基于嵌入式的小區(qū)節(jié)能監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆楊淳清 蘇紹培

(四川科技職業(yè)學(xué)院 四川 620564)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

小區(qū)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意在提升現(xiàn)代小區(qū)用電能耗的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制效率，在低碳環(huán)保和綠色節(jié)能理念深入人心的今天，設(shè)計(jì)一款智能性高、應(yīng)用推廣性強(qiáng)的小區(qū)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。本系統(tǒng)以嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)理念，以ARM高速處理器和ZigBee物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為核心，兩者之間的數(shù)據(jù)體現(xiàn)了雙向通訊的關(guān)聯(lián)，即：ZigBee模塊將采集到的各節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸給 ARM 處理器，ARM處理器經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后將控制信號(hào)通過(guò)ZigBee物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)反饋給各子節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)選用三星公司研發(fā)的 S5PV210 ARM微處理和德州儀器研發(fā)的CC2530 ZigBee模塊組建節(jié)能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控核心。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 公共區(qū)域空調(diào)節(jié)能監(jiān)控模塊

公共區(qū)域空調(diào)節(jié)能監(jiān)控模塊的功能為：在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)環(huán)境下，通過(guò) DS18B20溫度傳感器采集小區(qū)內(nèi)安裝了空調(diào)的公共區(qū)域?qū)崟r(shí)溫度，并將該溫度通過(guò) CC2530 傳送至 S5PV210 ARM微處理，S5PV210將采集到的實(shí)時(shí)溫度與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比對(duì)，并向各采集節(jié)點(diǎn)的溫度控制器發(fā)送開(kāi)啟或停止空調(diào)運(yùn)行的指令，具體來(lái)說(shuō)：在春夏季環(huán)境下，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度高于環(huán)境實(shí)時(shí)溫度時(shí)，空調(diào)不啟動(dòng)，反之啟動(dòng)；在秋冬季環(huán)境下，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度高于環(huán)境實(shí)時(shí)溫度時(shí)，空調(diào)啟動(dòng)，反之不啟動(dòng)，以達(dá)到對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能監(jiān)控的目的。具體的電路硬件設(shè)計(jì)上，選用三星公司研發(fā)的Cortex-A8 S5PV210 ARM開(kāi)發(fā)板和德州儀器研發(fā)的CC2530開(kāi)發(fā)板，將CC2530的信號(hào)輸出端與S5PV210 ARM開(kāi)發(fā)板信號(hào)輸入端相連，CC2530的溫度信號(hào)節(jié)點(diǎn)采集輸入端與各節(jié)點(diǎn)的DS18B20溫度傳感器輸出端相連，并搭配最小系統(tǒng)控制電路即可，整個(gè)模塊電路硬件設(shè)計(jì)部分比較簡(jiǎn)單實(shí)用。

2.2 小區(qū)路燈照明節(jié)能監(jiān)控模塊

圖1為照明節(jié)能監(jiān)控模塊硬件設(shè)計(jì)圖。

圖1 小區(qū)路燈照明節(jié)能監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)圖

如圖1所示，在以選用的ARM和ZigBee模塊為核心的基礎(chǔ)上，選用Etherbas公司研發(fā)的ETW104Y型路燈遠(yuǎn)程時(shí)控器公共構(gòu)建小區(qū)路燈照明節(jié)能監(jiān)控硬件模塊。ETW104Y型路燈遠(yuǎn)程時(shí)控器具有定時(shí)開(kāi)關(guān)、經(jīng)緯控制、光照度控制、節(jié)假日控制等節(jié)能監(jiān)控功能，可通過(guò)RS485總線與CC2530 ZigBee模塊連接通訊，并可通過(guò)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)、PC等設(shè)備連接，方便小區(qū)巡視工作人員對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程節(jié)能監(jiān)控。具體的硬件電路連接時(shí)，只需要根據(jù) ETW104Y應(yīng)用手冊(cè)中的提示，將 ETW104Y與CC2530的I/O引腳P0.0相連即可。

2.3 消防報(bào)警運(yùn)行節(jié)能監(jiān)控模塊

消防報(bào)警系統(tǒng)也是現(xiàn)代小區(qū)電氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，本系統(tǒng)選用深圳同安迪科技有限公司研發(fā)的 TAD-168型煙霧傳感報(bào)警器作為小區(qū)火災(zāi)點(diǎn)信號(hào)采集電路模塊。TAD-168型煙霧傳感報(bào)警器采用DC12V供電，單端口輸出形式，當(dāng)采集到火災(zāi)煙霧點(diǎn)時(shí)，輸出端口能夠輸出高電平信號(hào)，自帶的蜂鳴器將發(fā)出85dB強(qiáng)度音量進(jìn)行提示；當(dāng)沒(méi)有采集到火災(zāi)煙霧點(diǎn)時(shí)，整個(gè)模塊處于靜默低能耗工作狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的節(jié)能運(yùn)行。該模塊硬件電路設(shè)計(jì)的方案為：TAD-168型煙霧傳感報(bào)警器的輸出端口與CC2530的I/O引腳P0.1相連，CC2530再與S5PV210 ARM微處理相連，當(dāng)TAD-168模塊檢測(cè)到小區(qū)有火災(zāi)點(diǎn)時(shí)，S5PV210可向附近的消防噴淋裝置繼電器發(fā)送開(kāi)啟指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴淋滅火，其余時(shí)間系統(tǒng)都處于靜默節(jié)能工作狀態(tài)。圖2為該模塊的硬件組成框圖。

圖2 消防報(bào)警運(yùn)行節(jié)能監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，選用目前主流的 Linux Qt/Embedded GUI系統(tǒng)作為嵌入式節(jié)能監(jiān)控圖形生成環(huán)境。Qt/Embedded具有面向?qū)ο蟆?gòu)件支持等特征，能夠在Linux完成本系統(tǒng)各監(jiān)控模塊及物聯(lián)網(wǎng)通信人機(jī)交互模塊的GUI平臺(tái)構(gòu)建。此外，基于對(duì)小區(qū)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件功能設(shè)計(jì)需求，將整個(gè)系統(tǒng)的軟件程序執(zhí)行流程設(shè)計(jì)如下：

如圖3所示，對(duì)系統(tǒng)軟件程序執(zhí)行過(guò)程總結(jié)如下：首先，系統(tǒng)初始化。主要包含CC2530 ZigBee和S5PV210 ARM微處理器內(nèi)部功能模塊的初始化，開(kāi)中斷、定時(shí)等操作。其次，采集各節(jié)能節(jié)點(diǎn)信息。系統(tǒng)初始化后，小區(qū)內(nèi)安裝的溫度、照明和煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始采集信號(hào)，只有將采集數(shù)據(jù)傳輸給CC2530構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。再次，S5PV210 ARM運(yùn)算處理。CC2530將經(jīng)過(guò)初步處理的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸至 S5PV210運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果與預(yù)設(shè)的節(jié)能閥值不符時(shí)，啟動(dòng)小區(qū)內(nèi)的空調(diào)/照明/消防報(bào)警系統(tǒng)，反之，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果與預(yù)設(shè)的節(jié)能閥值相符時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入靜默節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)軟件程序執(zhí)行流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)節(jié)能監(jiān)控功能。嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，為智慧化節(jié)能小區(qū)的構(gòu)建提供了更為豐富的技術(shù)支持，小區(qū)節(jié)能監(jiān)控綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將會(huì)體現(xiàn)出更多的嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)含量。本文的設(shè)計(jì)為小區(qū)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)提供了參考樣本，但仍存在很多細(xì)節(jié)部分如：系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)設(shè)計(jì)等，有待在后續(xù)設(shè)計(jì)中不斷完善。