0 引言

    船舶制造業(yè)屬于高電耗型產(chǎn)業(yè)，據(jù)統(tǒng)計我國船舶制造業(yè)電力費用支出占據(jù)總能耗費用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，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)備運行的浪費現(xiàn)狀。同時，由于無法精確計量各個船臺施工現(xiàn)場用電量，管理層無法抓住能耗漏洞，從而制定嚴格的能效考核指標實行精細化管理，造成我國船舶制造業(yè)電耗過高，浪費嚴重。所以對于輔助管理層精細化用電管理，杜絕現(xiàn)場施工人員用電陋習(xí)，減少電量浪費是十分必要的。

    本文結(jié)合實際情況，設(shè)計了一種可以實現(xiàn)用電量實時采集、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現(xiàn)用電終端通斷電控制，并對計量表的用電數(shù)據(jù)進行采集，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化管理、減少能耗具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    因為船舶制造業(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、藍牙、ZigBee、3G/4G等無線通信方式都可以實現(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）、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算機、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。計算機實現(xiàn)現(xiàn)場用電信息的展示；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實現(xiàn)對不同編號的智能配電樁用電信息的分類、分項和存儲；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?shù)貢r間，以保證時間的同步性。當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)字化計量表通信進行用電數(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)進入低功耗工作模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)。在進行軟件調(diào)試時，可以采用JTAG調(diào)試接口，將標準的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

    無線通信模塊是實現(xiàn)與遠程服務(wù)器建立無線連接的核心，實現(xiàn)智能配電樁用戶信息和計量表數(shù)據(jù)的無線傳輸。本設(shè)計采用RM04芯片，它是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標準的嵌入式模塊，內(nèi)置無線IEEE 802.11n、IEEE 802.11g，有線標準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安全機制，64/128/152 bit WEP加密，最高傳輸速率可達50 000 b/s，無線傳輸距離最遠可達200 m。同時RM04具有不同的運行模式，系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，所以適用于傳輸距離遠、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簽進行通信。在等待模式下，有上電、休眠、睡眠和標簽檢測4種狀態(tài)^[7-9]。本設(shè)計中的RFID模塊是基于ISO/IEC 1809標準協(xié)議，使用SPI與STM32F407ZET6進行數(shù)據(jù)通信，與電子標簽的通信通過脈沖位置調(diào)劑編碼和副載波負載調(diào)劑實現(xiàn)。CR95HR射頻模塊電路圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

3.1 人機界面軟件設(shè)計

    人機界面軟件設(shè)計采用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蟆⒎盒途幊痰奶攸c。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^[10]，使其成為Java開發(fā)人員運用最廣泛的集成開發(fā)環(huán)境之一。本設(shè)計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

    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、計量表數(shù)據(jù)采集及解析程序、通信程序、底層時間校驗、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，以高精度晶體振蕩器為時鐘源。系統(tǒng)初始化完成后會進入正常工作模式，首先接收到服務(wù)器發(fā)送的時間進行時間校驗，RFID模塊將檢測到的身份信息卡卡號發(fā)送到STM32F407ZET6進行預(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。當電源導(dǎo)通后，采集計量表數(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卡進行存儲，等待下一次通信成功，會將實時數(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)計是為了方便統(tǒng)計不同施工隊的用電數(shù)據(jù)信息以及減少不必要的電量浪費。

4 系統(tǒng)測試

    在進行系統(tǒng)整體測試之前，首先對開發(fā)板硬件進行測試。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模塊是否達到無線接力功能的要求。實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確，能及時為控制器提供是否閉合繼電器的信號；

    (3)計算機獲得的智能配電樁系統(tǒng)用電數(shù)據(jù)信息準確，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

    本設(shè)計將刷卡取電、用電計量、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)的運用能加強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)進行對比分析，運用數(shù)據(jù)挖掘方法，為管理層探索出一系列能效考核指標，進一步加強用電管理，減少能耗成本。

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