0 引言

    船舶制造業(yè)屬于高電耗型產(chǎn)業(yè),，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國船舶制造業(yè)電力費(fèi)用支出占據(jù)總能耗費(fèi)用70%~80%以上^[1],，而且，我國船舶建造的萬元電耗平均水平與世界先進(jìn)造船企業(yè)相比要高出5倍以上^[2],。我國船舶制造業(yè)采用分級配電方式,，對于一、二級的配電站,，管理層可以很清晰地掌握電能的去向明細(xì),，但是針對第三級即施工現(xiàn)場，由于施工范圍廣,、人員密集,、工人私自接線、施工現(xiàn)場用電散亂等問題造成管理層對現(xiàn)場用電細(xì)節(jié)比較模糊,，因此,，造成了大面積高能耗無作業(yè)設(shè)備運(yùn)行的浪費(fèi)現(xiàn)狀。同時,，由于無法精確計(jì)量各個船臺施工現(xiàn)場用電量,，管理層無法抓住能耗漏洞，從而制定嚴(yán)格的能效考核指標(biāo)實(shí)行精細(xì)化管理,，造成我國船舶制造業(yè)電耗過高,，浪費(fèi)嚴(yán)重。所以對于輔助管理層精細(xì)化用電管理,，杜絕現(xiàn)場施工人員用電陋習(xí),，減少電量浪費(fèi)是十分必要的。

    本文結(jié)合實(shí)際情況,，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)用電量實(shí)時采集,、記錄使用者信息、使用時間段的智能配電樁系統(tǒng),。利用RFID(射頻識別)模塊識別用戶信息,，主控制器STM32 通過控制繼電器模塊實(shí)現(xiàn)用電終端通斷電控制，并對計(jì)量表的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,，所有的信息經(jīng)過相關(guān)處理之后通過無線透傳模塊傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行存儲和分析利用,。智能配電樁對于輔助船舶制造業(yè)管理層針對用電精細(xì)化管理、減少能耗具有重要意義,。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    因?yàn)榇爸圃鞓I(yè)施工現(xiàn)場工作環(huán)境復(fù)雜,，作業(yè)區(qū)域電線密集，考慮到現(xiàn)場重新布線工作量大,、改造成本高,，智能配電樁利用無線通信方式可以解決現(xiàn)場布線難題。WiFi,、藍(lán)牙,、ZigBee,、3G/4G等無線通信方式都可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息傳輸功能。但是,，考慮到智能配電樁傳輸信息量大,，并且需要將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和分析等問題，所以選擇WiFi作為智能配電樁的無線通信模塊,。

    WiFi無線模塊具有AP（無線接入點(diǎn)）,、Client(無線客戶端)、Repeater(無線中繼),、Bridge(無線橋接),、Router（無線路由器）5種工作模式^[3]。本系統(tǒng)選擇Bridge(無線中繼)工作模式,，利用WiFi模塊的橋接功能,，首先將第一級WiFi模塊與前端無線網(wǎng)絡(luò)建立無線連接，然后自身發(fā)出無線信號,，形成新的無線覆蓋范圍,；再將第二級WiFi模塊與前一級WiFi模塊建立無線連接，自身發(fā)出無線信號,，再一次形成新的無線覆蓋范圍,；以此類推。這樣可以有效解決信號弱以及信號盲點(diǎn)等無線覆蓋問題,，同時以無線接力方式可以延伸無線通信距離,，防止施工現(xiàn)場某些智能配電樁與服務(wù)器相距較遠(yuǎn)導(dǎo)致通信失敗。整體系統(tǒng)示意圖如圖1所示,。

    整體系統(tǒng)上層主要由能耗管理中心計(jì)算機(jī),、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、路由器組成,，并通過以太網(wǎng)建立通信,。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場用電信息的展示,；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對不同編號的智能配電樁用電信息的分類,、分項(xiàng)和存儲；路由器通過接入以太網(wǎng),，發(fā)出最原始的WiFi信號與現(xiàn)場WiFi模塊建立無線連接,，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)下層主要由主控制器模塊,、RFID（射頻識別）模塊,、繼電器模塊、無線WiFi模塊,、帶RS485通信功能數(shù)字化計(jì)量表和SD卡模塊構(gòu)成,。系統(tǒng)通信成功并正常工作時,，智能配電樁會接收到服務(wù)器周期性發(fā)送的當(dāng)?shù)貢r間，以保證時間的同步性,。當(dāng)工作人員將管理層分配的身份信息卡放置到RFID模塊上時,，RFID將識別信息卡上的編號并通過SPI反饋到主控制器STM32F407ZET6。STM32F407ZET6判斷卡號合法后,，通過TTL電平信號給繼電器發(fā)送閉合指令,，此時現(xiàn)場開關(guān)接口全部接通，STM32F407ZET6通過RS485與數(shù)字化計(jì)量表通信進(jìn)行用電數(shù)據(jù)采集,，經(jīng)過相關(guān)處理之后,，通過數(shù)據(jù)包格式將用電量、用電卡號,、用電時間發(fā)送到服務(wù)器,，再將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到SD卡上。當(dāng)工作人員將身份信息卡從RFID模塊上拿走時,，STM32F407ZET6立刻向繼電器發(fā)送斷開指令,，此時系統(tǒng)進(jìn)入低功耗工作模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

    系統(tǒng)主控制器采用STM32F407ZET6^[4-6],，基于ARM Cortex-M4^[7]為內(nèi)核的STM32F407ZET6集成了新的DSP和FPU指令,，168 MHz的高性能使得數(shù)字信號控制器應(yīng)用和快速的產(chǎn)品開發(fā)達(dá)到了新水平，大大提升了控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率,，加之具有豐富的外圍接口,，所以STM32F407ZET6適用于對計(jì)算要求較高、執(zhí)行模塊功能較多的智能配電樁系統(tǒng),。在進(jìn)行軟件調(diào)試時,，可以采用JTAG調(diào)試接口，將標(biāo)準(zhǔn)的20針JTAG與JLINK仿真器直接連接,，再通過USB與電腦相連,，直接在集成開發(fā)環(huán)境μVision將編譯成功源代碼下載到STM32F407ZET6運(yùn)行。也可以采用RS232串口轉(zhuǎn)USB線將開發(fā)板與電腦連接,，同時需要用跳線帽將BOOT0載跳線短接,，然后在電腦上運(yùn)行Flash_Loader_Demonstrator軟件，選擇合適串口號,，先擦除原程序再下載新程序,。

2.2 無線通信模塊

    無線通信模塊是實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立無線連接的核心，實(shí)現(xiàn)智能配電樁用戶信息和計(jì)量表數(shù)據(jù)的無線傳輸,。本設(shè)計(jì)采用RM04芯片,，它是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線IEEE 802.11n,、IEEE 802.11g,，有線標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3,、IEEE 802.3?滋以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng),、無線網(wǎng)(WiFi)之間的轉(zhuǎn)換,。且支持WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2安全機(jī)制,，64/128/152 bit WEP加密,，最高傳輸速率可達(dá)50 000 b/s，無線傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)200 m,。同時RM04具有不同的運(yùn)行模式,，系統(tǒng)安全、穩(wěn)定,，所以適用于傳輸距離遠(yuǎn),、功耗低的智能配電樁系統(tǒng)。RM04系統(tǒng)原理圖如圖2所示,。

2.3 射頻識別模塊

    RFID(射頻識別)模塊采用CR95HF射頻芯片,。CR95HR是由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的具有多協(xié)議非接觸13.56 MHz射頻識別芯片。正常工作情況中,，CR95HR有等待事件和激活2種工作模式,。在激活模式下，CR95HR可以與微控制器或電子標(biāo)簽進(jìn)行通信,。在等待模式下,，有上電、休眠,、睡眠和標(biāo)簽檢測4種狀態(tài)^[7-9],。本設(shè)計(jì)中的RFID模塊是基于ISO/IEC 1809標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使用SPI與STM32F407ZET6進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，與電子標(biāo)簽的通信通過脈沖位置調(diào)劑編碼和副載波負(fù)載調(diào)劑實(shí)現(xiàn),。CR95HR射頻模塊電路圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    智能配電樁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括能耗管理中心計(jì)算機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)和控制器的軟件設(shè)計(jì),。

3.1 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

    人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)采用Java語言,。Java語言是甲骨文公司推出的一種電腦編程語言，擁有跨平臺,、面向?qū)ο?、泛型編程的特點(diǎn),。編程軟件采用My Eclipse開發(fā)平臺,，My Eclipse具有良好的編程界面和簡單易學(xué)的特點(diǎn)^[10]，使其成為Java開發(fā)人員運(yùn)用最廣泛的集成開發(fā)環(huán)境之一,。本設(shè)計(jì)為確保不同管理人員對信息系統(tǒng)的操作權(quán)限,，故為不同管理人員配置了不同訪問權(quán)限的賬號和密碼,。 

3.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

    控制器軟件開發(fā)環(huán)境選用ARM公司推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具Keil μVision4.0，Keil提供了包括C編譯器,、宏匯編,、鏈接器、庫管理以及仿真調(diào)試器等開發(fā)方案,。軟件編程采用模塊化編程思想,，主要包括主程序、身份信息卡識別程序,、計(jì)量表數(shù)據(jù)采集及解析程序,、通信程序、底層時間校驗(yàn),、數(shù)據(jù)存取程序等,。將編譯成功的源代碼通過JTAG接口下載到STM32F407ZET6運(yùn)行。系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示,。

    系統(tǒng)初始化主要包括處理器和設(shè)備外圍接口初始化,，保證各設(shè)備都處于正常工作狀態(tài)中。相關(guān)外設(shè)配置主要包括以太網(wǎng)配置,、串口配置,、NVIC配置、SysTick配置,、RTC配置,，其中RTC配置是STM32F407ZET6中用于為系統(tǒng)提供精確的時間基準(zhǔn)，以高精度晶體振蕩器為時鐘源,。系統(tǒng)初始化完成后會進(jìn)入正常工作模式,，首先接收到服務(wù)器發(fā)送的時間進(jìn)行時間校驗(yàn)，RFID模塊將檢測到的身份信息卡卡號發(fā)送到STM32F407ZET6進(jìn)行預(yù)判斷（合法卡號會提前錄入到STM32控制器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中）,，當(dāng)判斷卡號合法后,，輸入高電平，此時常開繼電器模塊就會吸合通電,，卡號非法或無信息源時,，持續(xù)為低電平。當(dāng)電源導(dǎo)通后,，采集計(jì)量表數(shù)據(jù),、數(shù)據(jù)信息處理和通信工作會持續(xù)展開，但是如果此時通信失敗,，系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)塊的形式傳輸?shù)絊D卡進(jìn)行存儲,，等待下一次通信成功，會將實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)一同上傳到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。每成功發(fā)送一次數(shù)據(jù),，系統(tǒng)都會將相關(guān)寄存器清空,，將指針復(fù)位，以防止數(shù)據(jù)溢出造成信息錯誤,。如果在系統(tǒng)工作過程中將信息卡拿開,，則由于檢測不到合法信息源，繼電器就會立刻斷電,，此設(shè)計(jì)是為了方便統(tǒng)計(jì)不同施工隊(duì)的用電數(shù)據(jù)信息以及減少不必要的電量浪費(fèi),。

4 系統(tǒng)測試

    在進(jìn)行系統(tǒng)整體測試之前，首先對開發(fā)板硬件進(jìn)行測試,。硬件測試主要對硬件制作中是否存在虛焊,、連線是否錯誤、芯片安裝是否正確等問題進(jìn)行檢查,。在調(diào)試中,，要確保電路中沒有短路才能上電調(diào)試，然后測試其他供電模塊的引腳,，檢查其電壓是否滿足設(shè)計(jì)要求,。

    系統(tǒng)整體測試采用兩套智能配電樁系統(tǒng)，第一套智能配電樁系統(tǒng)與路由器間隔150 m,，并與路由器建立無線連接,；第二套智能配電樁系統(tǒng)與第一套間隔150 m，接收第一套智能配電樁系統(tǒng)WiFi模塊發(fā)出的無線信號,。這樣布置的目的是為了檢測無線WiFi模塊是否達(dá)到無線接力功能的要求,。實(shí)際測試過程中兩套智能配電樁均能滿足正常工作要求，其中第一套智能配電樁測試結(jié)果如圖5所示,。

    測試結(jié)果表明：

    (1)無線WiFi模塊信號可以滿足無線接力傳輸要求,，并且無線信號長時間穩(wěn)定，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸滿足100 h不間斷測試,，且網(wǎng)絡(luò)傳輸延時最大為5 s,；

    (2)RFID模塊工作穩(wěn)定，對信息卡是否合法的判斷準(zhǔn)確,，能及時為控制器提供是否閉合繼電器的信號,；

    (3)計(jì)算機(jī)獲得的智能配電樁系統(tǒng)用電數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確，滿足設(shè)計(jì)要求,。

5 結(jié)論

    本設(shè)計(jì)將刷卡取電,、用電計(jì)量、無線抄表等功能集于一體,，方便管理層對船舶制造業(yè)施工現(xiàn)場用電管理,。智能配電樁系統(tǒng)的運(yùn)用能加強(qiáng)管理層人員對用電現(xiàn)場的監(jiān)控,、管理，減少工人隨意接線導(dǎo)致電量浪費(fèi)現(xiàn)象,。未來的研究方向主要是對每一個船臺作業(yè)區(qū)域智能配電樁的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘方法,，為管理層探索出一系列能效考核指標(biāo),，進(jìn)一步加強(qiáng)用電管理，減少能耗成本,。

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