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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)相關(guān)處理之后通過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)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。

    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(guò)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(guò)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(guò)SPI反饋到主控制器STM32F407ZET6。STM32F407ZET6判斷卡號(hào)合法后，通過(guò)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(guò)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(guò)相關(guān)處理之后，通過(guò)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(guò)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。

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(guò)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(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(wèn)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(guò)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(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(guò)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(wèn)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(guò)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。

    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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