自動節(jié)能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

陳美君，陳惠桐

CHEN Mei-jun, CHEN Hui-tong

（金陵科技學院 信息技術(shù)學院，南京 211169）

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)被譽為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，將引導下一次技術(shù)革命。

物聯(lián)網(wǎng)定義：如果僅僅是從技術(shù)本身來理解物聯(lián)網(wǎng)，它可以看成是傳感網(wǎng)（包括但決不僅限于RFID）和泛在網(wǎng)的結(jié)合。從社會經(jīng)濟的戰(zhàn)略發(fā)展角度來看，物聯(lián)網(wǎng)更多的是對一種新型態(tài)的技術(shù)與技術(shù)應用、產(chǎn)品與服務、產(chǎn)業(yè)與消費市場的綜合稱謂，是“智慧地球”和“感知中國”戰(zhàn)略的核心，是通過各種傳感技術(shù)手段，自動采集并初步處理人們生產(chǎn)和生活相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并實時將數(shù)據(jù)通過各種方法傳輸?shù)较嚓P(guān)的對象，從而可以對數(shù)據(jù)進行計算、運用[1]。

本文重點從應用網(wǎng)絡方面介紹我們設計的一款支持GSM/GPRS/CDMA通訊的專用PLC“物機”原理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理，利用“物機”提供的專用接口和GSM網(wǎng)絡平臺龐大的基礎設施和覆蓋范圍，輕松實現(xiàn)與各類傳感器的連接，實現(xiàn)“人—物”、“物—物”、 “物—人”之間的信息交流。

1 eNJ-8219 PLC“物機”以及典型配件介紹

瞄準“物聯(lián)網(wǎng)”的無限想象和發(fā)展空間，結(jié)合當前實際需要，我們設計了一款支持GSM/GPRS/CDMA通訊的專用PLC“物機”。

所謂“物機”就是利用現(xiàn)有的GSM技術(shù)、協(xié)議和標準，尤其是GSM網(wǎng)絡平臺龐大的基礎設施和覆蓋范圍。利用“物機”提供的專用接口實現(xiàn)與各類傳感器的連接，實現(xiàn)“人—物”、“物—物”、 “物—人”之間的信息交流。

1.1 eNJ-8219 PLC“物機”（見圖1）

1）支持GSM/GPRS/CDMA通訊：根據(jù)用戶要求可以選配GSM、GPRS或CDMA模塊，并支持相應模塊具有的通訊功能；任選一種模塊都能實現(xiàn)eNJ-8219 PLC輸入電源（三相四線）全部失電時的主動報警（短信形式）；

2）支持遠程和本地控制，控制方式可實現(xiàn)遠程優(yōu)先或本地優(yōu)先；本地控制實現(xiàn)時間控制（日歷時鐘）和事件控制（輸入觸發(fā)）；

3）內(nèi)部安裝了兩塊超能電池（發(fā)明：200810196366.6新型：200820039389.0）分別用于內(nèi)部時鐘芯片工作及停電使用。

4）支持帶RS485接口傳感器（溫濕度、壓力、液位等）、檢測器（電表、二次儀表）、驅(qū)動器接入，能實現(xiàn)遠程抄表和監(jiān)視；

5）具有缺相檢測功能，能實現(xiàn)缺相保護（三相電機、三相空調(diào)、三相設備）和報警；

6）支持I/O輸入，可實現(xiàn)門禁、紅外、安全門限裝置的接入；

7）支持交流輸入，可以實現(xiàn)對功率輸出的反饋檢測；

8）外型尺寸（長×寬×高）：155×110×64；

9）安裝形式：底部導軌式安裝。

圖1 eNJ-8219 PLC“物機”

圖2 典型配件 eNJ-8218-TS檢測器

應用領(lǐng)域：

配電柜：路燈照明配電柜，實現(xiàn)遠程控制、遠程數(shù)據(jù)采集；景觀燈配電柜，實現(xiàn)遠程控制、遠程數(shù)據(jù)采集；燈箱廣告配電 ，實現(xiàn)遠程控制、定時開關(guān)燈；大型辦公大樓、商業(yè)大樓、學校等的智能化配電管理。

水利：泵站：動力電纜的防盜報警，缺相檢測及保護；

防汛：區(qū)域閘閥門的遠程調(diào)度，水位數(shù)據(jù)的動態(tài)采集；

環(huán)保：環(huán)保設備運行狀態(tài)、排水口水質(zhì)參數(shù)動態(tài)采集，實現(xiàn)遠程監(jiān)控；

氣象：野外氣象觀察點的數(shù)據(jù)自動傳輸、故障報警；

地震：野外地震觀察探頭的數(shù)據(jù)采集、傳輸、報警；

1.2 典型配件eNJ-8218-TS 檢測器（見圖2）

eNJ-8218電纜檢測器是一款對供電線路進行故障預警和及時報警的設備，設備將被測點的情況，以短信形式通知到監(jiān)控中心計算機和管理者手機，使管理者響應突發(fā)事件的方式由被動變?yōu)橹鲃尤耍A取更多挽回損失的寶貴時間。

滿足功能如下：

1）可群發(fā)（支持5個號碼）報警中文短信，其中0號位號碼（應用于監(jiān)控中心）發(fā)送2；

2）密鑰功能，只有密碼正確后，才能進行設置工作；

3）撥號巡檢功能；

4）具有傳感器接入功能；

5）技術(shù)參數(shù)：

內(nèi)置GSM 900/1800MHz雙頻工業(yè)模塊；

工作電壓：AC40V-275V，支持電壓跳變，即：DC40V與AC220V相互切換；

短信響應時間：在35～70秒；

通訊接口：RS485；

防護等級：IP65；

工作環(huán)境溫度：-20℃～+55℃； 濕度：20%～85%。

2 eNJ-8219 PLC“物機”主要原理介紹

2.1 eNJ-8219 PLC“物機”原理框圖

圖3 eNJ-8219 PLC“物機”原理框圖

2.2 eNJ-8219 PLC“物機”原理分析

其中主要有三部分組成：

2.2.1 電源部分

根據(jù)現(xiàn)場情況該電源的輸入端能夠接入交流270V和直流36V的兩種電壓，經(jīng)過內(nèi)部的整流和高頻開關(guān)方式的穩(wěn)壓完成對模塊本身電路的供電和對模塊中的高能電池的充放電管理。其中對高能電池的充電電壓、電流的判斷調(diào)整及放電電流的判斷控制則是本電源的處理難點。

2.2.2 主控部分

主控模塊的核心有工控單片機擔當，單片機本身有相當?shù)拇鎯臻g和對外交互的接開口，在整個工作過程中單片機有兩個工作模式：本地操作模式和遠程操作模式。當處于遠程模式時，單片機接收無線通信（GSM/GPRS/CDMA）模塊送出的指令信息并進行分析，然后輸出相應信息指揮執(zhí)行部件（電動開關(guān)、磁飽和繼電器、聲光報警裝置等）做出相應動作，同時又將各種受控部件的狀態(tài)信息接受下來發(fā)送給無線通信模塊，使其以短信或撥號的形式發(fā)送出去。當處于本地模式時，單片機接受本設備面板操作按鈕給出的控制命令并作出相應的分析處理和之行動作，然后將相應信息發(fā)送到設備面板的LCD顯示屏進行顯示。

2.2.3 無線通信部分

無線通信模塊利用公眾化并以成熟的移動通信網(wǎng)絡，以短信或撥號方式接收操作人員和管理人員發(fā)出的命令然后通過接口發(fā)送給控制模塊，同時還能通過接口接受由控制模塊發(fā)出的設備信息和控制命令，并以短信或撥號的方式發(fā)送給操作和管理人員。這里的管理和操作人員發(fā)送和接收信息可以通過手機、電話或聯(lián)網(wǎng)的專用計算機。

3 自動控制的外圍模塊與電路

3.1 檢測外圍模塊

eNJ-8218-TS 檢測器，能對供電線路進行故障預警和及時報警的設備，設備將被測點的情況，以短信形式通知到監(jiān)控中心計算機和管理者手機，使管理者響應突發(fā)事件的方式由被動變?yōu)橹鲃尤耍A取更多挽回損失的寶貴時間。

框圖如下：

圖4 eNJ-8218-TS 檢測器原理框圖

3.2 自動控制的常用硬件電路

3.2.1 感應模塊

感應模塊根據(jù)要感應和控制的參數(shù)決定，如非接觸環(huán)境的溫度測量可以用熱電堆紅外測溫傳感器，它直接感應熱輻射，不需要機械地接觸被測物體而快速測得溫度讀數(shù)，為非接觸溫度測量提供較好的解決方案，能可靠地測量熱的、危險的或難以接觸的物體，而不會污染或損壞被測物體。它一般由硅基微機械技術(shù)保證了它的極好的長期穩(wěn)定性，非常低的溫度靈敏系數(shù),極好的光電特性，價格也不太高，它不需要冷卻，但在整個溫度測量范圍內(nèi)能達到±1℃的精度。

如要感應和控制的參數(shù)是較大電流的變化，則可以用閉環(huán)霍爾電流傳感器測量，利用霍爾器件為核心敏感元件隔離檢測電流磁場的大小與流過導線的電流大小成正比，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線形關(guān)系，因此可利用霍爾器件測得的輸出信號直接反應出導線中的電流大小，可檢測出帶點導體是否工作正常。

3.2.2 處理和控制模塊

處理和控制模塊一般由調(diào)理模塊和嵌入式模塊構(gòu)成。

調(diào)理模塊往往包含信號放大電路、比較器和延時觸發(fā)電路等，嵌入式模塊可以采用單片機、DSP,ARM等。

圖5 一般框圖示意圖

當感應器檢測到信號超過標準時，相應的口會對電平進行判斷（本過程也可以通過硬件實現(xiàn)，用模擬開關(guān)選擇），如：判斷I/O口是否為高電平，將P1口的值0X01 相與，再置位相應的數(shù)組位。這樣將相應的數(shù)組通過組合并在程序里判斷一下組合值就可以知道哪幾路應該執(zhí)行報警動作。這里的后續(xù)驅(qū)動電路是數(shù)碼管顯示和語音提示，對于不同路的情況，程序?qū)⒃趯獢?shù)組位上賦以對應的值，即選擇不同的數(shù)據(jù)地址，從而使不同的后續(xù)電路動作[2]。

3.2.3 驅(qū)動后續(xù)報警電路（后續(xù)報警電路可以接于繼電器后）

后續(xù)報警電路根據(jù)功率的不同接于繼電器或模擬開關(guān)之后，此處的電路重點要考慮阻抗匹配、延時和后續(xù)電路的功率。

圖6 驅(qū)動后續(xù)報警電路（后續(xù)報警電路接于繼電器后）

典型錄放電路（單片機可以選擇數(shù)據(jù)地址，控制發(fā)音，如ISD2500語音組合精靈板）

圖7 ISD2500語音組合精靈板原理圖

4 “物機”的典型應——校園水電資源的合理分配和控制

4.1 設計背景

長期以來，我國學校用水電模式基本上是對校辦公區(qū)和學生公寓普遍實施免費用水電量供應，即“大包大攬，統(tǒng)收統(tǒng)支”。具體講就是，學校所有用水電費用均由學校支付，校內(nèi)各單位、個人用電隨意性大，這是一種被動的管理模式，學校只能在每月月末才能知道全校的用水用電狀況，而且由于校園面積大，所涉及的個人和部門多，漏電、偷電、超負荷用電時有發(fā)生，從而造成學校用電量大增，負擔極重，學校財產(chǎn)和資源在無形中流失極大。

隨著學校的現(xiàn)代化和信息化的建設的深入，各學校的用電設備每年都呈數(shù)量級的增長，這也無形中加大了學校用水用電費用的負擔。

圖8 系統(tǒng)示意圖

黨中央已經(jīng)把節(jié)約資源提到了一定記事日程，建設節(jié)約型學校也具有非常重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。

4.2 設計要求

對校園轄區(qū)水電資源的合理分配和控制，綜合最新的無線通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、現(xiàn)代總線技術(shù)、工業(yè)自動化控制技術(shù)、軟件技術(shù)等推出的校園能源管理系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)照明用電時的節(jié)電，而且為學校水電管理提供了高效的自動智能化管理途徑和手段，采用技術(shù)手段能大大提升學校在水電管理方面的效率，尤其是學校衛(wèi)生間的到位管理對提高學校整體形象會有非常顯著的效果。通過管理型節(jié)約和技術(shù)型節(jié)約兩個途徑實現(xiàn)“建設節(jié)約型校園”的目標。

4.3 校園節(jié)能管理系構(gòu)成

4.3.1 系統(tǒng)示意圖

4.3.2 系統(tǒng)主要組成

系統(tǒng)三大組成：中央控制單元（CTU），二級控制單元（MCU）（樓控單元），遠程控制單元（RTU）

1）中央控制單元（CCU）

安裝在校園管理中心內(nèi)，由管理計算機、無線通訊模塊和中央控制臺組成，是管理人員與本系統(tǒng)直接交流的部分。中央控制單元（CCU）采集遠程控制單元（RTU）通過二級控制單元（MCU）傳輸上來的信息狀態(tài)，進行匯總、整理后提供給用電管理者決策使用；同時用電管理者可以命令中央控制單元（CCU）自動或者手動形成對遠程控制單元（RTU）進行控制的命令，這一命令經(jīng)過二級控制單元（MCU）傳輸?shù)街付ǖ倪h程控制單元（RTU），由遠程控制單元（RTU）實現(xiàn)相應的控制操作。

2）二級控制單元

二級控制單元（MCU）安裝在每棟樓的總配線箱附近，通過現(xiàn)場總線將本棟樓內(nèi)的遠程控制單元（RTU）連接起來，通過無線方式與中央控制單元（CCU）所在樓的二級控制單元（MCU）連接，為中央控制單元（CCU）與系統(tǒng)內(nèi)任意遠程控制單元（RTU）之間建立穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。

3）遠程控制單元 （RTU）

遠程控制單元安裝在受控對象的前端，受控對象包含教室、辦公室、實驗室、衛(wèi)生間。

4）典型設備配置

表1 典型設備配置

4.4 系統(tǒng)已經(jīng)達到的功能

系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，可根據(jù)用戶要求靈活配置受控對象，受控對象的數(shù)目無限制。系統(tǒng)具有手動和自動控制方式，在手動方式下，管理者可以指定任意受控對象進行操作；在自動方式下，系統(tǒng)能根據(jù)管理者制定的時間表進行自動控制，從而減輕管理者日常維護的勞動強度。系統(tǒng)具有自動巡檢功能，如發(fā)現(xiàn)異常，不僅可以準確定位，還能通過多種方式（如：電話、短信等）通知管理者。管理者也可以通過電話或手機短信進行遠程遙控控制。

具體控制對象：房間（如：教室、辦公室、實驗室等）或用電設備（如：照明、空調(diào)、電熱水器、多媒體設備、電視等、用水設備（如：衛(wèi)生間水箱、洗手池等）；其它設備（如 :電鈴、廣播、巡更、報警等）。

具體控制內(nèi)容：能實現(xiàn)電和水的控制和管理，使節(jié)水、節(jié)電等與能源管理系統(tǒng)融為一體如定時開關(guān)燈，由感應數(shù)據(jù)確認后續(xù)設備動作，系統(tǒng)故障時各受控對象能自動恢復到正常供電，保證教學和科研工作的正常進行。系統(tǒng)具有防過載和漏電的功能，確保人生和設備安全。

本方案適用：調(diào)整探測器和后續(xù)動作設備，本系統(tǒng)可以移植到任意轄區(qū)的自動化節(jié)能和控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)已經(jīng)在我校的校園自動節(jié)能控制系統(tǒng)中工作良好，實現(xiàn)了配電柜的遠程控制，如定時開關(guān)燈，數(shù)據(jù)采集等智能化配電管理，調(diào)整探測器和后續(xù)動作設備，本系統(tǒng)可以移植到任意轄區(qū)的自動化節(jié)能和控制系統(tǒng)。實際應用中，系統(tǒng)的成本不高，控制相對簡單和穩(wěn)定，在自動控制系統(tǒng)的工程應用中具有實際意義。

但考慮“物機”的應用環(huán)境非常惡劣，目前的電池不能滿足“物機”，真正“超能電池”的配套尚有待研究。

[1]王俊峰,等.物聯(lián)網(wǎng):新一輪技術(shù)革命帶來爆發(fā)性機會[J].當代社科視野,2009,10.

[2]吳金茂,等.8051單片機實踐與應用[M].北京:清華大學出版社,2002.