自动节能控制系统的实现

陈美君，陈惠桐

CHEN Mei-jun, CHEN Hui-tong

（金陵科技学院 信息技术学院，南京 211169）

0 引言

目前，物联网被誉为继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，将引导下一次技术革命。

物联网定义：如果仅仅是从技术本身来理解物联网，它可以看成是传感网（包括但决不仅限于RFID）和泛在网的结合。从社会经济的战略发展角度来看，物联网更多的是对一种新型态的技术与技术应用、产品与服务、产业与消费市场的综合称谓，是“智慧地球”和“感知中国”战略的核心，是通过各种传感技术手段，自动采集并初步处理人们生产和生活相关的关键数据，并实时将数据通过各种方法传输到相关的对象，从而可以对数据进行计算、运用[1]。

本文重点从应用网络方面介绍我们设计的一款支持GSM/GPRS/CDMA通讯的专用PLC“物机”原理和数据采集系统原理，利用“物机”提供的专用接口和GSM网络平台庞大的基础设施和覆盖范围，轻松实现与各类传感器的连接，实现“人—物”、“物—物”、 “物—人”之间的信息交流。

1 eNJ-8219 PLC“物机”以及典型配件介绍

瞄准“物联网”的无限想象和发展空间，结合当前实际需要，我们设计了一款支持GSM/GPRS/CDMA通讯的专用PLC“物机”。

所谓“物机”就是利用现有的GSM技术、协议和标准，尤其是GSM网络平台庞大的基础设施和覆盖范围。利用“物机”提供的专用接口实现与各类传感器的连接，实现“人—物”、“物—物”、 “物—人”之间的信息交流。

1.1 eNJ-8219 PLC“物机”（见图1）

1）支持GSM/GPRS/CDMA通讯：根据用户要求可以选配GSM、GPRS或CDMA模块，并支持相应模块具有的通讯功能；任选一种模块都能实现eNJ-8219 PLC输入电源（三相四线）全部失电时的主动报警（短信形式）；

2）支持远程和本地控制，控制方式可实现远程优先或本地优先；本地控制实现时间控制（日历时钟）和事件控制（输入触发）；

3）内部安装了两块超能电池（发明：200810196366.6新型：200820039389.0）分别用于内部时钟芯片工作及停电使用。

4）支持带RS485接口传感器（温湿度、压力、液位等）、检测器（电表、二次仪表）、驱动器接入，能实现远程抄表和监视；

5）具有缺相检测功能，能实现缺相保护（三相电机、三相空调、三相设备）和报警；

6）支持I/O输入，可实现门禁、红外、安全门限装置的接入；

7）支持交流输入，可以实现对功率输出的反馈检测；

8）外型尺寸（长×宽×高）：155×110×64；

9）安装形式：底部导轨式安装。

图1 eNJ-8219 PLC“物机”

图2 典型配件 eNJ-8218-TS检测器

应用领域：

配电柜：路灯照明配电柜，实现远程控制、远程数据采集；景观灯配电柜，实现远程控制、远程数据采集；灯箱广告配电 ，实现远程控制、定时开关灯；大型办公大楼、商业大楼、学校等的智能化配电管理。

水利：泵站：动力电缆的防盗报警，缺相检测及保护；

防汛：区域闸阀门的远程调度，水位数据的动态采集；

环保：环保设备运行状态、排水口水质参数动态采集，实现远程监控；

气象：野外气象观察点的数据自动传输、故障报警；

地震：野外地震观察探头的数据采集、传输、报警；

1.2 典型配件eNJ-8218-TS 检测器（见图2）

eNJ-8218电缆检测器是一款对供电线路进行故障预警和及时报警的设备，设备将被测点的情况，以短信形式通知到监控中心计算机和管理者手机，使管理者响应突发事件的方式由被动变为主动人，赢取更多挽回损失的宝贵时间。

满足功能如下：

1）可群发（支持5个号码）报警中文短信，其中0号位号码（应用于监控中心）发送2；

2）密钥功能，只有密码正确后，才能进行设置工作；

3）拨号巡检功能；

4）具有传感器接入功能；

5）技术参数：

内置GSM 900/1800MHz双频工业模块；

工作电压：AC40V-275V，支持电压跳变，即：DC40V与AC220V相互切换；

短信响应时间：在35～70秒；

通讯接口：RS485；

防护等级：IP65；

工作环境温度：-20℃～+55℃； 湿度：20%～85%。

2 eNJ-8219 PLC“物机”主要原理介绍

2.1 eNJ-8219 PLC“物机”原理框图

图3 eNJ-8219 PLC“物机”原理框图

2.2 eNJ-8219 PLC“物机”原理分析

其中主要有三部分组成：

2.2.1 电源部分

根据现场情况该电源的输入端能够接入交流270V和直流36V的两种电压，经过内部的整流和高频开关方式的稳压完成对模块本身电路的供电和对模块中的高能电池的充放电管理。其中对高能电池的充电电压、电流的判断调整及放电电流的判断控制则是本电源的处理难点。

2.2.2 主控部分

主控模块的核心有工控单片机担当，单片机本身有相当的存储空间和对外交互的接开口，在整个工作过程中单片机有两个工作模式：本地操作模式和远程操作模式。当处于远程模式时，单片机接收无线通信（GSM/GPRS/CDMA）模块送出的指令信息并进行分析，然后输出相应信息指挥执行部件（电动开关、磁饱和继电器、声光报警装置等）做出相应动作，同时又将各种受控部件的状态信息接受下来发送给无线通信模块，使其以短信或拨号的形式发送出去。当处于本地模式时，单片机接受本设备面板操作按钮给出的控制命令并作出相应的分析处理和之行动作，然后将相应信息发送到设备面板的LCD显示屏进行显示。

2.2.3 无线通信部分

无线通信模块利用公众化并以成熟的移动通信网络，以短信或拨号方式接收操作人员和管理人员发出的命令然后通过接口发送给控制模块，同时还能通过接口接受由控制模块发出的设备信息和控制命令，并以短信或拨号的方式发送给操作和管理人员。这里的管理和操作人员发送和接收信息可以通过手机、电话或联网的专用计算机。

3 自动控制的外围模块与电路

3.1 检测外围模块

eNJ-8218-TS 检测器，能对供电线路进行故障预警和及时报警的设备，设备将被测点的情况，以短信形式通知到监控中心计算机和管理者手机，使管理者响应突发事件的方式由被动变为主动人，赢取更多挽回损失的宝贵时间。

框图如下：

图4 eNJ-8218-TS 检测器原理框图

3.2 自动控制的常用硬件电路

3.2.1 感应模块

感应模块根据要感应和控制的参数决定，如非接触环境的温度测量可以用热电堆红外测温传感器，它直接感应热辐射，不需要机械地接触被测物体而快速测得温度读数，为非接触温度测量提供较好的解决方案，能可靠地测量热的、危险的或难以接触的物体，而不会污染或损坏被测物体。它一般由硅基微机械技术保证了它的极好的长期稳定性，非常低的温度灵敏系数,极好的光电特性，价格也不太高，它不需要冷却，但在整个温度测量范围内能达到±1℃的精度。

如要感应和控制的参数是较大电流的变化，则可以用闭环霍尔电流传感器测量，利用霍尔器件为核心敏感元件隔离检测电流磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此可利用霍尔器件测得的输出信号直接反应出导线中的电流大小，可检测出带点导体是否工作正常。

3.2.2 处理和控制模块

处理和控制模块一般由调理模块和嵌入式模块构成。

调理模块往往包含信号放大电路、比较器和延时触发电路等，嵌入式模块可以采用单片机、DSP,ARM等。

图5 一般框图示意图

当感应器检测到信号超过标准时，相应的口会对电平进行判断（本过程也可以通过硬件实现，用模拟开关选择），如：判断I/O口是否为高电平，将P1口的值0X01 相与，再置位相应的数组位。这样将相应的数组通过组合并在程序里判断一下组合值就可以知道哪几路应该执行报警动作。这里的后续驱动电路是数码管显示和语音提示，对于不同路的情况，程序将在对应数组位上赋以对应的值，即选择不同的数据地址，从而使不同的后续电路动作[2]。

3.2.3 驱动后续报警电路（后续报警电路可以接于继电器后）

后续报警电路根据功率的不同接于继电器或模拟开关之后，此处的电路重点要考虑阻抗匹配、延时和后续电路的功率。

图6 驱动后续报警电路（后续报警电路接于继电器后）

典型录放电路（单片机可以选择数据地址，控制发音，如ISD2500语音组合精灵板）

图7 ISD2500语音组合精灵板原理图

4 “物机”的典型应——校园水电资源的合理分配和控制

4.1 设计背景

长期以来，我国学校用水电模式基本上是对校办公区和学生公寓普遍实施免费用水电量供应，即“大包大揽，统收统支”。具体讲就是，学校所有用水电费用均由学校支付，校内各单位、个人用电随意性大，这是一种被动的管理模式，学校只能在每月月末才能知道全校的用水用电状况，而且由于校园面积大，所涉及的个人和部门多，漏电、偷电、超负荷用电时有发生，从而造成学校用电量大增，负担极重，学校财产和资源在无形中流失极大。

随着学校的现代化和信息化的建设的深入，各学校的用电设备每年都呈数量级的增长，这也无形中加大了学校用水用电费用的负担。

图8 系统示意图

党中央已经把节约资源提到了一定记事日程，建设节约型学校也具有非常重要的现实意义和深远的历史意义。

4.2 设计要求

对校园辖区水电资源的合理分配和控制，综合最新的无线通信技术、计算机网络技术、现代总线技术、工业自动化控制技术、软件技术等推出的校园能源管理系统，不仅实现照明用电时的节电，而且为学校水电管理提供了高效的自动智能化管理途径和手段，采用技术手段能大大提升学校在水电管理方面的效率，尤其是学校卫生间的到位管理对提高学校整体形象会有非常显著的效果。通过管理型节约和技术型节约两个途径实现“建设节约型校园”的目标。

4.3 校园节能管理系构成

4.3.1 系统示意图

4.3.2 系统主要组成

系统三大组成：中央控制单元（CTU），二级控制单元（MCU）（楼控单元），远程控制单元（RTU）

1）中央控制单元（CCU）

安装在校园管理中心内，由管理计算机、无线通讯模块和中央控制台组成，是管理人员与本系统直接交流的部分。中央控制单元（CCU）采集远程控制单元（RTU）通过二级控制单元（MCU）传输上来的信息状态，进行汇总、整理后提供给用电管理者决策使用；同时用电管理者可以命令中央控制单元（CCU）自动或者手动形成对远程控制单元（RTU）进行控制的命令，这一命令经过二级控制单元（MCU）传输到指定的远程控制单元（RTU），由远程控制单元（RTU）实现相应的控制操作。

2）二级控制单元

二级控制单元（MCU）安装在每栋楼的总配线箱附近，通过现场总线将本栋楼内的远程控制单元（RTU）连接起来，通过无线方式与中央控制单元（CCU）所在楼的二级控制单元（MCU）连接，为中央控制单元（CCU）与系统内任意远程控制单元（RTU）之间建立稳定可靠的数据传输通道。

3）远程控制单元 （RTU）

远程控制单元安装在受控对象的前端，受控对象包含教室、办公室、实验室、卫生间。

4）典型设备配置

表1 典型设备配置

4.4 系统已经达到的功能

系统采用了现场总线技术，可根据用户要求灵活配置受控对象，受控对象的数目无限制。系统具有手动和自动控制方式，在手动方式下，管理者可以指定任意受控对象进行操作；在自动方式下，系统能根据管理者制定的时间表进行自动控制，从而减轻管理者日常维护的劳动强度。系统具有自动巡检功能，如发现异常，不仅可以准确定位，还能通过多种方式（如：电话、短信等）通知管理者。管理者也可以通过电话或手机短信进行远程遥控控制。

具体控制对象：房间（如：教室、办公室、实验室等）或用电设备（如：照明、空调、电热水器、多媒体设备、电视等、用水设备（如：卫生间水箱、洗手池等）；其它设备（如 :电铃、广播、巡更、报警等）。

具体控制内容：能实现电和水的控制和管理，使节水、节电等与能源管理系统融为一体如定时开关灯，由感应数据确认后续设备动作，系统故障时各受控对象能自动恢复到正常供电，保证教学和科研工作的正常进行。系统具有防过载和漏电的功能，确保人生和设备安全。

本方案适用：调整探测器和后续动作设备，本系统可以移植到任意辖区的自动化节能和控制系统。

该系统已经在我校的校园自动节能控制系统中工作良好，实现了配电柜的远程控制，如定时开关灯，数据采集等智能化配电管理，调整探测器和后续动作设备，本系统可以移植到任意辖区的自动化节能和控制系统。实际应用中，系统的成本不高，控制相对简单和稳定，在自动控制系统的工程应用中具有实际意义。

但考虑“物机”的应用环境非常恶劣，目前的电池不能满足“物机”，真正“超能电池”的配套尚有待研究。

[1]王俊峰,等.物联网:新一轮技术革命带来爆发性机会[J].当代社科视野,2009,10.

[2]吴金茂,等.8051单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.