节能树

程佳琪

摘要：外形为“节能树”的待机状态监测与控制系统，寓意“多源节能，智能环保”。本文详细分析了无线收发模块的原理，通过改造无线发射模块结构，改变收发装置的触发模式，使新功能引脚收发信号，并做出相应动作，实现自动通断待机电路。系统设置了控制驱动模块，加以精确识别并显示出触摸点所在的坐标，完成LCD显示屏计算并显示信息，处理A/D转换结果。太阳能市电互补发电板，引进了先进的市电互补切换功能，通过使用微处理器和专用控制算法，实现智能控制。

关键词：待机检测；无线控制；节能环保；智能家居

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）52-0001-02

节能树收集节约的待机电能，并将之投入其他用电设备中，契合国家倡导的“减量化、再利用”先进资源循环利用的目标。本设计利用太阳能电池板进行光伏发电，不仅实现了发电设备体积小，安装方便的特点，更作为一种理想的可再生能源发电技术得以利用，对于可持续发展、节能减排等各种社会措施具有重要的研究价值。在感知和识别涓电流、采集和捕获待机状态等信息上，运用了物联网感知层方面的相关知识。不仅突破了用电设备的传统单一节能模式，还实现了用电设备的远程监控，顺应了当前物联网发展的大趋势，具有广阔的市场前景。

一、节能树的工作原理

太阳能电源模块作为装置第一能量来源，主要实现光电转化，并通过内部的电力变换等装置实现升降压转换，将光伏电池产生的电能，合理利用于51单片机信号处理与传输部分；涓电流检测模块主要检测室内待机装置的电流，并通过无线收发器将待机电源电流信号来源发送给单片机，单片机通过系统内已编制好的C语言程序，对所接收信号进行相应处理，并将有效控制信号再次通过无线收发器发送给控制模块，由该控制模块对与之相连的电器对象进行自动开关控制；TS液晶显示屏主要用来显示电器待机状态、节约电能、供电电能，以及时间等信息，用户可通过简单方便的触屏方式，来实现人性化的人机信息交流。

二、节能树的模块

1.待机电流检测模块。电流的测量可以采用电流互感器和霍尔元件的霍尔效应来测量电器中通过的电流。在本试验中，我们采用ACS712电流传感器对电流进行测量，将交流电流转化为模拟的电压输出形式，然后对模拟电压进行AD转转换即可很方便地测量测量出电路中的交流电流值。可以测量交流电流正负5A电流，输出为电压为185mV/A，当电流输入时，所产生的电压与输入电流有很好的线性性质，应用时误差较小，使用时也很简单。因此可采用ACS712设计本实验的电流测量模块。硬件电路设计中，检测模块负责检测负载输入端口不同状态下的电压波形，并将采样到的波形数据送入后级放大电路，经过放大后的波形数据交由比较电路和单片机进行分析处理。比较电路负责对采样到的待机波形和工作波形进行对比判断，使节能树发出的无线信号，向插座继续发送无线信号命令，使之能够完成自动关断功能的关键电路。

2.无线收发模块。A/D转换器将模拟信号转换成数字信号后，传送给单片机，单片机将接收到的信后经过处理后，通过串行通讯接口传输到无线数据通讯模块的发射端，再经过调制后发射到接收端，接收端接收后进行数据处理。从插座的四个插口模块的引线连接无线发射模块，当待机电器所插开关处发出的涓流待机高电平信号触发无线发射模块后，被树模内部的无线接收装置接收，几乎与此同时，节能树的果实内部小灯点亮，提示用户此时有电器待机。同时，信号被分配给单片机，单片机携带信号经过数据处理，将有效的待机信号传送给TS液晶显示板。经简单地计算和A/D转换后，用户可在显示屏上直接触屏式选择是否完全断开电源，经选择后过滤出的有效信号，继续传送到同样与TS液晶显示板内的单片机相连的无线发射模块，并由此将最终信号无线反馈给插口引线端，从而，引线上的无线接收器收到信号，作出相应动作，实现自动通断待机电路。

3.单片机最小系统及时间模块。①单片机最小系统模块。本部分以无线收发器为载体，实现信号在总指挥站“节能树”和目标家用电器之间的传输。借用普通的家电遥控器，即可实现单片机控制模块的启动。而太阳能电池板将为此单片机供电，为防止天气不好的状况，为它配备了备用的电源。②时间模块。选用“1302时钟模块”，附于单片机内部结构。用VC做出简单的上位串口通信语言，收集待机信号的时间数据时使用，通过单片机软件编程来实现功率计算。

4.TS触摸式液晶显示模块。迪文Mini DGUS屏的所有参数设置和数据下载，只能通过SD接口来完成。支持SD或SDHC两种SD卡格式。采用异步、全双工串口（UART），串口模式为8n1（51单片机的MOD1，9bit UART），即每个数据传送采用10个位：1个起始位，8个数据位，1个停止位。串口波特率则通过SD卡来配置。通过串口发送正确的密码到正确的存储空间位置，SD卡将被激活一次。本系统设置的帧头为（0xA55A），即A5 5A 0B 82 60 00 31 32 33 34 35 36 37 38，重启SD卡。

5.太阳能市电互补电源模块。该模块具有先进的市电互补切换功能。它采用市电单独给负载供电，而非市电直接加到蓄电池上的接入方式，可减小市电对蓄电池和市电电源造成的损坏，能有效减少市电电源功率配置。同时，具有市电检测功能，当有市电时，蓄电池电压下降到市电切换电压点时自动切换到市电供电，无市电时，蓄电池持续放电到过放点后关闭输出。

6.系统软件设计。系统软件流程图如下图1所示。

三、节能树的创新与特色

1.智能检测性。用电器插头处设有电流传感器，采集电流，通过比较波形，检测出涓流待机电流，“节能树”的果实部会以点亮小灯的形式提醒用户，做到人机交流，实现对任意电器待机的智能检测。

2.无线自动化操控性。通过用户自我识别树上“果实”是否点亮，判断待机设备存在与否，并通过触摸显示屏上的开关直接关闭。需要使用电器时，在同一位置打开开关即可。

3.TS触屏式控制。本文的触摸屏在控制器的作用下完成了触摸坐标信息采集及A/D转换，并将处理后的信息送到控制器中，实现了信息交互功能。

4.环保性。利用先进的太阳能、市电互补切换技术供电；也可把待机耗费的电能按计量搜集，利用到其他家用电器供电上，巧妙地运用了经典的“能量转换定律”，达到零排放和安全无伤害的目的。

四、节能树的雏形

五、结论

本系统极大地减少了用电设备的不必要消耗量，同时提高了电力系统的现代化管理水平，有很好的社会效益和经济效益，做到能量高效合理利用。但在运行中也发现了一些问题，如太阳能发电与市电进行转换时，有时出现故障，我们的团队预计将本系统升级开发至远程Java触屏控制，使之实现更便捷的操作。

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