《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于WiFi和STM32船舶制造業(yè)智能配電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
楊鄭明,,徐軼群
集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,福建 廈門361021
摘要: 由于船舶制造業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)用電混亂,管理層無(wú)法精確計(jì)量施工現(xiàn)場(chǎng)用電數(shù)據(jù),,導(dǎo)致存在能耗漏洞,電量浪費(fèi)嚴(yán)重,。以STM32F407ZET6為控制核心,、RM04無(wú)線WiFi為無(wú)線通信模塊,采用CR95HF為芯片的RFID模塊,,設(shè)計(jì)制作了一種適用于船舶制造業(yè)的智能配電樁系統(tǒng),。介紹了系統(tǒng)的硬件電路以及軟件工作流程。經(jīng)測(cè)試,,采集得到的用電量,、用電卡號(hào)以及用電時(shí)間段表明系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性無(wú)線數(shù)據(jù)信息采集和傳輸。在船舶制造業(yè)智能配電樁系統(tǒng)節(jié)能方面有較好的應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞: STM32 信息采集 RFID WiFi
中圖分類號(hào): TP277
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.10.017
中文引用格式: 楊鄭明,,徐軼群. 基于WiFi和STM32船舶制造業(yè)智能配電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(10):69-72,,76.
英文引用格式: Yang Zhengming,Xu Yiqun. Design of intelligent power distribution system for ship building industry based on WiFi and STM32[J].Application of Electronic Technique,,2016,,42(10):69-72,76.
Design of intelligent power distribution system for ship building industry based on WiFi and STM32
Yang Zhengming,,Xu Yiqun
Provincial Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering,,Institute of Marine Engineering, Jimei University,,Xiamen 361021,,China
Abstract: Due to the chaos of the construction site of the shipbuilding industry, management can not accurately measure the construction site electricity data,,leading to energy vulnerability and serious waste of electricity. Taking STM32F407ZET6 as control core, RM04 wireless WiFi module for wireless communication, using RFID as the CR95HF module of the chip, this paper designs a intelligent power distribution system for the ship manufacturing industry. The hardware circuit and software flow of system are introduced. After testing,the power consumption, the card number and the time data indicate that the system can meet the real-time wireless data acquisition and transmission. It has good application prospects in the field of intelligent power distribution system of shipbuilding industry.
Key words : STM32;information acquisition,;RFID,;WiFi

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(guó)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(guó)船舶建造的萬(wàn)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(guó)船舶制造業(yè)采用分級(jí)配電方式,,對(duì)于一,、二級(jí)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(duì)第三級(jí)即施工現(xiàn)場(chǎng),,由于施工范圍廣、人員密集,、工人私自接線,、施工現(xiàn)場(chǎng)用電散亂等問題造成管理層對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用電細(xì)節(jié)比較模糊,因此,,造成了大面積高能耗無(wú)作業(yè)設(shè)備運(yùn)行的浪費(fèi)現(xiàn)狀,。同時(shí),由于無(wú)法精確計(jì)量各個(gè)船臺(tái)施工現(xiàn)場(chǎng)用電量,,管理層無(wú)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(guó)船舶制造業(yè)電耗過高,,浪費(fèi)嚴(yán)重,。所以對(duì)于輔助管理層精細(xì)化用電管理,杜絕現(xiàn)場(chǎng)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(shí)采集,、記錄使用者信息、使用時(shí)間段的智能配電樁系統(tǒng),。利用RFID(射頻識(shí)別)模塊識(shí)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(duì)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(wú)線透?jìng)髂K傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析利用,。智能配電樁對(duì)于輔助船舶制造業(yè)管理層針對(duì)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(chǎng)工作環(huán)境復(fù)雜,,作業(yè)區(qū)域電線密集,,考慮到現(xiàn)場(chǎng)重新布線工作量大、改造成本高,,智能配電樁利用無(wú)線通信方式可以解決現(xiàn)場(chǎng)布線難題,。WiFi、藍(lán)牙,、ZigBee,、3G/4G等無(wú)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(chǔ)和分析等問題,所以選擇WiFi作為智能配電樁的無(wú)線通信模塊,。

    WiFi無(wú)線模塊具有AP(無(wú)線接入點(diǎn)),、Client(無(wú)線客戶端)、Repeater(無(wú)線中繼),、Bridge(無(wú)線橋接),、Router(無(wú)線路由器)5種工作模式[3]。本系統(tǒng)選擇Bridge(無(wú)線中繼)工作模式,,利用WiFi模塊的橋接功能,,首先將第一級(jí)WiFi模塊與前端無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立無(wú)線連接,然后自身發(fā)出無(wú)線信號(hào),,形成新的無(wú)線覆蓋范圍,;再將第二級(jí)WiFi模塊與前一級(jí)WiFi模塊建立無(wú)線連接,自身發(fā)出無(wú)線信號(hào),,再一次形成新的無(wú)線覆蓋范圍,;以此類推。這樣可以有效解決信號(hào)弱以及信號(hào)盲點(diǎn)等無(wú)線覆蓋問題,,同時(shí)以無(wú)線接力方式可以延伸無(wú)線通信距離,,防止施工現(xiàn)場(chǎng)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,。

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    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(kù)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(chǎng)用電信息的展示;數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同編號(hào)的智能配電樁用電信息的分類,、分項(xiàng)和存儲(chǔ),;路由器通過接入以太網(wǎng),發(fā)出最原始的WiFi信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)WiFi模塊建立無(wú)線連接,,實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(shí)別)模塊、繼電器模塊,、無(wú)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(shí),,智能配電樁會(huì)接收到服務(wù)器周期性發(fā)送的當(dāng)?shù)貢r(shí)間,,以保證時(shí)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(shí),,RFID將識(shí)別信息卡上的編號(hào)并通過SPI反饋到主控制器STM32F407ZET6,。STM32F407ZET6判斷卡號(hào)合法后,通過TTL電平信號(hào)給繼電器發(fā)送閉合指令,,此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(hào)、用電時(shí)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(shí),STM32F407ZET6立刻向繼電器發(fā)送斷開指令,,此時(shí)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(hào)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(duì)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(shí),,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(shí)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(hào),,先擦除原程序再下載新程序,。

2.2 無(wú)線通信模塊

    無(wú)線通信模塊是實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)200 m,。同時(shí)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,。

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2.3 射頻識(shí)別模塊

    RFID(射頻識(shí)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(shí)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(cè)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。

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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(yǔ)言,。Java語(yǔ)言是甲骨文公司推出的一種電腦編程語(yǔ)言,擁有跨平臺(tái)、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(tái),My Eclipse具有良好的編程界面和簡(jiǎn)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(duì)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(hào)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(duì)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(kù)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(shí)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(shí)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。

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    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(shí)間基準(zhǔn),,以高精度晶體振蕩器為時(shí)鐘源。系統(tǒng)初始化完成后會(huì)進(jìn)入正常工作模式,,首先接收到服務(wù)器發(fā)送的時(shí)間進(jìn)行時(shí)間校驗(yàn),,RFID模塊將檢測(cè)到的身份信息卡卡號(hào)發(fā)送到STM32F407ZET6進(jìn)行預(yù)判斷(合法卡號(hào)會(huì)提前錄入到STM32控制器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中),當(dāng)判斷卡號(hào)合法后,,輸入高電平,,此時(shí)常開繼電器模塊就會(huì)吸合通電,卡號(hào)非法或無(wú)信息源時(shí),,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(huì)持續(xù)展開,,但是如果此時(shí)通信失敗,,系統(tǒng)會(huì)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(chǔ),等待下一次通信成功,,會(huì)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)一同上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。每成功發(fā)送一次數(shù)據(jù),,系統(tǒng)都會(huì)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(cuò)誤,。如果在系統(tǒng)工作過程中將信息卡拿開,,則由于檢測(cè)不到合法信息源,繼電器就會(huì)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(cè)試

    在進(jìn)行系統(tǒng)整體測(cè)試之前,首先對(duì)開發(fā)板硬件進(jìn)行測(cè)試,。硬件測(cè)試主要對(duì)硬件制作中是否存在虛焊,、連線是否錯(cuò)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(cè)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(cè)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(wú)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(wú)線信號(hào),。這樣布置的目的是為了檢測(cè)無(wú)線WiFi模塊是否達(dá)到無(wú)線接力功能的要求,。實(shí)際測(cè)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(cè)試結(jié)果如圖5所示,。

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    測(cè)試結(jié)果表明:

    (1)無(wú)線WiFi模塊信號(hào)可以滿足無(wú)線接力傳輸要求,,并且無(wú)線信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定,數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸滿足100 h不間斷測(cè)試,,且網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)最大為5 s,;

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

    (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(wú)線抄表等功能集于一體,方便管理層對(duì)船舶制造業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)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(duì)用電現(xiàn)場(chǎng)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(lái)的研究方向主要是對(duì)每一個(gè)船臺(tái)作業(yè)區(qū)域智能配電樁的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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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