基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

周向軍

(廣東省外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院 信息學(xué)院，廣州510640)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，采用物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)進行智慧電源管理，提高供電的可持續(xù)性，研究智慧電源管理方法，結(jié)合市電引入、交流供配電、直流供配電、蓄電池和直流遠供等技術(shù)提高電源管理的智能性，降低電源管理系統(tǒng)的輸出功耗，提高電源的輸出效率[1]。積極推進智慧電源管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配以晶振和內(nèi)部電壓調(diào)整方法，實現(xiàn)電源的優(yōu)化調(diào)度和智能控制。智慧電源管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法不僅廣泛應(yīng)用到輸電供電領(lǐng)域，同時也加快了智慧城市建設(shè)的發(fā)展進程，近年來，相關(guān)的智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計方法研究受到人們的極大關(guān)注。

智慧電源管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計建立在電源的集成調(diào)度和組網(wǎng)設(shè)計基礎(chǔ)上，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動通信組網(wǎng)技術(shù)，引入電源優(yōu)化調(diào)度理論，進行智慧電源的集成網(wǎng)絡(luò)調(diào)度，保障電源供電的安全和穩(wěn)定性[2]，傳統(tǒng)方法中，智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計方法主要建立在嵌入式ARM內(nèi)核基礎(chǔ)上，結(jié)合分散控制系統(tǒng)(distributed control systems, DCS)實現(xiàn)智慧電源管理系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計，智慧電源管理系統(tǒng)采用高頻電源設(shè)計[3]，通過束縛電子(稱光電子)探頭進行電源功率分析，采集伽馬射線進行電源輸出電壓測試和功率譜分析，通過前置放大電路進行智慧電源管理系統(tǒng)的自適應(yīng)放大處理。

針對上述問題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計部分，首先進行系統(tǒng)的總體構(gòu)架分析和功能結(jié)構(gòu)描述，硬件模塊包括電源DSP集成信息處理模塊、電源阻抗變換模塊、信號處理電路模塊、功率放大模塊和總線控制模塊。然后針對智慧電源管理系統(tǒng)開展軟件研發(fā)工作，該管理系統(tǒng)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)管理引擎應(yīng)用的是SQLServer數(shù)據(jù)庫，在落實物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)設(shè)計工作的過程中，充分發(fā)揮了Revit軟件的功能，同時采用前端設(shè)備自動選型方案進行智慧電源管理的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計，以ADSP-BF537作為核心處理器進行智慧電源管理系統(tǒng)的總線開發(fā)和集成電路設(shè)計，在以太網(wǎng)中分層的參考模型中進行智慧電源管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧開發(fā)，進行智慧電源管理系統(tǒng)集成設(shè)計，通過仿真實驗來檢驗該管理系統(tǒng)的功效，結(jié)果表明該研究中所設(shè)計的智慧電源管理系統(tǒng)具有較強的功能性、可行性。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架和功能模塊

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架

在基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計工作的過程中，最關(guān)鍵的就是明確該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型框架。智慧電源系統(tǒng)的硬件模塊主要由電源阻抗變換模塊、信號處理電路模塊、功率放大模塊、電源DSP集成信息處理模塊和總線控制模塊幾部分組成。在對智慧電源管理系統(tǒng)開展集成設(shè)計時，應(yīng)用到ARM Cortex-M0 處理器內(nèi)核，并通過對專家策略庫和典型設(shè)備庫的調(diào)用對系統(tǒng)前端設(shè)施進行配備，在智慧電源管理系統(tǒng)ARM終端中，設(shè)置設(shè)電源管理的調(diào)度器和功率分配模塊[4]，采用集成增益控制方法進行智慧電源管理的接口設(shè)計和總線開發(fā)，建立時鐘控制電路，進行智慧電源管理系統(tǒng)的時鐘AD采樣，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方式來管控采樣輸出時鐘電壓，并對系統(tǒng)電源分配器、系統(tǒng)功率放大器進行有效地建立，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進行智慧電源的總線開發(fā)調(diào)度。在前端設(shè)備選型布置完成后，對主動型前端智慧電源管理設(shè)備進行效能分析，采用JN5139無線微處理器觸發(fā)智慧電源管理系統(tǒng)的ARM模塊，在屏柜三維模型和前端設(shè)備三維模型基礎(chǔ)上，實現(xiàn)屏柜、功能單元的交叉編譯和總線調(diào)度[5]。在三層體系結(jié)構(gòu)模型中設(shè)計低電位復(fù)位電路，根據(jù)輸出功率構(gòu)建功率放大模塊，采用低電位復(fù)位電路進行智慧電源管理系統(tǒng)的掉電復(fù)位。采用內(nèi)核控制和遠程控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)對智慧電源管理系統(tǒng)的遠程控制和電源集成調(diào)度，根據(jù)二次回路邏輯連接關(guān)系和線纜主通道三維模型實現(xiàn)電源的集成控制，根據(jù)上述設(shè)計原理，得到智慧電源管理系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智慧電源管理系統(tǒng)的模塊化組成結(jié)構(gòu)框圖

圖2 智慧電源管理的實現(xiàn)原理

1.2 系統(tǒng)的功能模塊及技術(shù)指標(biāo)分析

在智慧電源管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型中，采用智能計算機輔助技術(shù)進行智慧電源管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。采用微處理器進行智慧電源管理系統(tǒng)的集成控制，針對智慧電源管理系統(tǒng)開展節(jié)能設(shè)計工作時，可以利用分散控制系統(tǒng)的作用，結(jié)合ARM技術(shù)構(gòu)建智慧電源管理系統(tǒng)的物理設(shè)備，物理設(shè)備主要指的是全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備兩大類，可以在智慧電源管理系統(tǒng)的硬件總成設(shè)計中有效配置物理設(shè)備，從而提高電源輸出的持續(xù)性和穩(wěn)定性。[6]智慧電源管理采用功率增益放大控制技術(shù)，結(jié)合光電倍增管進行光導(dǎo)控制，采用高壓電源進行輸出功率調(diào)節(jié)，在AD放大和功率放大模塊中提高電源的高頻增益[7]，得到智慧電源管理系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，如圖2所示。結(jié)合圖2的設(shè)計原理，以ADSP-BF537作為核心處理器進行智慧電源管理系統(tǒng)的總線開發(fā)和集成電路設(shè)計，采用PPI_CONTROL寄存器進行電源的集成調(diào)度，得到設(shè)計的智慧電源管理系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：

(1)配置PPI的操作模式，輸出功率增益大于100 dB，放大倍數(shù)為大于2 000；

(2)電源管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)由上、下機位兩部分構(gòu)成，可實現(xiàn)16位的電源集成調(diào)度和總線傳輸控制；

(3)智慧電源的高速A/D采樣頻率為12 MHz，智慧電源管理系統(tǒng)的調(diào)制分辨率大于12位；

(4)智慧電源管理系統(tǒng)的DSP信號處理模式有CW、LFM、HFM等多種模式；

(5)該智慧電源管理系統(tǒng)的邏輯處理器為低功耗S3C2440，輸出功耗在100 KW以下。

參考系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計指標(biāo)，有效落實系統(tǒng)軟件及硬件設(shè)計工作，構(gòu)建出功能多樣化的智慧電源管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)上述對智慧電源管理系統(tǒng)的總體設(shè)計和功能結(jié)構(gòu)描述，進行智慧電源管理系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計，系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計部分，硬件模塊包括電源DSP集成信息處理模塊、電源阻抗變換模塊、信號處理電路模塊、功率放大模塊和總線控制模塊。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智慧電源管理系統(tǒng)采用高速A/D芯片AD9225進行電源管理的原始數(shù)據(jù)采集，基于DSP高速信號處理技術(shù)實現(xiàn)對智慧電源管理系統(tǒng)的集成信息處理[7]，對各個功能模塊設(shè)計描述如下：

(1)電源DSP集成信息處理模塊。DSP集成信息處理模塊是實現(xiàn)智慧電源管理及集成信息處理和數(shù)據(jù)采樣功能，采用單12 V供電作為智慧電源管理系統(tǒng)的啟動電壓，人機交互模塊中設(shè)置DMA參數(shù)，智慧電源管理系統(tǒng)下的DSP集成信息處理總線的構(gòu)建主要應(yīng)用的技術(shù)就是VME總線擴展技術(shù)(32位)，配置CAN_MBIM1，設(shè)定CAN傳輸速率，采用ADUM1201隔直流電路進行智慧電源管理系統(tǒng)的抗干擾濾波設(shè)計。智慧電源管理系統(tǒng)的集成信息處理模塊電路如圖3所示。

圖3 智慧電源管理系統(tǒng)的集成信息處理模塊電路圖

(2)電源阻抗變換模塊。電源阻抗變換模塊采用R13和R14進行分壓和阻抗變換，當(dāng)VCC電壓低于啟動電壓時，改變WDI引腳狀態(tài)，使用ADM706S設(shè)計復(fù)位電路，DSP此時工作在SPI從模式，根據(jù)ID0x5F來選擇DSP，實現(xiàn)智慧電源管理的阻抗變換，由此得到電源阻抗變換模塊設(shè)計如圖4所示。

圖4 阻抗變換模塊電路設(shè)計

(3)信號處理電路模塊。信號處理模塊是實現(xiàn)智慧電源管理系統(tǒng)的智能信號處理和總線集成功能，用交叉編譯控制方法在線下載程序到DSP的RAM中，根據(jù)智慧電源管理系統(tǒng)的ADI設(shè)計HPPCI仿真器，根據(jù)總線定義電源管理系統(tǒng)的選擇模式、時鐘、數(shù)據(jù)輸入串口，在智慧電源管理系統(tǒng)內(nèi)，進行指令加載的過程中需要運用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線，借助針對SEL1電平進行DSP控制的途徑，能夠開展該系統(tǒng)倍頻放大控制、落實系統(tǒng)有源晶振配置任務(wù)，得到信號處理電路如圖5所示。

圖5 信號處理模塊

(4)功率放大模塊。功率放大模塊是整個智慧電源管理系統(tǒng)的核心，功率放大模塊采用2個32 KBSRAM的Bank實現(xiàn)功率放大和電源管理的指令存儲，對于該系統(tǒng)功率放大控制、時鐘采樣控制功能，可以運用8個32位定時器/計數(shù)器來實現(xiàn)，結(jié)合DSP控制SEL1電平實現(xiàn)智慧電源管理系統(tǒng)的實時時鐘分析和自適應(yīng)功率放大，得到功率放大模塊電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 功率放大模塊設(shè)計

綜上分析，結(jié)合總線開發(fā)和集成調(diào)度設(shè)計方案，實現(xiàn)對智慧電源管理系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計，在Flash等器件中實現(xiàn)智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計故障檢測系統(tǒng)的在線編程，通過總線接口實現(xiàn)對智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計的程序加載和智能控制。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

在整個智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計中，硬件設(shè)計是基礎(chǔ)，軟件設(shè)計是核心，智慧電源管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計建立在數(shù)據(jù)庫引擎基礎(chǔ)上，構(gòu)建資源管理模塊和工程數(shù)據(jù)管理平臺，以SQLServer數(shù)據(jù)庫作為智慧電源管理模塊的數(shù)據(jù)管理引擎，建立智慧電源管理的設(shè)備目錄表、設(shè)備屬性表，采用Revit軟件進行智慧電源管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)設(shè)計。典型的智慧電源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)設(shè)備庫被設(shè)計為開放性、可擴展性的數(shù)據(jù)庫，專家策略庫是基于現(xiàn)有智能輔助控制系統(tǒng)規(guī)范，結(jié)合智能輔助控制系統(tǒng)的現(xiàn)有工程設(shè)計實例，總結(jié)出智慧電源管理系統(tǒng)的場景信息、聯(lián)動策略、前端設(shè)備配置規(guī)則及前端設(shè)備布置規(guī)則。場景信息定義了需要采取的聯(lián)動策略，智慧電源管理系統(tǒng)各功能區(qū)域與前端設(shè)備配置之間通過物聯(lián)網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)控制。

采用PPI_CONTROL寄存器進行電源的集成調(diào)度，在以太網(wǎng)中分層的參考模型中進行智慧電源管理系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧開發(fā)，前端設(shè)備的配置規(guī)則是按照如圖7所示的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)圖來確定各功能區(qū)域內(nèi)需配置的智慧電源管理系統(tǒng)的前端設(shè)備種類。

圖7 智慧電源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)圖

基于以上數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進行智慧電源管理系統(tǒng)的功率增益控制和場景關(guān)聯(lián)設(shè)計，可以得出每個功能區(qū)域?qū)?yīng)的電源管理信息特征。為實現(xiàn)設(shè)計過程中數(shù)據(jù)的數(shù)字化流轉(zhuǎn)，接線端口通過線纜與前端設(shè)備或功能單元連接，實現(xiàn)前端設(shè)備的通信與控制。綜上分析，得到的智慧電源管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)實現(xiàn)界面如圖8所示。

圖8 智慧電源管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)實現(xiàn)界面

4 仿真實驗與結(jié)果

通過上述基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電源管理系統(tǒng)的設(shè)計，在對系統(tǒng)性能進行測試的過程中，可以進行仿真實驗，建立在ICAD平臺基礎(chǔ)上，根據(jù)智慧電源管理系統(tǒng)的應(yīng)用功能模塊進行系統(tǒng)集成，電源的輸入為110 KV變電交流電源，采用API(Application Programming Interface)應(yīng)用程序編程接口進行智慧電源的程序加載和交叉編譯設(shè)計，采用C/C++編譯器配置DSP的IO口，設(shè)置智慧電源管理系統(tǒng)輸入電壓范圍為：+/-220 V、+/-360 V，智慧電源管理的模擬電源以5 V供電，電源管理系統(tǒng)的JTAG接口是4線：TMS、 TCK、TDI、TDO，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進行智慧電源管理的輸出功率測試，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 智慧電源管理系統(tǒng)的輸出功率測試結(jié)果

通過上述研發(fā)設(shè)計方式，能夠使智慧電源管理的輸出功率增益較大，電源調(diào)度和集成調(diào)度能力較好，電源調(diào)度各個通道的輸出穩(wěn)定性較強，輸出功率增益提升為12.6%，測試不同方法進行智慧電源管理的能耗均衡性、總的能力消耗以及平均端到端時延，如圖10所示，分析得知模型(LB-AGR)的能耗均衡性較高，電源的能量消耗較低，電源管理的端到端延時較小，總體性能較好。

圖10 性能測試

5 結(jié)語

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配以晶振和內(nèi)部電壓調(diào)整方法，實現(xiàn)電源的優(yōu)化調(diào)度和智能控制，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電源管理系統(tǒng)設(shè)計方案，結(jié)合智能輔助控制系統(tǒng)進行物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智慧電源管理，采用ARM Cortex-M0 處理器內(nèi)核實現(xiàn)智慧電源管理系統(tǒng)集成設(shè)計，基于DSP高速信號處理技術(shù)實現(xiàn)對智慧電源管理系統(tǒng)的集成信息處理，進行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)設(shè)計。研究得知，設(shè)計的智慧電源管理系統(tǒng)具有很好的電源管理能耗均衡性，降低了總的能量消耗，提高了輸出功率增益，電源管理效能較好。