校園能耗管理系統中無線異構數據采集與傳輸系統設計

王曉麗，姜　川，于　躍

(吉林建筑大學電氣與電子信息工程學院，吉林 長春 130118)

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校園能耗管理系統中無線異構數據采集與傳輸系統設計

王曉麗，姜川，于躍

(吉林建筑大學電氣與電子信息工程學院，吉林 長春 130118)

[摘要]設計了一種基于無線傳感器網絡校園能耗監控系統，并給出了多傳感器數據的融合與傳輸技術.通過現代嵌入式開發技術和數據融合技術，實現了多點多數據的采集.采用模塊化程序設計框架使系統運行效率得到提升，系統升級變得更加容易.通過2個無線采集節點進行環境溫度和濕度采集的實驗，證明無線傳感器網絡和有線網絡能正常對接，也說明了程序設計的正確性.

[關鍵詞]能耗監控；無線傳感器網絡；STM32；nRF2401；數據融合

近年來，校園中的數字化電器盒信息通信設施日益增多，如何將這些設備有效地聯系起來并實現信息互聯互通是人們研究的熱點.正是在這樣的需求驅動下，校園網絡應運而生.校園網絡比企業網絡出現的晚，它可以看做是信息高速公路的一條校園分支，在計算機基礎網絡及專用網絡的支持下，校園網絡將各種用電設備和數字設施聯系到一起，為師生提供各種各樣的服務.當然，校園網絡也是整個信息化社會的一個有機組成部分，它覆蓋了整個校園，為其提供各種各樣的智能服務，主要包括數據通信服務、安全服務、能源管理服務等.

校園網能源消耗較大，建設節約型校園網勢在必行.新型校園網絡的能源管理服務需要深入到底層，通過傳感器網絡來實現高效的能源管理.針對這一需求，本文設計了一套基于無線傳感器網絡的校園能源管理無線異構數據采集與傳輸系統.系統的硬件平臺是以Cortex-M3微控制器為異構數據處理系統的核心，通過nRF2401模塊實現能源管理系統的無線通信功能，系統網絡依靠異構數據處理技術將多種傳感器數據統一匯聚至信息中心.無線異構數據采集與傳輸節點可以部署至校園網絡的底層，形成一個更高效的能源管理系統.

1無線異構數據采集與傳輸節點的硬件設計

1.1電路原理圖設計

傳統能耗數據測量系統的工作模式：傳感器感知現場信息并將其轉換成電信號，電信號經過放大、濾波、模數轉換器的采樣、量化、編碼后成為數字信號，數字信號存儲在本地或直接傳輸給處理器.在這樣的模式下，傳感器必須直接和處理器連接，整個感知網絡不能布置到系統的底層，也不能采集多樣化的數據.本文設計了基于無線傳感器網絡的校園能源管理無線異構數據采集與傳輸系統，支持多源異構數據的本地處理和無線傳輸，非常有利于系統底層的多源能耗感知.

系統利用無線收發器nRF2401和Cortex-M3微控制器實現高速無線異構數據傳輸硬件系統.無線異構數據采集與傳輸節點和控制節點的硬件框架見圖1，控制節點電路設計和無線異構數據采集與傳輸節點電路設計見圖2和3.

圖1　系統的硬件框架

nRF2401是一個集成接收、發射器的單芯片解決方案，工作頻率段為全球開放網絡的2.4 GHz頻段，共有125個頻道.nRF2401內置了CRC糾檢錯硬件電路和協議，具有高數據吞吐量，采用GFSK調制時的數據速率高達1 MB/s.nRF2401的發射功率、工作頻道等所有工作參數全部可以通過軟件設置完成[1].nRF2401滿足低功耗設計需求，支持1.9~3.6 V的低電壓供電.每個nRF2401節點可以通過軟件設置最多40位地址，只有收到本機地址時才會通過中斷提示輸出數據；Cortex-M3是一個32位的微控制器內核，僅33 000門的內核性能可以集成許多耦合系統外設.STM32F103VET6包括：基于Cortex-M3內核的32位處理器芯片，該芯片最高工作頻率為72 MHz；內置高速存儲器(512 kB Flash、64 kB RAM)；2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及80個通用IO口.

圖2控制節點電路

圖3　感知節點電路

1.2無線傳輸系統軟件設計

nRF2401有4種工作模式(見表1)，其配置接口主要有CE、PWR、CS、DATA、CLK1，其中CLK1為時鐘輸入接口，DATA為數據接口.

表1　收發模塊的4種工作模式

nRF2401的發射功率、工作頻道及其他參數都可以在初始化過程中進行配置.系統工作之前，必須通過DATA引腳串行輸入120位的配置指令.

nRF2401具備ShockBurst模式和Direct模式，工作在ShockBurst模式下nRF2401自動加載數據頭，并進行CRC等過程[2].由于ShockBurst模式對外部編程要求少，處理器可以盡快地處理其他任務，本文采用了ShockBurst工作模式.系統工作的軟件流程如圖4所示.

圖4　收發模塊發送(A)及接收(B)流程本文系統設計中數據包接收/發送部分核心代碼的實例如下：

數據包接收核心代碼實例

uint8_t nRF24_RXPacket(uint8_t* pBuf，uint8_t RX_PAYLOAD)

{

uint8_t status；

status = nRF24_ReadReg(nRF24_REG_STATUS)；

if (status & nRF24_MASK_RX_DR)

{

if ((status & 0x0E) == 0)

{

nRF24_ReadBuf(nRF24_CMD_R_RX_PAYLOAD，pBuf，RX_PAYLOAD)；

}

nRF24_ReadWrite(nRF24_CMD_FLUSH_RX)；

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_STATUS，status | 0x70)；

return status；

}

nRF24_ReadWrite(nRF24_CMD_FLUSH_RX)；

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_STATUS，status | 0x70)；

return status；

}

數據包發送核心代碼實例

uint8_t nRF24_TXPacket(uint8_t * pBuf，uint8_t TX_PAYLOAD)

{

uint8_t status；

CE_L()；

nRF24_WriteBuf(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_TX_ADDR，nRF24_TX_addr，nRF24_TX_ADDR_WIDTH)；

nRF24_WriteBuf(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_RX_ADDR_P0，nRF24_RX_addr，nRF24_RX_ADDR_WIDTH)；

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_EN_AA，0x01)；

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_SETUP_RETR，0x1A)；

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_RF_CH，0x6E)；

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_RF_SETUP，0x07)；

nRF24_WriteBuf(nRF24_CMD_W_TX_PAYLOAD，pBuf，TX_PAYLOAD)；

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_CONFIG，0x0E)；

CE_H()；

CE_L()；

status = nRF24_ReadReg(nRF24_REG_STATUS)；

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_WREG | nRF24_REG_STATUS，status | 0x70)；

if (status & nRF24_MASK_MAX_RT)

{

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_FLUSH_TX，0xFF)；

return nRF24_MASK_MAX_RT；

}；

if (status & nRF24_MASK_TX_DS)

{

nRF24_RWReg(nRF24_CMD_FLUSH_TX，0xFF)；

return nRF24_MASK_TX_DS；

}

return status；

2校園能源管理系統中的異構數據處理技術

傳感器必須直接和處理器連接，整個感知網絡不能部署到系統的底層，也不能采集多樣化的數據.本文通過無線傳感器網絡技術解決了感知網絡不能部署到系統底層的問題.若系統可以采集到更加豐富的多源數據，能源管理效益必將提升[3].為了獲取多源信息，校園能源管理無線異構數據采集和傳輸系統中的數據采集與傳輸節點配備多個不同的傳感器，不同位置的傳感器節點也配備不同的傳感器.

2.1異構數據處理單元的軟件結構

根據軟件與硬件的相關程度以及軟件所承擔的功能，系統把Cortex-M3的軟件體系結構自下向上分為嵌入式核心代碼、多源異構數據處理中間件、信息傳輸核心代碼共3層.在軟件體系結構中，這3層代碼共同構成一個通用的軟件平臺，這是軟件體系結構的核心內容[4].其目的是為實現多源傳感器數據從有差別結構向無差別結構的轉換.采用的是組件設計形式，組件間通信由嵌入式提供的邏輯“軟件總線”來完成，定制符合用戶需求的傳感器數據格式，不同的數據格式在平臺上可以實現動態加載、卸載[5].

根據應用程序需要實現的具體通信功能的內容，可以把應用程序分為傳感器群信息資源、網絡信息資源和輸入輸出資源.這些資源必須提供核心框架所規定的通用接口，可以被軟件平臺加載、運行、配置和卸載，同時，這些資源的內容可以隨著傳感器數據的不同而有所變化，從而實現資源的可裁剪、可擴充性[6].

2.2異構數據處理技術

異構數據協同處理技術將不同來源、格式的數據在邏輯上或物理上進行整合、封裝、處理，提供一個統一的數據通信接口，屏蔽底層數據的差異，從而使信息傳輸系統不必再考慮底層數據模型、數據格式等因素[7].多源數據傳感器群的異構數據處理發生在多個代碼行處理單元中，每個處理單元分擔一個程序或計算任務，實現異構數據的協同處理(見表2—5).

表2　溫度傳感器數據格式

表3　濕度傳感器數據格式

表4　光度傳感器數據格式

表5　融合數據格式

3系統的運行效果

系統硬件平臺分為主機和從機2個部分.主機包括嵌入式處理器、無線收發模塊、有線通訊模塊以及LCD顯示.從機包括嵌入式處理器、傳感器、無線收發模塊、OLED.從機板卡采集數據后，首先將傳感器數據打包，然后通過無線網絡發送至主機板卡，主機板卡通過有線網絡將傳感器數據包發送至上位機.

我們對該系統進行了實驗，實驗過程如下：

(1)主機、從機復位上電；

(2)溫度、濕度傳感器檢測室內溫度、濕度，從機顯示屏顯示當前信息(溫度為23℃，相對濕度為55%)；

(3)無線傳輸模塊將測試結果上傳至主機；

(4)主機通過以太網接口，將測得數據上傳至上位機.圖5為上位機顯示界面，顯示當前的溫度和濕度信息.

圖5　上位機顯示界面

4結語

以nRF2401無線收發器和Cortex-M3微控制器為核心的無線能耗監控網絡具備電路連接簡單、性能強大等優點.在無線能耗監控網絡中，各節點采集環境數據后進行統一打包封裝，將多源數據統一成一個通用的數據格式，并通過無線傳感器網絡和有線以太網網絡將多源數據傳輸給上位機.系統增加了采集與監控的范圍和數據監測種類，可以為能耗管理系統提供強有力的支持.

[參考文獻]

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(責任編輯：石紹慶)

Wirelessheterogeneous data acquisition and transmission system design in campus energy consumption management system

WANG Xiao-li，JIANG Chuan，YU Yue

(School of Electrical and Electronic Information. Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China)

Abstract:In this paper a kind of campus energy consumption monitoring system based on wireless sensor network is introduced for the campus energy consumption monitoring system. It illustrates the system hardware and software design and proposes multi-sensor data fusion and transmission technology. The multi-point multi-data acquisition by modern embedded development technology and data fusion technology are brought on. Modular programming framework used in system improves the efficiency of system operation and makes system update more easily. According to design，environment temperature and humidity acquisition experiments are carried out by two wireless acquisition nodes，which prove that the wireless sensor network and wired network can dock normally and also shows the accuracy of the design method.

Keywords:energy consumption monitoring，wireless sensor network，STM32；nRF2401；data fusion

[中圖分類號]TP 393.11[學科代碼]520·20

[文獻標志碼]A

[作者簡介]王曉麗(1962—)，女，教授，主要從事智能建筑自動化技術研究.

[基金項目]吉林省科技支撐計劃項目(20130206084SF).

[收稿日期]2015-03-05

[文章編號]1000-1832(2016)01-0060-05

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.01.014