嵌入式多設備節能控制系統設計與實現

申玉霞+郝小會

摘 要： 針對傳統的嵌入式設備節能控制系統無法實現高效節能的問題，設計并實現嵌入式多設備節能控制系統，其由應用端、輸出端和控制端組成。應用端對嵌入式設備信息進行監控和分析，獲取到監控結果和分析結果并傳輸到終端。終端的網關服務器利用TCP/IP協議對監控結果和分析結果進行接收，通過RS 485總線將這些信息傳輸到控制端。控制端對終端傳輸來的監控結果和分析結果進行接收和控制，根據線路和環境信息特點制定嵌入式設備的節能控制指令。仿真實驗證明，所設計的系統節能效果較高。

關鍵詞： 嵌入式設備； 多設備； 節能控制系統； 系統設計

中圖分類號： TN245?34； TM92 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0173?03

Design and implementation of embedded multi?device energy?saving control system

SHEN Yuxia， HAO Xiaohui

（Jiyuan Vocational and Technical College， Jiyuan 459000， China）

Abstract： Since the traditional embedded device energy?saving control system can't realize the high?efficiency energy saving， an embedded multi?device energy?saving control system was designed and implemented. The system is composed of the application terminal， output terminal and control terminal. The application terminal monitors and analyzes the information of the embedded device， and transmits the monitored results and analyzed results to the system terminal. The gateway server of the system terminal receives the monitored results and analyzed results by means of the TCP/IP protocol， and transmits them to the control terminal through the RS 485 bus. The control terminal receives and controls the monitored results and analyzed results from the system terminal， and formulates the energy?saving control instruction of the embedded device according to the characteristics of circuits and environmental information. The simulation experiment results show that the designed system has high energy?saving effect.

Keywords： embedded device； multi?device； energy?saving control system； system design

0 引 言

嵌入式設備是一種將軟件與硬件有機結合起來進行獨立工作的設備[1?3]，其在人們的日常生活、工作中應用很廣。隨著網絡技術的不斷發展，人們對嵌入式設備的能耗要求也越來越高，節能控制系統隨之出現[4?6] 。傳統的嵌入式設備節能控制系統如下：文獻[7]設計基于監控器的嵌入式設備節能控制系統；文獻[8]基于分布式管理設計嵌入式設備節能控制系統；文獻[9]基于EMS設計嵌入式設備節能控制系統；文獻[10]基于通信協議融合技術設計嵌入式設備節能控制系統，但這些系統維護成本較高，不適合應用于嵌入式設備較多區域的節能。為了克服傳統方法的缺陷，設計并實現了一種新的嵌入式多設備節能控制系統。

1 框架下的嵌入式設備節能控制系統設計

1.1 系統整體架構設計

所設計的框架下嵌入式設備節能控制系統由應用端、終端和控制端組成，如圖1所示。

分析圖1可知，嵌入式多設備節能控制系統的終端主要進行嵌入式設備信息的統計、分析和通信，其核心元件是網關服務器；應用端主要進行嵌入式設備的監控和分析；控制端基于嵌入式理念，應用硬件與軟件相結合的自動控制方式，實現對嵌入式設備的高效節能。

1.2 傳輸端設計

傳輸端是整個嵌入式設備節能控制系統的傳輸核心，其中的網關服務器可通過傳輸控制協議/因特網互聯協議與應用端進行信息互傳，并利用RS 485總線傳輸與控制端相連，是應用端、終端端和控制端的通信“紐帶”，圖2是RS 485總線傳輸串口圖。

分析圖2可知，嵌入式設備信息是經由應用端采集到的，終端利用TCP/IP協議對這些信息進行接收，并經由RS 485總線傳輸串口傳輸到控制端。所設計的RS 485總線傳輸串口經由射頻差分無線傳輸方式與控制端進行半雙全工通信，并利用SN65LB芯片對嵌入式設備信息的監控結果和分析結果的傳輸進行控制。SN65LB芯片能夠實現高達128個嵌入式設備信息的同時傳輸，其傳輸準確率非常高，可間接保障系統節能效果。

1.3 應用端設計

嵌入式設備節能控制系統中，應用端負責對嵌入式設備信息的監控和分析，嵌入式設備信息包括系統線路、設備能耗和設備周邊環境的信息。本文選擇AT91SAM9260處理器作為應用端核心部件，其為基于ARM9單片機的針腳兼容處理器，具有64 MB實時存儲器、2 MB非易失閃存器和128 MB非線性宏單元存儲器，可為嵌入式設備節能控制系統提供加速、總線控制、顯示處理等運算功能，具有強大的編程處理能力，且價格低廉，能夠滿足大眾的消費水平，圖3是AT91SAM9260處理器結構圖。

分析圖3可知，AT91SAM9260處理器擁有3個拓展接口，主要進行計時電路、復位電路和鎖相濾波電路等的連接，也可連接具有特殊功能的管控元件。AT91SAM9260處理器必須進行外接的元件是振蕩器，且需要至少兩個振蕩器進行協同作業。主振蕩器負責嵌入式設備信息處理的整體計時，頻率通常選擇為15 MHz，副振蕩器則負責精細計時，頻率選擇為33 kHz。AT91SAM9260處理器在進行嵌入式設備信息的分析過程中，也將把主振蕩器的計時結果標記到嵌入式設備信息中。

1.4 控制端設計

終端先向控制端發送節能指令，再將應用端的監控結果和分析結果傳輸到控制端，控制端對這些信息進行接收和控制，并根據線路和環境信息特點制定嵌入式設備的節能控制指令。控制端選用的核心控制元件是SG6742MRS控制芯片，該芯片是一種具有基于雙列直插設計的標準操作程序，其額定電壓為30 V，最大工作電流和頻率分別為20 mA和80 kHz，可在[-40 ℃，120 ℃]環境下進行工作，并能夠為所設計的嵌入式設備節能控制系統提供超強的運算能力，圖4是SG6742MRS控制芯片結構圖。

由圖4可知，SG6742MRS控制芯片是嵌入式設備節能控制系統中最重要的部分，其擁有電源電路、串口電路、復位電路、時鐘電路等外圍電路。圖4中給出的外圍電路均是實現系統高效節能設計必不可少的。同時，SG6742MRS控制芯片還設有基于非易失閃存技術監控下的內存卡和指令設計接口。SG6742MRS控制芯片將監控結果和分析結果存儲于內存卡中，利用指令設計接口對內存卡中的數據進行有序調用。

2 框架下的嵌入式設備節能控制系統軟件設計

本文設計的嵌入式設備節能控制系統，對節能控制指令的實施需要經由控制軟件實現，控制軟件是一種在線指令實施網頁，該網頁的設計界面簡單易懂且流程明確，其能夠實現對所需節能場所中所有嵌入式設備進行節能控制，如圖5所示。

分析圖5可知，在線指令實施網頁的界面分為4個模塊。按用戶的使用順序來分：第1模塊可實現嵌入式設備節能控制系統的用戶注冊、登錄和退出；第2模塊可實現嵌入式設備的區域（房間）查詢，用戶也可在此模塊中修改個人信息、學習系統使用方法；第3模塊可實現對所需節能場所中所有嵌入式設備信息進行匯總，由應用端采集到的各類監控信息將在此模塊中進行展示；第4模塊是系統軟件的核心，此模塊將會對控制端給出的嵌入式設備節能控制方案進行展示，用戶可以選擇是否接受該方案，也可在第2模塊的用戶信息中，將節能控制的接受方式改為“自動接受”。在第4模塊中，系統的節能控制成果也可以被用戶實時查看到。

所設計的嵌入式設備節能控制系統對嵌入式設備的控制代碼設計如下：

Mold circumscription architecture _ArcNetFile {

unsigned defineHold[20]；

unsigned defineStatus[5]；

unsigned defineHandle[4]；

unsigned defineUnittype[2]；

unsigned defineFeature[2]；

unsigned defineYardman[10]；

unsigned defineOutputvalue[118]； }

ArcNetFile， *PArcNetFile；

if（REVISE_YES==g_McaMgr.GainFirstMca（m_unHandleControl， pMca， 108））

3 實驗分析

實驗通過對比方式，對本文系統的節能效果進行分析。用于對比的嵌入式設備節能控制系統為基于分布式管理的節能控制系統，以及基于通信協議融合技術的節能控制系統。選擇三臺嵌入式設備作為實驗對象，令三臺設備正常運行48 h并記錄下實際能耗見表1。

利用本文系統、傳統的基于分布式管理的節能控制系統和基于通信協議融合技術的節能控制系統分別作用于三臺實驗對象，并進行48 h的節能控制，實驗結果輸出曲線如圖6所示。

分析圖6可知，本文系統輸出的對三種嵌入式設備節能控制成果曲線，始終位于三個系統曲線的最低位置。說明本文系統的節能效果要明顯高于傳統的基于分布式管理的節能控制系統和基于通信協議融合技術的節能控制系統。由于曲線圖僅能展示出系統的瞬時節能效果，對于整體節能效果的梳理并不清晰，因此，將圖中數據匯總成表進行對比，如表2所示。分析表2中的數據可知，經基于分布式管理的節能控制系統進行節能控制后的嵌入式設備無較大的能耗降低，證明該系統的節能效果不高，在實際應用中使用價值較低；基于通信協議融合技術的節能控制系統的節能控制效果尚可，但不及本文系統的節能控制效果。實驗數據顯示，本文系統幾乎能夠將嵌入式設備的能耗調節到其額定功率下的能耗，證明本文系統擁有較高的節能效果。

表2 節能效果對比表

4 結 語

本文設計并實現了一種嵌入式多設備節能控制系統，仿真實驗證明，所設計的系統節能效果較高。

參考文獻

[1] 周婷婷，楊孝安.節能環保行業融資結構對經營績效的影響[J].西安工程大學學報，2015，29（5）：630?635.

[2] 郭金建，雷鳴意.風光互補發電的節能LED燈控制系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015，15（1）：46?48.

[3] 胡仲邦.嵌入式控制系統在景觀水處理中的應用[J].杭州電子科技大學學報，2014，34（3）：99?102.

[4] 黃曉艷，杜勇前.基于物聯網的分體空調集中控制系統[J].計算機測量與控制，2015，23（8）：2709?2712.

[5] 墨影，陳金燦，梁昕諾.倫茨：為機電一體化升級[J].紡織機械，2015，5（5）：36.

[6] 李鵬，劉旭東，寧福斌.基于無線數據傳輸的嵌入式智能酒店客房控制系統[J].濰坊學院學報，2014，14（2）：29?31.

[7] 鄭曉亮，沈華軍，陸衛國，等.煤礦凍結法鑿井熱交換節能控制系統設計[J].煤炭科學技術，2015，43（6）：97?101.