嵌入式技術(shù)在電子通信節(jié)能中的應(yīng)用研究

宋定宇

關(guān)鍵詞： 嵌入式技術(shù); 電子通信; 節(jié)能控制; 傳輸端; 無線通信模塊; 執(zhí)行電路

中圖分類號(hào)： TN914.3?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）06?0014?04

Abstract： In the traditional embedded electronic communication energy?saving control system， the chip is not used at the transmission end to monitor the equipment data， resulting in unobvious energy?saving effect. Therefore， an application research of the embedded technology is carried out for electronic communication energy?saving， and an energy?saving control system is designed for the embedded electronic communication equipment. The system is composed of the application end， terminal， control end and transmission end， and realizes the statistics and communication functions of the embedded data， so as to achieve the high?efficient energy?saving goal of the embedded electronic communication equipment. The transmission end is the core of the system， which sends data to the control end through the transmission port of RS 488 bus. The SN65LB chip is used to control the monitoring and parsing of the data of the embedded communication equipment. The control end realizes energy?saving control of the electronic communication equipment by using the energy?saving control execution circuit. The wireless communication module in the terminal conducts information communication by using the circuit. The energy?saving control instructions in the system are realized by means of the control software. The experimental results show that the equipment energy consumption of the designed system with energy?saving control is 4.833 5 kW·h， which is significantly lower than that without energy?saving control， and the system has a significant energy?saving effect.

Keywords： embedded technology; electronic communication; energy?saving control; transmission end; wireless communication module; execution circuit

嵌入式技術(shù)是一種將軟件和硬件有機(jī)結(jié)合起來變成獨(dú)立工作設(shè)備的技術(shù)[1]，嵌入式技術(shù)在生活和工作中的應(yīng)用非常廣泛。隨著電子通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)電子通信設(shè)備的能耗要求也越來越高，節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)基于嵌入式電子通信設(shè)備節(jié)能控制研究如下：文獻(xiàn)[2]基于嵌入式的智能電氣節(jié)能控制系統(tǒng)傳輸端未利用芯片監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)，節(jié)能效果不明顯;文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于嵌入式Linux的智能家居照明節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)維護(hù)成本高，不適用于通信設(shè)備較多區(qū)域的節(jié)能。為解決以上系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)嵌入式電子通信設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)，提高電子通信設(shè)備的節(jié)能效果。

1 ?嵌入式電子通信設(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)

嵌入式電子通信設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)包括應(yīng)用端、終端、控制端和傳輸端，其整體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的終端負(fù)責(zé)嵌入式數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、解析和通信，它的主要部件為網(wǎng)關(guān)服務(wù)器;應(yīng)用端主要負(fù)責(zé)嵌入式電子通信設(shè)備的監(jiān)控和分析[4];控制端依據(jù)嵌入式理論，采用軟硬件相結(jié)合的控制方式，實(shí)現(xiàn)嵌入式電子通信設(shè)備的高效節(jié)能;傳輸端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 ?傳輸端設(shè)計(jì)

傳輸端在嵌入式電子通信設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)中是核心部分，它接收網(wǎng)關(guān)服務(wù)器利用傳輸控制協(xié)議與應(yīng)用端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用RS 488總線與控制端連接，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器是應(yīng)用端、終端、控制端和傳輸端的通信樞紐[5]。圖2為傳輸端芯片的RS 488總線傳輸串口圖。

由圖2可以看出，嵌入式電子通信設(shè)備數(shù)據(jù)是通過應(yīng)用端獲取的，終端采用TCP/IP協(xié)議接收這些數(shù)據(jù)，并通過RS 488總線傳輸串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制端。RS 488總線傳輸串口采取射頻差分無線傳輸方法與控制端半雙全工通信，同時(shí)采用SN65LB芯片控制嵌入式通信設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)控和解析[6]。SN65LB芯片可以完成125個(gè)嵌入式電子通信設(shè)備數(shù)據(jù)的并行傳輸，它的傳輸準(zhǔn)確率較高，同時(shí)能夠提高系統(tǒng)的節(jié)能效果[7]。

1.3 ?節(jié)能控制執(zhí)行電路設(shè)計(jì)

節(jié)能控制執(zhí)行電路是控制端的核心，負(fù)責(zé)電子通信設(shè)備的節(jié)能控制，它包括STC89C57RC單片機(jī)、繼電器和單相穩(wěn)定繼電器[8]。繼電器能夠隔離單片機(jī)和單相穩(wěn)定繼電器，保護(hù)單片機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)單相穩(wěn)定繼電器的運(yùn)行，并設(shè)置單相穩(wěn)定繼電器的監(jiān)控指示器。電路采用DC?AC SSR?73FB清零型單相穩(wěn)定繼電器控制電壓和電流，節(jié)能控制執(zhí)行電路的電壓是DC 3～30 V，電流是4～12 mA，額定工作電壓是AC 22～360 V，額定最大工作電流[9]是53 A。節(jié)能控制執(zhí)行電路如圖3所示。

1.4 ?無線通信模塊電路

終端中的無線通信模塊通過電路進(jìn)行通信，圖4為無線通信模塊電路圖，電子通信網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點(diǎn)均采用該電路進(jìn)行信息通信，通過軟件劃分無線通信網(wǎng)絡(luò)中調(diào)節(jié)器、路由器和終端的功能。

1.5 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用控制軟件控制節(jié)能控制指令。控制軟件是通過網(wǎng)頁發(fā)出指令，該網(wǎng)頁的頁面簡單明了且方便操作，它可以完成節(jié)能場(chǎng)所中所有嵌入式電子通信設(shè)備的節(jié)能控制[10]。指令操作界面如圖5所示。

由圖5可以看出，指令操作界面由4個(gè)部分組成，按用戶使用順序劃分：第1部分可完成系統(tǒng)用戶注冊(cè)、登錄和退出;第2部分查詢嵌入式電子通信設(shè)備的房間;第3部分可完成所需節(jié)能區(qū)域中所有嵌入式設(shè)備信息的匯總;第4部分為系統(tǒng)軟件的核心，該部分可展示控制端輸出的節(jié)能控制方案，系統(tǒng)的節(jié)能控制結(jié)果也能夠在此被用戶查看到。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

2.1 ?節(jié)能效果分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的節(jié)能效果，實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析本文系統(tǒng)、分布式管理節(jié)能控制系統(tǒng)和基于通信協(xié)議的節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能效果。選取3臺(tái)電子通信設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，令3臺(tái)設(shè)備正常工作36 h并記錄實(shí)際能耗，如表1所示。由表1可知，節(jié)能控制前設(shè)備1，2，3在36 h的實(shí)際總能耗分別為5.842 4 kW·h，45.2 kW·h，1 107.5 kW·h。

將3個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)分別應(yīng)用在3臺(tái)設(shè)備上，并完成36 h的節(jié)能控制，得到瞬時(shí)能耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，設(shè)備1在時(shí)間為24 h時(shí)，本文系統(tǒng)的瞬時(shí)能耗是108 W，另外兩個(gè)系統(tǒng)的瞬時(shí)能耗分別是116 W和135 W。另外設(shè)備2和設(shè)備3同理，應(yīng)用本文系統(tǒng)的設(shè)備瞬時(shí)能耗曲線，一直處于另外兩個(gè)系統(tǒng)設(shè)備瞬時(shí)能耗曲線的下方，說明本文系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯高于其他兩個(gè)系統(tǒng)。由于曲線圖僅僅展現(xiàn)出系統(tǒng)的瞬時(shí)能耗，對(duì)于電子通信設(shè)備的整體節(jié)能效果描述不清晰，因此將圖中數(shù)據(jù)總結(jié)成表，如表2所示。

分析表2數(shù)據(jù)可得，設(shè)備1通過本文系統(tǒng)節(jié)能控制后的能耗為4.833 5 kW·h，經(jīng)其他兩個(gè)系統(tǒng)節(jié)能控制后的能耗分別為5.087 1 kW·h和5.516 3 kW·h，與節(jié)能控制前設(shè)備1的能耗5.842 4 kW·h相比，本文系統(tǒng)控制后的能耗顯著降低，另外兩個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果不高;同理，設(shè)備2，3在本文系統(tǒng)控制后的能耗分別為32.6 kW·h，968.4 kW·h，較節(jié)能控制前有大幅降低。由此可見，本文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中可將電子通信設(shè)備的能耗降低到額定功率之下，證明本文系統(tǒng)具有較高的節(jié)能效果。

2.2 ?系統(tǒng)性能分析

為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的節(jié)能控制能力，對(duì)比分析本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)組合式補(bǔ)償節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能控制性能。表3為本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)組合式補(bǔ)償節(jié)能控制系統(tǒng)，在不同阻性負(fù)載下的節(jié)能控制輸出電壓情況。表4為不同直流母線電壓下兩個(gè)系統(tǒng)的空載輸出電壓情況。

由表3可以看出，在負(fù)載電流不斷增加的情況下，本文系統(tǒng)的輸出電壓一直保持在220 V，而傳統(tǒng)組合式補(bǔ)償節(jié)能控制系統(tǒng)的輸出電壓隨著負(fù)載電流的增加無規(guī)律的不斷變化，無法維持在固定值。由此說明，本文系統(tǒng)能夠在不同負(fù)載條件下輸出平穩(wěn)電壓。

由表4可知，當(dāng)直流母線電壓不斷變化時(shí)，本文系統(tǒng)的交流輸出電壓始終為220 V，此時(shí)傳統(tǒng)組合式補(bǔ)償節(jié)能控制系統(tǒng)的交流輸出電壓隨著直流母線電壓的增加而不斷增加，從227 V一直增加至261 V，這在實(shí)際應(yīng)用中存在較大安全隱患。由此可知，本文系統(tǒng)在直流母線電壓不穩(wěn)定時(shí)，依舊可以將交流輸出電壓控制在穩(wěn)定值，提高了實(shí)際應(yīng)用中的安全系數(shù)。

圖7和圖8為整流負(fù)載下，本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)組合式補(bǔ)償節(jié)能控制系統(tǒng)以及分布式管理節(jié)能系統(tǒng)的輸出電壓波形和輸出電壓頻譜曲線。

由圖7可以看出，本文系統(tǒng)的總諧波失真量最高為10.6 V，最低為4.2 V;另外兩個(gè)系統(tǒng)的最高總諧波失真量分別為12 V，11.6 V，最低分別為6.3 V，5.5 V。由此可知，本文采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的電子通信設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)，具有較好的諧波抑制效果，總諧波失真量較低。

由圖8可以看出，隨著諧波頻率不斷增加，兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)的諧波衰減持續(xù)波動(dòng)，本文系統(tǒng)的中低次諧波的衰減明顯加強(qiáng)，但高次諧波的衰減未發(fā)生明顯波動(dòng)，說明本文系統(tǒng)節(jié)能控制穩(wěn)定性較高。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于嵌入式技術(shù)的電子通信設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括應(yīng)用端、終端、控制端和傳輸端四個(gè)部分。系統(tǒng)中的設(shè)備控制器通過獲取電源溫度，將數(shù)據(jù)傳遞給節(jié)能控制執(zhí)行電路，調(diào)控電源運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)節(jié)能控制后的設(shè)備能耗為4.833 5 kW·h，較節(jié)能控制前的設(shè)備能耗5.842 4 kW·h相比有大幅降低，節(jié)能效果顯著;在不同負(fù)載電流下，本文系統(tǒng)的輸出電壓一直保持在220 V，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

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