公共場(chǎng)所節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)之主站點(diǎn)設(shè)計(jì)

淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院 周麗紅 徐江海

公共場(chǎng)所節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)之主站點(diǎn)設(shè)計(jì)

淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院 周麗紅 徐江海

公共場(chǎng)所節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)房間用電設(shè)備的工作情況，監(jiān)測(cè)房間是否有人，在沒(méi)有人或人已離開(kāi)時(shí)，自動(dòng)切斷照明燈、風(fēng)扇、空調(diào)等電器設(shè)備供電，減少電能的浪費(fèi)。系統(tǒng)主要包括三部分，主站點(diǎn)、從站點(diǎn)及系統(tǒng)監(jiān)控界面。分布式節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的主站點(diǎn)的主要功能是獲取各個(gè)從站點(diǎn)的信息，再將這些信息傳送至監(jiān)控中心的電腦，論文主要完成主站點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)、電力載波通信接口，編寫(xiě)軟件程序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主機(jī)、主站點(diǎn)和各個(gè)從站點(diǎn)間的信息傳送。

監(jiān)控系統(tǒng)；主站點(diǎn)；電力載波；節(jié)能

0　引言

學(xué)校、政府機(jī)構(gòu)等公共場(chǎng)所，存在著浪費(fèi)能源現(xiàn)象，為節(jié)約能源，減少碳排放，設(shè)計(jì)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)各個(gè)房間用電設(shè)備的工作情況，監(jiān)測(cè)房間是否有人，在沒(méi)有人或人已離開(kāi)時(shí)，自動(dòng)切斷照明燈、風(fēng)扇、空調(diào)等電器設(shè)備供電，減少電能的浪費(fèi)，達(dá)到開(kāi)源節(jié)流的目的。本系統(tǒng)包括三部分，主站點(diǎn)、從站點(diǎn)及系統(tǒng)監(jiān)控界面。從站點(diǎn)對(duì)各房間用電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)把相應(yīng)信息通過(guò)電力載波傳送給主站點(diǎn)，主站點(diǎn)將接收的信息傳送給監(jiān)控的電腦，在監(jiān)控電腦上實(shí)時(shí)顯示各從站點(diǎn)信息［1］。本論文設(shè)計(jì)其中的主站點(diǎn)。

1　監(jiān)控系統(tǒng)主站點(diǎn)硬件方案

分布式節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)主站點(diǎn)的主要功能是獲取各個(gè)從站點(diǎn)的信息，再將這些信息傳送至監(jiān)控中心的電腦，硬件系統(tǒng)如圖1所示。主要包括STC12C5A08S2單片機(jī)構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)、與監(jiān)控主機(jī)通信的電平轉(zhuǎn)換接口電路、與分站點(diǎn)通信的電力載波模塊接口電路。

圖1　主站點(diǎn)的硬件系統(tǒng)

2　硬件電路設(shè)計(jì)

論文主要內(nèi)容是主站點(diǎn)與監(jiān)控電腦主機(jī)和各從站點(diǎn)間的通信，通信接口電路的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。由于主站點(diǎn)要分別與監(jiān)控電腦主機(jī)和從站點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要兩路串行通信接口。選擇具有兩個(gè)串口的STC12C5A08S2單片機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)兩路串行通信［2］。

2.1單片機(jī)最小硬件系統(tǒng)

STC12C5A08S2單片機(jī)最小硬件系統(tǒng)如圖2所示，采用上電復(fù)位電路，因?yàn)橄到y(tǒng)的主要功能是信息串行通信，為便于設(shè)置串行通信的波特率，系統(tǒng)晶振采用11.0592MHz［3］。

圖2　STC12C5A08S2最小硬件系統(tǒng)

圖3為采用MAX232芯片構(gòu)成的RS-232電平轉(zhuǎn)換接口電路。用于實(shí)現(xiàn)主站點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)間數(shù)據(jù)通信接口。同時(shí)圖3也是STC12C5A08S2單片機(jī)ISP接口，通過(guò)該接口可以將應(yīng)用程序直接下載到單片機(jī)中，無(wú)需使用編程器下載程序。

圖3　RS-232電平轉(zhuǎn)換接口電路

2.3BWP09電力載波接口電路

主站點(diǎn)與從站點(diǎn)之間通過(guò)電力載波進(jìn)行通信，本項(xiàng)目選擇電力載波模塊BWP09，BWP09模塊與單片機(jī)系統(tǒng)的連接如圖4所示，將模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端、接收端與單片機(jī)的串口交叉對(duì)接，通過(guò)A、G引腳外接的耦合線圈和隔離高壓電容，將含有信息的載波信號(hào)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，也接收電網(wǎng)的載波信號(hào)，經(jīng)BWP09解調(diào)后送給單片機(jī)進(jìn)行處理。串口用STC12C5A08S2單片機(jī)的第二串口，即P1.2（RXD2）、P1.3（TXD2），每一個(gè)從站點(diǎn)也有這樣的通信接口，就可以和主站點(diǎn)一起構(gòu)成基于電力載波通信的主從分布式監(jiān)控系統(tǒng)［4］。

圖4　BWP09電力載波通信接口電路

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1多機(jī)通信

串口2的多機(jī)通信原理與串口1的原理是相同的，利用S2SM2多機(jī)通信選擇位，結(jié)合串口工作在方式2或方式3，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。單片機(jī)芯片構(gòu)成的多機(jī)通信一般都采用主從式，通信只在主機(jī)和從機(jī)之間進(jìn)行，從機(jī)間不能直接進(jìn)行通信。并且整個(gè)系統(tǒng)的通信過(guò)程完全由主機(jī)控制，主機(jī)尋址到某個(gè)從機(jī)，從機(jī)才和主機(jī)進(jìn)行通信。

單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)通信的連接電路如圖5所示。所有從機(jī)的TXD端連在一起，接到主機(jī)的RXD 端。所有從機(jī)的RXD端連在一起接到主機(jī)的TXD端。本課題的多機(jī)通信是指單片機(jī)串口通過(guò)電力載波模塊BWP09，然后通過(guò)電網(wǎng)構(gòu)成通信系統(tǒng)，雖然經(jīng)過(guò)了載波模塊，單片機(jī)間的通信機(jī)理還是相同的，只是通過(guò)BWP09對(duì)信息進(jìn)行了調(diào)制和解調(diào)，使信息傳遞到更遠(yuǎn)距離，并且通過(guò)電網(wǎng)傳輸，不需要另外的通信線路［5］。

圖5　多機(jī)通信連接電路

主機(jī)發(fā)給從機(jī)的通信內(nèi)容分為兩類(lèi)：地址、數(shù)據(jù)（命令）。地址信息是發(fā)給所有從機(jī)的，數(shù)據(jù)只能發(fā)給被尋址的從機(jī)。51系列單片機(jī)的多機(jī)通信，利用串行口控制寄存器SCON的多機(jī)控制選擇位SM2，讓串行口工作在方式2或方式3，利用發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)TB8表示地址信息還是數(shù)據(jù)信息，TB8=1，表示發(fā)送的是地址，TB8=0，表示發(fā)送的是數(shù)據(jù)信息。SM2=1時(shí)，從機(jī)只能接收主機(jī)發(fā)送的地址信息（TB8=1），對(duì)數(shù)據(jù)信息（TB8=0）忽略，而在SM2=0時(shí)可以接收所有信息。利用SM2的特性，并將所有從機(jī)設(shè)置為SM2=1，主機(jī)首先發(fā)送地址信息（TB8=1），所有的從機(jī)都能接收，從機(jī)在接收到地址信息后和自己的地址編號(hào)比較，如果一致，將自身的SM2位清0，為接收數(shù)據(jù)信息做好準(zhǔn)備，并將自己的地址編號(hào)作為數(shù)據(jù)信息發(fā)給主機(jī)，如果接收的地址信息與自身的地址編號(hào)不一致，則不做任何處理。主機(jī)在接收到從機(jī)的回復(fù)地址信息后，再發(fā)送數(shù)據(jù)信息（TB8=0），這時(shí)只有SM2=0的從機(jī)才能接收，其它從機(jī)都不接收，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和某一從機(jī)的通信。在通信結(jié)束后從機(jī)再將自身的SM2置為1，等待主機(jī)的下一次尋址［6］。通信過(guò)程可以分為以下幾步：

（1）主機(jī)的SM2置為0，所有從機(jī)初始化時(shí)置SM2=1，只能接收主機(jī)的地址信息（TB8=1）。

（2）主機(jī)發(fā)送地址信息（TB8=1）。

（3）所有從機(jī)接收地址信息后，與自身地址編號(hào)比較，一致將自身的SM2清為0，并回發(fā)地址編號(hào)（TB8=0），不一致，不做任何處理。

（4）主機(jī)接收從機(jī)的回復(fù)地址，確認(rèn)已尋址到從機(jī)，然后發(fā)送數(shù)據(jù)信息（TB8=0），只有指定的從機(jī)（SM2=0）能接收；如果等待接收回復(fù)地址超時(shí)，可重新發(fā)送前面地址信息或?qū)ぶ菲渌鼜臋C(jī)。

（5）被尋址的從機(jī)與主機(jī)通信完畢，將SM2重新置為1，回復(fù)初始狀態(tài)。

系統(tǒng)使用串口2，上述多機(jī)通信控制的寄存器使用的S2CON及其中的控制位。由于在本系統(tǒng)應(yīng)用中，主站點(diǎn)只是把各從站點(diǎn)的信息收集起來(lái)，送給監(jiān)控主機(jī)，因此在與從站點(diǎn)的通信中，只有地址信息，沒(méi)有數(shù)據(jù)（命令）信息，多機(jī)通信過(guò)程可以簡(jiǎn)化。主站點(diǎn)只發(fā)送從站的地址編碼，然后等待被尋址到的從站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)（超時(shí)退出等待），接收完畢后尋址下一個(gè)站點(diǎn)［7］。

為保證通信的可靠和有條不紊，主站與從站按以下通信協(xié)議操作：

（1）從站點(diǎn)的地址編號(hào)為01H～FH。

（2）主機(jī)的S2SM2置為0，可以接收從站點(diǎn)的所有信息。發(fā)送地址信息時(shí)，S2TB8=1，使所有從站點(diǎn)都能接收地址信息。

（3）所有從站點(diǎn)的SM2置為1，可以接收主機(jī)的地址信息（S2TB8=1），從機(jī)發(fā)送自己信息時(shí)，使TB8=0，只有主機(jī)能接收，其他從站點(diǎn)不能接收。

（4）被尋址到的從站點(diǎn)依次向主機(jī)發(fā)送4個(gè)字節(jié)的信息：從站點(diǎn)地址、從站點(diǎn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、從站點(diǎn)用到設(shè)備狀態(tài)、從站點(diǎn)有無(wú)人員工作狀態(tài)。從站發(fā)送數(shù)據(jù)格式及規(guī)定如下：

從站地址，開(kāi)關(guān)狀態(tài)，設(shè)備狀態(tài)，人員狀態(tài)。

從站地址：1～255。

開(kāi)關(guān)狀態(tài)：8位二進(jìn)制數(shù)，代表8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，1開(kāi)關(guān)閉合，0開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

設(shè)備狀態(tài)：8位二進(jìn)制數(shù)，代表8個(gè)設(shè)備，1電器設(shè)備通電工作，0設(shè)備斷電不工作。

人員狀態(tài)：55H代表有人，AAH代表無(wú)人狀態(tài)。

3.2串口2初始化設(shè)置

主站點(diǎn)與從站點(diǎn)之間是通過(guò)電力載波模塊實(shí)現(xiàn)通信，由于BWP09的波特率是9600 BPS，需要將單片機(jī)串口2的波特率也設(shè)置為9600BPS。

由于串口2只使用獨(dú)立波特率發(fā)生器進(jìn)行通信，串口2的初始化化程序如下：

#include“stc.h”

S2CON=0xD0； //串口2方式3允許接收

BRT=0xfd； //獨(dú)立波特率9600

AUXR=0x10； //允許獨(dú)立波特率工作，不加倍，12時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)一次

AUXR1=0； //串口2在P1口

IP2H=0； /

IP2=0； //串口優(yōu)先級(jí)設(shè)為0級(jí)

IE2=0x01； //允許串口2中斷

EA=1； //中斷允許

3.3主站點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)間通信

主站點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)間通信比較簡(jiǎn)單，主站點(diǎn)接收到從站點(diǎn)信息，立即通過(guò)串口1發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)。串口1的波特率也設(shè)置為9600BPS［8］，串口1的初始化程序如下：

#include“stc.h”

SCON=0x40； //方式1 不允許接收

TMOD=0x20； //T1方式2

TH1=0xfd；

TL1=0xfd； //波特率9600

TR1=1； //

3.4主站點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

主站點(diǎn)程序設(shè)計(jì)思路，主站點(diǎn)依次從1至255向從站點(diǎn)發(fā)送尋址信息，然后等待從站發(fā)送信息，同時(shí)開(kāi)始延時(shí)計(jì)時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到從站點(diǎn)信息，則停止等待，進(jìn)行下一從站的尋址。收到從站信息，停止延時(shí)計(jì)時(shí)，進(jìn)行下一從站的尋址。收到從站信息，立即通過(guò)串口1發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)。程序框圖如圖6所示。

圖6　主站程序框圖

4　結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)主要是利用單片機(jī)STC12C5A08S2、電力載波模塊BWP09及軟件LABVIEW設(shè)計(jì)了公共場(chǎng)所節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的電力線傳輸數(shù)據(jù)而無(wú)需外加傳輸線路也不占用現(xiàn)有的通信資源，具有造價(jià)低廉、安裝簡(jiǎn)單、傳輸線路廣泛等優(yōu)點(diǎn)［9］。

［1］張艷雯.教室照明的經(jīng)濟(jì)分析及節(jié)能措施［J］.岳陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001（2）：73-75.

［2］王海倫，葉冬芬.基于單片機(jī)控制的教室照明智能控制系統(tǒng)［J］.機(jī)電一體化，2005（1）：69-70.

［3］黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008，1：101-102.

［4］胥和平，茍皓東.基于電力載波技術(shù)的智能化路燈控制系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)，2010（2）：100-102.

［5］關(guān)學(xué)忠，遷華斐，孫麗玲等.基于電力載波芯片的家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010，9：77-79.

［6］閆振寧，于會(huì)山，宋審宇等.基于電力載波技術(shù)的智能化路燈控制系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，10：50-52.

［7］姜亞南，楊帥，魏天勇.基于電力線通信技術(shù)的城市路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)［J］.水電能源科學(xué)，2011，1：77-80.

［8］朱樹(shù)先，高涵文，朱學(xué)莉.基于無(wú)線通信模式的照明節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2013，3：80-82.

［9］鄧鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)的校園節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.湖南工業(yè)大學(xué)，2013.2：85-87.

徐江海，男，碩士研究生，副教授/高工，主要研究方向：智能控制。

The design of the main site of the energy conservation monitoring system in public places

Zhou Lihong Xu Janghai
（Huai college of Information Technology Jiangsu Huaian ，223003，China）

Energy-saving monitoring system of public places can automatically detect each room with the working condition of the electric equipment，monitoring room if anyone，no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-，monitoring room if anyone，no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-monitoring room if anyone，no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-，no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-，automatically cut off the lights，fans，air con-automatically cut off the lights，fans，air con-，fans，air con-fans，air con-，air con-air con-ditioners and other electrical equipment power supply，reduce energy waste.The system mainly consists of three parts，the main site，from the site and the system monitoring interface.Energy-saving monitoring system of distributed main site main function is to obtain all the information from the site，and then transmit the information to the monitoring center computer.The main hard-，and then transmit the information to the monitoring center computer.The main hard-and then transmit the information to the monitoring center computer.The main hard-ware circuit design of master station，power line carrier communication interface，software programming，monitoring host，the pri-，power line carrier communication interface，software programming，monitoring host，the pri-power line carrier communication interface，software programming，monitoring host，the pri-，software programming，monitoring host，the pri-software programming，monitoring host，the pri-，monitoring host，the pri-monitoring host，the pri-，the pri-the pri-mary site and all information from the inter site was transferred.

monitoring system；Main site；Power carrier；Energy-saving

周麗紅（1975—），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：智能控制。