能耗監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡及控制途徑

陸旭東

西交利物浦大學 江蘇蘇州 215123

在當今，資源緊缺以及環(huán)境惡化等問題都對社會的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴重威脅，因此，在經(jīng)濟發(fā)展和資源緊缺的沖突之中，能源節(jié)約也開始成為當今社會所關注的焦點。這就使得能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用上升到了一個全新的高度。在能耗監(jiān)控系統(tǒng)的具體應用之中，通信網(wǎng)絡的建設可以起到關鍵性作用。基于這一情況，本文對一種應用在學校的能源監(jiān)控系統(tǒng)之中的通信網(wǎng)絡設計及其控制途徑進行分析。

1 系統(tǒng)方案設計

在本次所研究的能耗監(jiān)控系統(tǒng)之中，框架體系可以按照四個部分來進行劃分，第一部分是信息管理中心，第二部分是中繼器監(jiān)控器，第三部分是數(shù)據(jù)采集器，第四部分是通信網(wǎng)絡。在該監(jiān)控系統(tǒng)之中，通信網(wǎng)絡相當于其中樞，只有保障了通信網(wǎng)絡的性能，才可以讓整個系統(tǒng)性能得到良好保障。在系統(tǒng)的具體應用之中，通信網(wǎng)絡的主要作用有兩個，其一是借助于數(shù)據(jù)的無線傳輸斷來實現(xiàn)對感知層數(shù)據(jù)的采集，其二是借助于數(shù)據(jù)的有線傳輸端向主控中心進行數(shù)據(jù)傳輸，進而讓數(shù)據(jù)得到加工和診斷[1]。

2 通信網(wǎng)絡硬件設計

2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸終端設計

在無線數(shù)據(jù)傳輸端的設計中，主要是借助于nRF24LO1這種具有無線射頻收發(fā)功能的芯片來實現(xiàn)無線模塊的組成，然后借助于GFSK調(diào)制方式，通過數(shù)據(jù)包的形式在國際通用的ISM頻段上對數(shù)據(jù)進行無線傳輸。

nRF24LO1芯片設計和研發(fā)于挪威的NORDTC公司，這種無線收發(fā)IC有著極高的性能，它的內(nèi)部有功率放大器、頻率發(fā)生器、晶體振蕩器、增強模式控制器、調(diào)制器以及解調(diào)器。在具體應用之中，可以借助于SPI接口對其協(xié)議進行設置，并實現(xiàn)對輸出功率頻道的合理選擇。在通過nRF24LO1芯片所組成的通信網(wǎng)絡無線收發(fā)模塊之中，主要的特點包括以下幾種：第一，其調(diào)速頻率最高可以達到2MRPS；第二，該模塊可以自動進行重新的發(fā)送，也可以自動應答；第三，模塊內(nèi)部進行了CRC硬件檢錯控制以及一點對多點的通信地址設置；第四，在該模塊之中，可以同時對六路接收通道地址進行設置；第五，在該模塊之中，接收通道的打開可以自由選擇。

2.2 有線數(shù)據(jù)傳輸終端設計

借助于有線數(shù)據(jù)傳輸終端，可以讓控制中心和來自于無線數(shù)據(jù)輸送終端所采集的相關數(shù)據(jù)之間實現(xiàn)連接，這也是這兩者實現(xiàn)連接的唯一一個途徑，為保障來自于控制中心的相關控制命令可以準確地下達到每一個采集終端，同時保障來自于采集終端的數(shù)據(jù)可以及時地上傳到控制中心，并保障以太網(wǎng)設備在整個監(jiān)控區(qū)域之中的全面普及，在本次的系統(tǒng)有線數(shù)據(jù)傳輸終端設計過程中，應用到了TCP/IP協(xié)議，并通過以太網(wǎng)來對傳輸終端進行設計。

在本次所研究的系統(tǒng)之中，主要應用的是由菲絲爾公司所研發(fā)的MC9SL2NE64單片機來設計有限數(shù)據(jù)傳輸終端，具體設計中，將該芯片內(nèi)部的10/100Mbps集成的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器之中的以太網(wǎng)媒體方案控制器用來傳輸數(shù)據(jù)。訪問控制器主要用來實現(xiàn)MAC這一層所具備的功能，在接收到來自于底層的數(shù)據(jù)之后，訪問控制器可以完成前導位幀的自動添加，可對幀的起始位置進行操作，也可以完成CRC校驗碼操作，以太幀的自動封裝工作也就由此實現(xiàn)。另外，該系統(tǒng)可以在全工模式之下和半雙工模式之下都十分適用。

3 通信網(wǎng)絡軟件設計

3.1 無線數(shù)據(jù)傳輸終端軟件設計

在本次所研究的系統(tǒng)之中，主要借助于nRF24LO1之中的增強型TM模式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號發(fā)送以及接收工作。

在進行數(shù)據(jù)的發(fā)送過程中，首先需要進行nRF24LO1發(fā)送模式的配置，也就是讓寄存器位處在PHIN-RX=0的狀態(tài)之中，當CSN=0的情況下，再借助于SPI寫入接收點的地址、數(shù)據(jù)的發(fā)送長度以及有效的數(shù)據(jù)，最后進行CE=1的設置[2]。在此過程中，CE在高電平狀態(tài)之下的持續(xù)時間應該在10微秒以上。

在進行數(shù)據(jù)接收的過程中，首先需要進行nRF24LO1接收模式的配置，也就是讓寄存器位處在PHIN-RX=1的狀態(tài)之中，然后進行CE=1的設置，再啟動接收。在經(jīng)過了130微秒之后，nRF24LO1將開始對空中信息進行檢測，在接收到了有效的數(shù)據(jù)包之后，會在RX-FIFO之中對數(shù)據(jù)進行儲存，與此同時，RX-DR的位置會升高，并且出現(xiàn)中斷，在狀態(tài)寄存器之中，RX-P-NO位會對數(shù)據(jù)的接收通道進行顯示[3]。

3.2 有線數(shù)據(jù)傳輸終端軟件設計

因為本次所研究和設計的系統(tǒng)是應用在校園之中，所以在實際的能耗監(jiān)控過程中，并不需要很大的數(shù)據(jù)傳輸量。因此，該系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸在可靠性方面也就并沒有太高的需求。但是在該系統(tǒng)之中，硬件資源也就更加珍貴，協(xié)議的運行需要更加簡單、更加可靠。通過對這些需求的全面考慮，最終在該系統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸終端設計過程中，選擇將UDP協(xié)議用作該系統(tǒng)之中的有線數(shù)據(jù)傳輸終端協(xié)議。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著當今社會經(jīng)濟與科學技術的不斷發(fā)展，各種的監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控技術也都得到了全面發(fā)展。將能耗監(jiān)控系統(tǒng)應用到當今的能耗監(jiān)控之中，可以對能源的消耗情況做到實時監(jiān)測，進而實現(xiàn)對能耗的合理控制，最大限度降低能源浪費情況。在能耗監(jiān)控系統(tǒng)之中，通信網(wǎng)絡的質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。所以，在系統(tǒng)的具體設計之中，應加格外重視通信網(wǎng)絡的設計與控制。首先需要制定出合理化的通信網(wǎng)絡設計方案，然后分別對通信網(wǎng)絡的硬件部分以及軟件部分進行設計。在此過程中，需要做好各種芯片以及通信協(xié)議等的合理選擇，使其與系統(tǒng)的實際應用需求相符，以此來保障通信網(wǎng)絡的設計質(zhì)量，提升系統(tǒng)的應用性能。