公共場所節能監控系統之主站點設計

淮安信息職業技術學院電子工程學院 周麗紅 徐江海

公共場所節能監控系統之主站點設計

淮安信息職業技術學院電子工程學院 周麗紅 徐江海

公共場所節能監控系統能自動檢測各個房間用電設備的工作情況，監測房間是否有人，在沒有人或人已離開時，自動切斷照明燈、風扇、空調等電器設備供電，減少電能的浪費。系統主要包括三部分，主站點、從站點及系統監控界面。分布式節能監控系統的主站點的主要功能是獲取各個從站點的信息，再將這些信息傳送至監控中心的電腦，論文主要完成主站點硬件電路設計、電力載波通信接口，編寫軟件程序，實現監控主機、主站點和各個從站點間的信息傳送。

監控系統；主站點；電力載波；節能

0　引言

學校、政府機構等公共場所，存在著浪費能源現象，為節約能源，減少碳排放，設計節能監控系統，該系統能自動檢測各個房間用電設備的工作情況，監測房間是否有人，在沒有人或人已離開時，自動切斷照明燈、風扇、空調等電器設備供電，減少電能的浪費，達到開源節流的目的。本系統包括三部分，主站點、從站點及系統監控界面。從站點對各房間用電設備進行監控，同時把相應信息通過電力載波傳送給主站點，主站點將接收的信息傳送給監控的電腦，在監控電腦上實時顯示各從站點信息［1］。本論文設計其中的主站點。

1　監控系統主站點硬件方案

分布式節能監控系統主站點的主要功能是獲取各個從站點的信息，再將這些信息傳送至監控中心的電腦，硬件系統如圖1所示。主要包括STC12C5A08S2單片機構成的單片機最小系統、與監控主機通信的電平轉換接口電路、與分站點通信的電力載波模塊接口電路。

圖1　主站點的硬件系統

2　硬件電路設計

論文主要內容是主站點與監控電腦主機和各從站點間的通信，通信接口電路的設計是重點。由于主站點要分別與監控電腦主機和從站點間進行數據交換，需要兩路串行通信接口。選擇具有兩個串口的STC12C5A08S2單片機，分別實現兩路串行通信［2］。

2.1單片機最小硬件系統

STC12C5A08S2單片機最小硬件系統如圖2所示，采用上電復位電路，因為系統的主要功能是信息串行通信，為便于設置串行通信的波特率，系統晶振采用11.0592MHz［3］。

圖2　STC12C5A08S2最小硬件系統

圖3為采用MAX232芯片構成的RS-232電平轉換接口電路。用于實現主站點與監控主機間數據通信接口。同時圖3也是STC12C5A08S2單片機ISP接口，通過該接口可以將應用程序直接下載到單片機中，無需使用編程器下載程序。

圖3　RS-232電平轉換接口電路

2.3BWP09電力載波接口電路

主站點與從站點之間通過電力載波進行通信，本項目選擇電力載波模塊BWP09，BWP09模塊與單片機系統的連接如圖4所示，將模塊的數據發送端、接收端與單片機的串口交叉對接，通過A、G引腳外接的耦合線圈和隔離高壓電容，將含有信息的載波信號傳輸到電網，也接收電網的載波信號，經BWP09解調后送給單片機進行處理。串口用STC12C5A08S2單片機的第二串口，即P1.2（RXD2）、P1.3（TXD2），每一個從站點也有這樣的通信接口，就可以和主站點一起構成基于電力載波通信的主從分布式監控系統［4］。

圖4　BWP09電力載波通信接口電路

3　軟件設計

3.1多機通信

串口2的多機通信原理與串口1的原理是相同的，利用S2SM2多機通信選擇位，結合串口工作在方式2或方式3，實現多機通信。單片機芯片構成的多機通信一般都采用主從式，通信只在主機和從機之間進行，從機間不能直接進行通信。并且整個系統的通信過程完全由主機控制，主機尋址到某個從機，從機才和主機進行通信。

單片機構成的多機通信的連接電路如圖5所示。所有從機的TXD端連在一起，接到主機的RXD 端。所有從機的RXD端連在一起接到主機的TXD端。本課題的多機通信是指單片機串口通過電力載波模塊BWP09，然后通過電網構成通信系統，雖然經過了載波模塊，單片機間的通信機理還是相同的，只是通過BWP09對信息進行了調制和解調，使信息傳遞到更遠距離，并且通過電網傳輸，不需要另外的通信線路［5］。

圖5　多機通信連接電路

主機發給從機的通信內容分為兩類：地址、數據（命令）。地址信息是發給所有從機的，數據只能發給被尋址的從機。51系列單片機的多機通信，利用串行口控制寄存器SCON的多機控制選擇位SM2，讓串行口工作在方式2或方式3，利用發送的第9位數據TB8表示地址信息還是數據信息，TB8=1，表示發送的是地址，TB8=0，表示發送的是數據信息。SM2=1時，從機只能接收主機發送的地址信息（TB8=1），對數據信息（TB8=0）忽略，而在SM2=0時可以接收所有信息。利用SM2的特性，并將所有從機設置為SM2=1，主機首先發送地址信息（TB8=1），所有的從機都能接收，從機在接收到地址信息后和自己的地址編號比較，如果一致，將自身的SM2位清0，為接收數據信息做好準備，并將自己的地址編號作為數據信息發給主機，如果接收的地址信息與自身的地址編號不一致，則不做任何處理。主機在接收到從機的回復地址信息后，再發送數據信息（TB8=0），這時只有SM2=0的從機才能接收，其它從機都不接收，實現主機和某一從機的通信。在通信結束后從機再將自身的SM2置為1，等待主機的下一次尋址［6］。通信過程可以分為以下幾步：

（1）主機的SM2置為0，所有從機初始化時置SM2=1，只能接收主機的地址信息（TB8=1）。

（2）主機發送地址信息（TB8=1）。

（3）所有從機接收地址信息后，與自身地址編號比較，一致將自身的SM2清為0，并回發地址編號（TB8=0），不一致，不做任何處理。

（4）主機接收從機的回復地址，確認已尋址到從機，然后發送數據信息（TB8=0），只有指定的從機（SM2=0）能接收；如果等待接收回復地址超時，可重新發送前面地址信息或尋址其它從機。

（5）被尋址的從機與主機通信完畢，將SM2重新置為1，回復初始狀態。

系統使用串口2，上述多機通信控制的寄存器使用的S2CON及其中的控制位。由于在本系統應用中，主站點只是把各從站點的信息收集起來，送給監控主機，因此在與從站點的通信中，只有地址信息，沒有數據（命令）信息，多機通信過程可以簡化。主站點只發送從站的地址編碼，然后等待被尋址到的從站點發送數據（超時退出等待），接收完畢后尋址下一個站點［7］。

為保證通信的可靠和有條不紊，主站與從站按以下通信協議操作：

（1）從站點的地址編號為01H～FH。

（2）主機的S2SM2置為0，可以接收從站點的所有信息。發送地址信息時，S2TB8=1，使所有從站點都能接收地址信息。

（3）所有從站點的SM2置為1，可以接收主機的地址信息（S2TB8=1），從機發送自己信息時，使TB8=0，只有主機能接收，其他從站點不能接收。

（4）被尋址到的從站點依次向主機發送4個字節的信息：從站點地址、從站點開關狀態、從站點用到設備狀態、從站點有無人員工作狀態。從站發送數據格式及規定如下：

從站地址，開關狀態，設備狀態，人員狀態。

從站地址：1～255。

開關狀態：8位二進制數，代表8個開關狀態，1開關閉合，0開關斷開。

設備狀態：8位二進制數，代表8個設備，1電器設備通電工作，0設備斷電不工作。

人員狀態：55H代表有人，AAH代表無人狀態。

3.2串口2初始化設置

主站點與從站點之間是通過電力載波模塊實現通信，由于BWP09的波特率是9600 BPS，需要將單片機串口2的波特率也設置為9600BPS。

由于串口2只使用獨立波特率發生器進行通信，串口2的初始化化程序如下：

#include“stc.h”

S2CON=0xD0； //串口2方式3允許接收

BRT=0xfd； //獨立波特率9600

AUXR=0x10； //允許獨立波特率工作，不加倍，12時鐘周期計數一次

AUXR1=0； //串口2在P1口

IP2H=0； /

IP2=0； //串口優先級設為0級

IE2=0x01； //允許串口2中斷

EA=1； //中斷允許

3.3主站點與監控主機間通信

主站點與監控主機間通信比較簡單，主站點接收到從站點信息，立即通過串口1發送給監控主機。串口1的波特率也設置為9600BPS［8］，串口1的初始化程序如下：

#include“stc.h”

SCON=0x40； //方式1 不允許接收

TMOD=0x20； //T1方式2

TH1=0xfd；

TL1=0xfd； //波特率9600

TR1=1； //

3.4主站點程序設計

主站點程序設計思路，主站點依次從1至255向從站點發送尋址信息，然后等待從站發送信息，同時開始延時計時，在設定時間內沒有收到從站點信息，則停止等待，進行下一從站的尋址。收到從站信息，停止延時計時，進行下一從站的尋址。收到從站信息，立即通過串口1發送給監控主機。程序框圖如圖6所示。

圖6　主站程序框圖

4　結束語

系統主要是利用單片機STC12C5A08S2、電力載波模塊BWP09及軟件LABVIEW設計了公共場所節能監控系統，利用現有的電力線傳輸數據而無需外加傳輸線路也不占用現有的通信資源，具有造價低廉、安裝簡單、傳輸線路廣泛等優點［9］。

［1］張艷雯.教室照明的經濟分析及節能措施［J］.岳陽師范學院學報：自然科學版，2001（2）：73-75.

［2］王海倫，葉冬芬.基于單片機控制的教室照明智能控制系統［J］.機電一體化，2005（1）：69-70.

［3］黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程［M］.北京：清華大學出版社，2008，1：101-102.

［4］胥和平，茍皓東.基于電力載波技術的智能化路燈控制系統［J］.電工技術，2010（2）：100-102.

［5］關學忠，遷華斐，孫麗玲等.基于電力載波芯片的家電控制系統設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010，9：77-79.

［6］閆振寧，于會山，宋審宇等.基于電力載波技術的智能化路燈控制系統［J］.微計算機信息，2010，10：50-52.

［7］姜亞南，楊帥，魏天勇.基于電力線通信技術的城市路燈節能監控系統［J］.水電能源科學，2011，1：77-80.

［8］朱樹先，高涵文，朱學莉.基于無線通信模式的照明節能監控系統研究［J］.照明工程學報，2013，3：80-82.

［9］鄧鵬.基于物聯網的校園節能監控系統的研究［J］.湖南工業大學，2013.2：85-87.

徐江海，男，碩士研究生，副教授/高工，主要研究方向：智能控制。

The design of the main site of the energy conservation monitoring system in public places

Zhou Lihong Xu Janghai
（Huai college of Information Technology Jiangsu Huaian ，223003，China）

Energy-saving monitoring system of public places can automatically detect each room with the working condition of the electric equipment，monitoring room if anyone，no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-，monitoring room if anyone，no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-monitoring room if anyone，no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-，no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-no people or people who have left，automatically cut off the lights，fans，air con-，automatically cut off the lights，fans，air con-automatically cut off the lights，fans，air con-，fans，air con-fans，air con-，air con-air con-ditioners and other electrical equipment power supply，reduce energy waste.The system mainly consists of three parts，the main site，from the site and the system monitoring interface.Energy-saving monitoring system of distributed main site main function is to obtain all the information from the site，and then transmit the information to the monitoring center computer.The main hard-，and then transmit the information to the monitoring center computer.The main hard-and then transmit the information to the monitoring center computer.The main hard-ware circuit design of master station，power line carrier communication interface，software programming，monitoring host，the pri-，power line carrier communication interface，software programming，monitoring host，the pri-power line carrier communication interface，software programming，monitoring host，the pri-，software programming，monitoring host，the pri-software programming，monitoring host，the pri-，monitoring host，the pri-monitoring host，the pri-，the pri-the pri-mary site and all information from the inter site was transferred.

monitoring system；Main site；Power carrier；Energy-saving

周麗紅（1975—），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：智能控制。