè)樓宇的電能，減少了能源浪費。

1　系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)以STM32F103R8T6微處理器為核心芯片，主要由感光模塊、紅外測量人數(shù)模塊、待機監(jiān)測模塊、驅動模塊等組成。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括手動模式和自動模式，自動模式實現(xiàn)樓宇的自動化操作，手動模式便于在特殊情況下實現(xiàn)人性化控制。

圖1　系統(tǒng)硬件原理框圖

1.1電源模塊電路

STM32F103R8T6芯片需要輔助電源供電，輔助電源提供的是220 V的交流電，而本系統(tǒng)中的芯片所需要的是12 V、5 V及3.3 V直流電，因此需要將220 V交流電整流為各個芯片所需的直流電，電源模塊電路如圖2所示。電路中的220 V交流電在保險絲F1的保護下經過220 V/12 V的變壓器，將電壓轉變?yōu)?2 V交流電輸出，然后經過橋式整流，將12 V交流電變?yōu)椴黄椒€(wěn)的脈動直流，最后通過電解電容濾波再經過穩(wěn)壓芯片LM7812將不平穩(wěn)的脈動直流電變?yōu)槠椒€(wěn)的12 V直流電。12 V的直流電經過穩(wěn)壓芯片LM2596-12，將12 V直流電轉換為5 V直流電，再通過AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片控制輸出3.3 V直流電，整個電源模塊電路中加入了阻容濾波、TVS管穩(wěn)壓等元器件，在保護電路的同時，確保了所需電壓的穩(wěn)定精確。

圖2　電源模塊電路

1.2感光模塊

系統(tǒng)采用3路感光模塊，安裝于辦公區(qū)域的3個位置，使得感光模塊可以均勻探測辦公區(qū)域的光照強度。光敏電阻是常用的光電傳感器，它管腳間的阻值與照射到器件表面的光照強度有關，光照的強度越強，光敏電阻的阻值越小，當沒有光照時，電阻則會恢復原值。在感光模塊中加一個比較器，用固定電阻與感光電阻做比較，當固定電阻超過光敏電阻阻值時，比較器的輸出為低電平，同時將信號傳送至MCU，從而使系統(tǒng)開燈，實現(xiàn)簡單的光控開關，感光模塊的電路圖如圖3所示。從電路圖可知，LCD光敏電阻受到一定強度的光照強度時，感應出相應的阻值，進而給比較器輸送一個電壓值，在比較器中與固定值R7比較，若光敏電阻的電壓大于固定電阻電壓，則說明光照強度不夠，比較器輸出低電平，反之，輸出高電平[2]，將Vout信號傳至STM32F單片機中進行采集，從而使驅動模塊驅動對應區(qū)域的燈具開關開啟。

圖3　感光模塊電路圖

1.3紅外測量人數(shù)模塊

每個辦公區(qū)域進出口基本上都有兩個，因此我們只需在出入口按上紅外傳感器，每個出入口安裝2個紅外測數(shù)模塊，根據(jù)計數(shù)先后順序確定人是出去還是進入。紅外檢測模塊電路原理圖如圖4所示，基于NE555和LM324芯片設計，由發(fā)射電路和接收電路組成。NE555作為震蕩電路發(fā)出脈沖信號，并由Q1驅動紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，通過計算，該發(fā)射電路的發(fā)射紅外光的頻率為7.1 kHz。紅外接收電路主要由LM324對紅外光信號進行放大，U6A為470倍反相放大器，電容C10具有高頻衰減的作用，U6B為100倍反相運算放大器，這時紅外線信號輸出比較大。D3與C11組成阻容整流濾波電路，當接收到紅外信號時，TP1輸出高電平，當沒有接收到紅外線時，TP1為低電平，使用U6C作為比較器，調整R21改變比較器的準位，可控制輸出符合數(shù)位電路所需要的高低準位要求，配合計數(shù)器，進行計數(shù)。當人從門口經過，比較器輸出電位變化一次，并將信號傳至STM32F103R6T8芯片中，根據(jù)門口兩個紅外模塊電位變化順序，決定在入計數(shù)器或出計數(shù)器中加1。

圖4　紅外檢測模塊電路原理圖

1.4待機監(jiān)控模塊

待機監(jiān)控模塊是檢測用電電器的工作狀態(tài)，將探測出的信號傳輸至主芯片進行處理和算法分析的電路。正常工作的電器電流一般為幾安到十幾安，而待機時電流較小，為幾十毫安，因此待機監(jiān)控模塊采用小電流互感器檢測電器供電回路的電流[3]，經過整流濾波，再將信號傳至主芯片中，進行A/D轉換，從而判斷出電器電路是處于待機或正常工作狀態(tài)。圖5為待機監(jiān)控模塊電路原理圖，電路中只監(jiān)控了5路電器供電電路。

圖5　待機監(jiān)控模塊電路原理圖

1.5STM32F微處理器

STM32F103是意法半導體公司生增強型單片機，工作在72 MHz，內部帶有1 μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18 MHz的I/O翻轉速度，7路DMA，可以處理存儲器之間和存儲器與外圍直接的轉換，具有極高的集成度[4]，STM32F103的模塊原理圖如圖6所示。感光模塊將辦公區(qū)域的光照轉換成高低電平傳輸至芯片的、紅外測量人數(shù)模塊將辦公區(qū)域內進出人數(shù)傳至主芯片的計數(shù)器中、待機監(jiān)監(jiān)測模塊將電器待機電流傳輸至主芯片中，進行算法分析，從而判斷電器的工作狀態(tài)。通過對各模塊的信號進行處理和轉換分析，控制驅動模塊，驅動動作元件執(zhí)行相應的動作，并對信息進行存儲和顯示，方便工作人員查詢相關記錄。

圖6　STM32F103的模塊原理圖

1.6驅動模塊

驅動模塊主要由限流電阻、三極管、續(xù)流二極管和繼電器組成。STM32F的控制信號通過I/O接口，經過限流電阻連接至三極管的驅動電磁繼電器，當輸出為高電平時，三極管便驅動繼電器吸合，其常開觸點閉合，從而控制燈具的亮滅及電器電源的供電開斷。在系統(tǒng)運行的過程中，當人數(shù)不多、光照強度較大時，可依次關閉燈具，隨著人數(shù)的增加，可依次點亮燈具；當用電電器處于待機狀態(tài)30 min時，切斷其對應的供電電源，實現(xiàn)動態(tài)節(jié)能控制。驅動模塊電路原理圖如圖7所示。

圖7　驅動電路

2　系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件程序設計主要包括以下幾個模塊：系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、鍵盤掃描、驅動、信號采集與數(shù)據(jù)處理等模塊。系統(tǒng)的主程序流程圖及數(shù)據(jù)采集與處理子程序如圖8所示。對系統(tǒng)軟件程序的設計首先要進行系統(tǒng)初始化，其中包括初始化通用I/O口和系統(tǒng)時鐘，然后進行系統(tǒng)自檢，檢測系統(tǒng)是否本身存在故障。本系統(tǒng)中，需對感光模塊、紅外測數(shù)模塊以及待機監(jiān)控模塊進行A/D采樣，各通道轉換時間為5 μs，每個通道采集20個數(shù)據(jù)，調用中位值處理數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行采集完成以后，再進行信號放大電路和算法處理。數(shù)據(jù)處理后進行相關的識別算法分析，可利用閾值分析、相關性分析、FFT識別算法分析及連續(xù)性分析等[5]。系統(tǒng)通過算法分析，根據(jù)光強、人數(shù)來控制燈的開關以及根據(jù)檢測待機時間來控制驅動模塊動作。同時，系統(tǒng)記錄燈具和電器開關信息并顯示，方便工作人員查詢。

圖8　軟件程序設計流程圖

本文設計的企業(yè)樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)最終目的是實現(xiàn)樓宇照明燈具的自動控制，本文中的燈具控制器程序采用的是無線網(wǎng)絡應用層配置文件[6](Applica-tion Profile)，Applica-tion Profile定義了應用層上的可互相操作性，包含了一系列配置,其中包含了End-point，Cluster, Attribute。該文件是關于消息、消息處理動作和消息格式的一種協(xié)定,它能使不同節(jié)點的應用根據(jù)此協(xié)定發(fā)送不同的請求數(shù)據(jù)及請求處理命令，具體代碼如下:

Const cId_ tLight_ ClusterList[6]=

{Light_ APP_ LightContrl_ CLUSTERID,

Light_ APP _ LightState_ CLUSTERID

Light_ APP _ PowerSet_ CLUSTERID

Light_ APP _ Protect_ CLUSTERID};

端點的簡單描述符如下:

Light_ App_ SimpleDesc =

{APP_ ENDPOINT, //端點號

APP_ PROFID, //配置文件號

APP_ DEVICEID, //設備號

APP_ DEVICE_ VERSION, //版本號

APP_ FLAGS, //應用標志

Light_ APP _ MAX_ CLUSTERS, //輸入簇數(shù)

(cId_t* )LightApp_ ClusterInList,

Light_ APP_ MAX_ CLUSTERS, //輸出簇數(shù)

(cId_t* ) LightApp_ ClusterOutList };

3　實驗結果

在實驗室的條件下，根據(jù)以上硬件設計制作PCB板，分為電源下板和顯示控制上板，并用萬用表和示波器測量了PCB板的硬件性能。編寫程序后下載至芯片中，用Microsoft visual studio繪制上位機，測量系統(tǒng)是否能實現(xiàn)監(jiān)控功能[7]。將系統(tǒng)安裝于中型實驗室，通過監(jiān)控電腦、燈具、儀器設備等電器，觀察電表3個月。實驗結果表明，相比于實驗室之前的用電量，該節(jié)能控制系統(tǒng)平均每個星期節(jié)約了1.4度電，提高了電能的利用率。

4　結束語

本文設計的基于STM32F的企業(yè)樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)，采用STM32F高性能的芯片為主處理器對節(jié)能信號進行采集、轉換和分析，從各個方面控制電能的浪費。試驗結果表明，該系統(tǒng)有效提高了電能利用率，盡最大可能節(jié)約電能。系統(tǒng)還可以和其它的系統(tǒng)，例如電能監(jiān)測系統(tǒng)、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)等結合設計，可以從結構上減少不必要的成本浪費[8]。該系統(tǒng)可應用于家庭、學校、超市等場所?，F(xiàn)今社會提倡低碳節(jié)能，厲行節(jié)約，在此趨勢下，智能節(jié)能控制系統(tǒng)能給人們帶來客觀的經濟效益和環(huán)保效益。

[1]王永皎, 劉榮輝. 基于 ZigBee 技術的智能樓字節(jié)能控制系統(tǒng)[J]. 青島科技大學學報: 自然科學版, 2014, 35(1): 73-77.

[2] 崔亮亮，蘇延全，黨曉婧.基于單片機的教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)設計[J].機電工程技術，2012，41(8)：136-138.

[3] 趙顯偉.家用電器智能節(jié)能控制系統(tǒng)設計[J].山西電子技術，2013(5): 23-25.

[4] 張蕉蕉, 曹森, 郭堅毅, 等. 基于 STM32F103 裝備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J]. 裝備制造技術, 2012 (7): 307-311.

[5] 劉燕燕, 楊幫華, 丁麗娜, 等. 基于 STM32 的紅外火災探測系統(tǒng)設計[J]. 計算機測量與控制, 2013, 21(1): 51-53.

[6] MarraM A, Boling B E,Walcott B L. Genetic control of a ball-beam system[A].Dearborn: Proceedings of the IEEE Internationa1 Conference on Control Applications[C]. 1996.

[7] 劉蘇敏.智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[8] 佘娜.智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的研究[D].天津：天津大學,2010.

Design of Enterprise Building Energy-saving Control System Based on STM32F

Zhou Keliang,Zhang Mingli,Liu Taigang

(School of Electrical Engineering and Automation, Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou341000,China)

For the problem of huge electrical energy waste in the corporate buildings, the enterprise building energy-saving control system, was designed based on STM32F. Infrared sensor module was used in this system to count the number of people in buildings, while the light control module is applied to collect the light intensity. The people number and light intensity signal were real-time collected by the microprocessor, and data process and algorithm analyses were proceed. Then the system was used to control the automatic switch of the building lighting lamps. And that is also applied to collect the working condition of the electrical appliances to determine whether it has been in the standby state for a long time. If yes, then the system will cut off the power supply automatically. The experimental results show that the building energy-saving control system has improved energy efficiency, which realizes the low-carbon energy.

enterprise building; STM32F; infrared sensor module; standby; energy-saving control

2015-07-20；

2015-08-25。

國家自然科學基金(F020308)；江西省教育廳科技資助項目(GJJ13429)。

周克良(1963-)，男，江西贛州人，教授，碩士生導師，主要從事過程控制、嵌入式等方向的研究。

1671-4598(2016)01-0115-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.032

TP277

A