嵌入式多設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

申玉霞+郝小會

摘 要： 針對傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)嵌入式多設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)，其由應(yīng)用端、輸出端和控制端組成。應(yīng)用端對嵌入式設(shè)備信息進(jìn)行監(jiān)控和分析，獲取到監(jiān)控結(jié)果和分析結(jié)果并傳輸?shù)浇K端。終端的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器利用TCP/IP協(xié)議對監(jiān)控結(jié)果和分析結(jié)果進(jìn)行接收，通過RS 485總線將這些信息傳輸?shù)娇刂贫??？刂贫藢K端傳輸來的監(jiān)控結(jié)果和分析結(jié)果進(jìn)行接收和控制，根據(jù)線路和環(huán)境信息特點(diǎn)制定嵌入式設(shè)備的節(jié)能控制指令。仿真實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)節(jié)能效果較高。

關(guān)鍵詞： 嵌入式設(shè)備； 多設(shè)備； 節(jié)能控制系統(tǒng)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN245?34； TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0173?03

Design and implementation of embedded multi?device energy?saving control system

SHEN Yuxia， HAO Xiaohui

（Jiyuan Vocational and Technical College， Jiyuan 459000， China）

Abstract： Since the traditional embedded device energy?saving control system can't realize the high?efficiency energy saving， an embedded multi?device energy?saving control system was designed and implemented. The system is composed of the application terminal， output terminal and control terminal. The application terminal monitors and analyzes the information of the embedded device， and transmits the monitored results and analyzed results to the system terminal. The gateway server of the system terminal receives the monitored results and analyzed results by means of the TCP/IP protocol， and transmits them to the control terminal through the RS 485 bus. The control terminal receives and controls the monitored results and analyzed results from the system terminal， and formulates the energy?saving control instruction of the embedded device according to the characteristics of circuits and environmental information. The simulation experiment results show that the designed system has high energy?saving effect.

Keywords： embedded device； multi?device； energy?saving control system； system design

0 引 言

嵌入式設(shè)備是一種將軟件與硬件有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行獨(dú)立工作的設(shè)備[1?3]，其在人們的日常生活、工作中應(yīng)用很廣。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對嵌入式設(shè)備的能耗要求也越來越高，節(jié)能控制系統(tǒng)隨之出現(xiàn)[4?6] 。傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)如下：文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)基于監(jiān)控器的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[8]基于分布式管理設(shè)計(jì)嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[9]基于EMS設(shè)計(jì)嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10]基于通信協(xié)議融合技術(shù)設(shè)計(jì)嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)維護(hù)成本較高，不適合應(yīng)用于嵌入式設(shè)備較多區(qū)域的節(jié)能。為了克服傳統(tǒng)方法的缺陷，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新的嵌入式多設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)。

1 框架下的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的框架下嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)由應(yīng)用端、終端和控制端組成，如圖1所示。

分析圖1可知，嵌入式多設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)的終端主要進(jìn)行嵌入式設(shè)備信息的統(tǒng)計(jì)、分析和通信，其核心元件是網(wǎng)關(guān)服務(wù)器；應(yīng)用端主要進(jìn)行嵌入式設(shè)備的監(jiān)控和分析；控制端基于嵌入式理念，應(yīng)用硬件與軟件相結(jié)合的自動控制方式，實(shí)現(xiàn)對嵌入式設(shè)備的高效節(jié)能。

1.2 傳輸端設(shè)計(jì)

傳輸端是整個(gè)嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)的傳輸核心，其中的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器可通過傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議與應(yīng)用端進(jìn)行信息互傳，并利用RS 485總線傳輸與控制端相連，是應(yīng)用端、終端端和控制端的通信“紐帶”，圖2是RS 485總線傳輸串口圖。

分析圖2可知，嵌入式設(shè)備信息是經(jīng)由應(yīng)用端采集到的，終端利用TCP/IP協(xié)議對這些信息進(jìn)行接收，并經(jīng)由RS 485總線傳輸串口傳輸?shù)娇刂贫?。所設(shè)計(jì)的RS 485總線傳輸串口經(jīng)由射頻差分無線傳輸方式與控制端進(jìn)行半雙全工通信，并利用SN65LB芯片對嵌入式設(shè)備信息的監(jiān)控結(jié)果和分析結(jié)果的傳輸進(jìn)行控制。SN65LB芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)128個(gè)嵌入式設(shè)備信息的同時(shí)傳輸，其傳輸準(zhǔn)確率非常高，可間接保障系統(tǒng)節(jié)能效果。

1.3 應(yīng)用端設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)中，應(yīng)用端負(fù)責(zé)對嵌入式設(shè)備信息的監(jiān)控和分析，嵌入式設(shè)備信息包括系統(tǒng)線路、設(shè)備能耗和設(shè)備周邊環(huán)境的信息。本文選擇AT91SAM9260處理器作為應(yīng)用端核心部件，其為基于ARM9單片機(jī)的針腳兼容處理器，具有64 MB實(shí)時(shí)存儲器、2 MB非易失閃存器和128 MB非線性宏單元存儲器，可為嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)提供加速、總線控制、顯示處理等運(yùn)算功能，具有強(qiáng)大的編程處理能力，且價(jià)格低廉，能夠滿足大眾的消費(fèi)水平，圖3是AT91SAM9260處理器結(jié)構(gòu)圖。

分析圖3可知，AT91SAM9260處理器擁有3個(gè)拓展接口，主要進(jìn)行計(jì)時(shí)電路、復(fù)位電路和鎖相濾波電路等的連接，也可連接具有特殊功能的管控元件。AT91SAM9260處理器必須進(jìn)行外接的元件是振蕩器，且需要至少兩個(gè)振蕩器進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。主振蕩器負(fù)責(zé)嵌入式設(shè)備信息處理的整體計(jì)時(shí)，頻率通常選擇為15 MHz，副振蕩器則負(fù)責(zé)精細(xì)計(jì)時(shí)，頻率選擇為33 kHz。AT91SAM9260處理器在進(jìn)行嵌入式設(shè)備信息的分析過程中，也將把主振蕩器的計(jì)時(shí)結(jié)果標(biāo)記到嵌入式設(shè)備信息中。

1.4 控制端設(shè)計(jì)

終端先向控制端發(fā)送節(jié)能指令，再將應(yīng)用端的監(jiān)控結(jié)果和分析結(jié)果傳輸?shù)娇刂贫耍刂贫藢@些信息進(jìn)行接收和控制，并根據(jù)線路和環(huán)境信息特點(diǎn)制定嵌入式設(shè)備的節(jié)能控制指令。控制端選用的核心控制元件是SG6742MRS控制芯片，該芯片是一種具有基于雙列直插設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)操作程序，其額定電壓為30 V，最大工作電流和頻率分別為20 mA和80 kHz，可在[-40 ℃，120 ℃]環(huán)境下進(jìn)行工作，并能夠?yàn)樗O(shè)計(jì)的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)提供超強(qiáng)的運(yùn)算能力，圖4是SG6742MRS控制芯片結(jié)構(gòu)圖。

由圖4可知，SG6742MRS控制芯片是嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)中最重要的部分，其擁有電源電路、串口電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等外圍電路。圖4中給出的外圍電路均是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效節(jié)能設(shè)計(jì)必不可少的。同時(shí)，SG6742MRS控制芯片還設(shè)有基于非易失閃存技術(shù)監(jiān)控下的內(nèi)存卡和指令設(shè)計(jì)接口。SG6742MRS控制芯片將監(jiān)控結(jié)果和分析結(jié)果存儲于內(nèi)存卡中，利用指令設(shè)計(jì)接口對內(nèi)存卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有序調(diào)用。

2 框架下的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)，對節(jié)能控制指令的實(shí)施需要經(jīng)由控制軟件實(shí)現(xiàn)，控制軟件是一種在線指令實(shí)施網(wǎng)頁，該網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)界面簡單易懂且流程明確，其能夠?qū)崿F(xiàn)對所需節(jié)能場所中所有嵌入式設(shè)備進(jìn)行節(jié)能控制，如圖5所示。

分析圖5可知，在線指令實(shí)施網(wǎng)頁的界面分為4個(gè)模塊。按用戶的使用順序來分：第1模塊可實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)的用戶注冊、登錄和退出；第2模塊可實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的區(qū)域（房間）查詢，用戶也可在此模塊中修改個(gè)人信息、學(xué)習(xí)系統(tǒng)使用方法；第3模塊可實(shí)現(xiàn)對所需節(jié)能場所中所有嵌入式設(shè)備信息進(jìn)行匯總，由應(yīng)用端采集到的各類監(jiān)控信息將在此模塊中進(jìn)行展示；第4模塊是系統(tǒng)軟件的核心，此模塊將會對控制端給出的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制方案進(jìn)行展示，用戶可以選擇是否接受該方案，也可在第2模塊的用戶信息中，將節(jié)能控制的接受方式改為“自動接受”。在第4模塊中，系統(tǒng)的節(jié)能控制成果也可以被用戶實(shí)時(shí)查看到。

所設(shè)計(jì)的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)對嵌入式設(shè)備的控制代碼設(shè)計(jì)如下：

Mold circumscription architecture _ArcNetFile {

unsigned defineHold[20]；

unsigned defineStatus[5]；

unsigned defineHandle[4]；

unsigned defineUnittype[2]；

unsigned defineFeature[2]；

unsigned defineYardman[10]；

unsigned defineOutputvalue[118]； }

ArcNetFile， *PArcNetFile；

if（REVISE_YES==g_McaMgr.GainFirstMca（m_unHandleControl， pMca， 108））

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)通過對比方式，對本文系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行分析。用于對比的嵌入式設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)為基于分布式管理的節(jié)能控制系統(tǒng)，以及基于通信協(xié)議融合技術(shù)的節(jié)能控制系統(tǒng)。選擇三臺嵌入式設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對象，令三臺設(shè)備正常運(yùn)行48 h并記錄下實(shí)際能耗見表1。

利用本文系統(tǒng)、傳統(tǒng)的基于分布式管理的節(jié)能控制系統(tǒng)和基于通信協(xié)議融合技術(shù)的節(jié)能控制系統(tǒng)分別作用于三臺實(shí)驗(yàn)對象，并進(jìn)行48 h的節(jié)能控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出曲線如圖6所示。

分析圖6可知，本文系統(tǒng)輸出的對三種嵌入式設(shè)備節(jié)能控制成果曲線，始終位于三個(gè)系統(tǒng)曲線的最低位置。說明本文系統(tǒng)的節(jié)能效果要明顯高于傳統(tǒng)的基于分布式管理的節(jié)能控制系統(tǒng)和基于通信協(xié)議融合技術(shù)的節(jié)能控制系統(tǒng)。由于曲線圖僅能展示出系統(tǒng)的瞬時(shí)節(jié)能效果，對于整體節(jié)能效果的梳理并不清晰，因此，將圖中數(shù)據(jù)匯總成表進(jìn)行對比，如表2所示。分析表2中的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)基于分布式管理的節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制后的嵌入式設(shè)備無較大的能耗降低，證明該系統(tǒng)的節(jié)能效果不高，在實(shí)際應(yīng)用中使用價(jià)值較低；基于通信協(xié)議融合技術(shù)的節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能控制效果尚可，但不及本文系統(tǒng)的節(jié)能控制效果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，本文系統(tǒng)幾乎能夠?qū)⑶度胧皆O(shè)備的能耗調(diào)節(jié)到其額定功率下的能耗，證明本文系統(tǒng)擁有較高的節(jié)能效果。

表2 節(jié)能效果對比表

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式多設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)，仿真實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)節(jié)能效果較高。

參考文獻(xiàn)

[1] 周婷婷，楊孝安.節(jié)能環(huán)保行業(yè)融資結(jié)構(gòu)對經(jīng)營績效的影響[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（5）：630?635.

[2] 郭金建，雷鳴意.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的節(jié)能LED燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15（1）：46?48.

[3] 胡仲邦.嵌入式控制系統(tǒng)在景觀水處理中的應(yīng)用[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（3）：99?102.

[4] 黃曉艷，杜勇前.基于物聯(lián)網(wǎng)的分體空調(diào)集中控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2015，23（8）：2709?2712.

[5] 墨影，陳金燦，梁昕諾.倫茨：為機(jī)電一體化升級[J].紡織機(jī)械，2015，5（5）：36.

[6] 李鵬，劉旭東，寧福斌.基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧街悄芫频昕头靠刂葡到y(tǒng)[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，14（2）：29?31.

[7] 鄭曉亮，沈華軍，陸衛(wèi)國，等.煤礦凍結(jié)法鑿井熱交換節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43（6）：97?101.