《武汉工程大学学报》 2015年03期
58-61
出版日期：2015-04-23
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
楼宇单元配电箱遥控开关系统的设计
０ 引 言自１９９８年ＰOTTIE Ｇ Ｊ［１］从网络的角度阐述无线传感器网络的科学含义以来，无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，以下简称：ＷＳN）作为一种独立的组网形式出现并应用．无线传感器网络［２－３］由大量具有数据感知、信息处理和无线通信能力的低功耗、低成本的微型节点组成，这些节点能够自组织地协同感知覆盖区域范围的特定信息，并通过多跳无线传输的方式传送至指定目的．无线传感器网络主要有网络规模大、拓扑变化频繁、网络自组织、节点资源有限、以数据为中心的特点［４－６］．无线传感器网络已在军事［７－９］、环境监测［１０］、建筑物监测［１１］、智能交通［１２］等领域得到了应用，相信随着相关技术的发展，一定会得到更大的应用．传统的楼宇单元配电箱的控制改造是通过手工布置传感器节点，通过有线的方式来实现对现有配电箱的控制改造．但是传统的有线连接方式有其固有的缺点，如线路老化不易更换、在原有的复杂有线电路上不易进行扩展等［1３］．建立一个新的、无线传播的楼宇单元配电箱遥控系统是解决上述问题的方法之一．１ 总体方案设计针对某高校学生宿舍的管理要求：每晚１１点以后要求宿舍管理员可以在值班室通过便捷的电脑操作切断宿舍楼各个房间的照明电路和插座电路，但不影响空调电路，以方便规范该校学生作息时间．针对宿舍楼布线工程量很大，会耗费大量资金且不易扩展的现状，设计了一种无线传感器网络的楼宇单元配电箱遥控系统改造方案，其无线收发模块的有效范围达到１～２．５ ｋｍ．设计总体方案如图１所示．宿舍楼的每个房间安装一个信息接收盒，每个盒子有一个编号，这些编号保存于ＲＯＭ芯片中，断电或者重启时会读出相应的信号，便于知道控制状态．将这些接收盒分成４组分别连接到４个开关主控制器上．该宿舍楼一共有１７３个房间，共有１７３个信息接收盒，由于每个开关主控制器最多有５０个控制节点，此处采用４８个节点以保证２个节点的冗余量，故信息接收盒ＡＫＧ００１－ＡＫＧ０４８、ＢＫＧ００１－ＢＫＧ０４８、ＣＫＧ００１－ＣＫＧ０４８、ＤＫＧ００１－ＤＫＧ０２９分别连接到４个开关主控制器ＡＦＷ、ＢＦＷ、ＣＦＷ、ＤＦＷ上．开关主控制器连接到值班室内的电脑，值班人员通过电脑触摸屏通讯来控制照明电路和插座电路的开关．图１ 总体方案设计图Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ ｄｉａｇｒａｍ２ 硬件设计２．１ 房间信息接收盒硬件设计房间信息接收盒硬件部分主要包括：电源部分、单片机部分、无线收发模块、信息存储模块ＡＴ２４Ｃ０２、看门狗以及开关控制部分，如图２所示．图２ 信息接收盒硬件结构Ｆｉｇ.２ Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｂｏｘ电源模块部分２２０ Ｖ取电，通过变压器以及芯片７８１２、７８０５、１１１７变压成所需要的１２ Ｖ、５ Ｖ、３．３ Ｖ，用于继电器、单片机高低电平供电．当无线收发模块接收到断电信号以后，会驱动单片机Ｉ／Ｏ口输出高电平信号，此时三极管导通，继电器将开关拉下来切断照明电路和插座电路；无信号时，单片机Ｉ／Ｏ口处于低频信号，此时继电器不动作，系统正常运行．图2中接低电频是为了保证即使ＣＰＵ损坏或者电源烧坏时继电器仍然导通可以供电不影响系统供电．信息接收盒的主要存储信息为各个房间断电起电的地址，断电起电后开关的开、关状态信息的保存．信息接收盒中任意一个节点电源模块坏了，整个系统仍然正常供电；ＲＯＭ需要保存天线相关数据与设置；收到信号，凭信号密码正误进行动作；节点复位，重新上电，能读出以前的控制内容，继续控制．２．２ 开关主控制器硬件设计主控制器采用ＭＰＳ４３０，拥有多路ＵＡＲＴ，以及ＳＰＩ通信端口．主控制器安装在值班室，经常查询各个开关的状态，另外通过广播控制所有开关或单个开关的控制；主控制器上有按键和１２８６４液晶，用户可以直接在上面操作．也可以通过ＲＳ２３２连接主控制器芯片和上位机电脑，方便组网集中控制．开关主控制器硬件原理图如图３所示．图３ 开关主控制器硬件结构Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｓｗｉｔｃｈ３ 软件设计本设计中上位机软件通讯协议采用ＭＯＤＢＵＳ协议，给每个主站编号，通过不同编号来查询或控制．采用００广播（命令所有设备动作），０３查询，０６控制代码（遥控开关的通电或断电）．具体通讯协议此处略．采用ＬａｂＶＩＥＷ或ＶＣ编写上位机监控界面．主程序流程框图如图４所示．首先，软件对ＵＡＲＴ串口进行配置，并对１２８６４液晶屏、无线模块进行初始化．然后判断当前系统时间，若时间未到晚上１１点则进行等待，否则进行查询开关量．若未关，则按照ＭＯＤＢＵＳ协议发送相关命令进行通信，等待接收数据进行ＣＲＣ校验．校验错误则重新发送，否则发送下一条命令．图４ 主程序流程图Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ４ 模拟实验该研究是针对某高校宿舍楼单元配电箱进行的改造设计，图５是模拟实验图，房间的接收盒能进行精确的数据采集并发至电脑系统中，状态参数可在电脑屏幕上显示，值班室人员可通过电脑完成对各个房间内的照明电路和插座电路的远程遥控操作，整个系统运行稳定．图５ 模拟实验图Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ５ 结 语该设计使得值班人员仅在控制中心通过简便操作便能完成分布在各个房间内电路的开关控制，有效节约电能，该系统若能在传统楼宇单元配电箱的改造（尤其是各大高校宿舍配电箱的改造）中得到推广应用，将节约人力资源和大量能源．致 谢湖北省科技厅和武汉工程大学对本研究提供了资金资助，在此致于衷心的感谢！