校园能耗管理系统中无线异构数据采集与传输系统设计

王晓丽，姜　川，于　跃

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，吉林 长春 130118)



校园能耗管理系统中无线异构数据采集与传输系统设计

王晓丽，姜川，于跃

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，吉林 长春 130118)

[摘要]设计了一种基于无线传感器网络校园能耗监控系统，并给出了多传感器数据的融合与传输技术.通过现代嵌入式开发技术和数据融合技术，实现了多点多数据的采集.采用模块化程序设计框架使系统运行效率得到提升，系统升级变得更加容易.通过2个无线采集节点进行环境温度和湿度采集的实验，证明无线传感器网络和有线网络能正常对接，也说明了程序设计的正确性.

[关键词]能耗监控；无线传感器网络；STM32；nRF2401；数据融合

近年来，校园中的数字化电器盒信息通信设施日益增多，如何将这些设备有效地联系起来并实现信息互联互通是人们研究的热点.正是在这样的需求驱动下，校园网络应运而生.校园网络比企业网络出现的晚，它可以看做是信息高速公路的一条校园分支，在计算机基础网络及专用网络的支持下，校园网络将各种用电设备和数字设施联系到一起，为师生提供各种各样的服务.当然，校园网络也是整个信息化社会的一个有机组成部分，它覆盖了整个校园，为其提供各种各样的智能服务，主要包括数据通信服务、安全服务、能源管理服务等.

校园网能源消耗较大，建设节约型校园网势在必行.新型校园网络的能源管理服务需要深入到底层，通过传感器网络来实现高效的能源管理.针对这一需求，本文设计了一套基于无线传感器网络的校园能源管理无线异构数据采集与传输系统.系统的硬件平台是以Cortex-M3微控制器为异构数据处理系统的核心，通过nRF2401模块实现能源管理系统的无线通信功能，系统网络依靠异构数据处理技术将多种传感器数据统一汇聚至信息中心.无线异构数据采集与传输节点可以部署至校园网络的底层，形成一个更高效的能源管理系统.

1无线异构数据采集与传输节点的硬件设计

1.1电路原理图设计

传统能耗数据测量系统的工作模式：传感器感知现场信息并将其转换成电信号，电信号经过放大、滤波、模数转换器的采样、量化、编码后成为数字信号，数字信号存储在本地或直接传输给处理器.在这样的模式下，传感器必须直接和处理器连接，整个感知网络不能布置到系统的底层，也不能采集多样化的数据.本文设计了基于无线传感器网络的校园能源管理无线异构数据采集与传输系统，支持多源异构数据的本地处理和无线传输，非常有利于系统底层的多源能耗感知.

系统利用无线收发器nRF2401和Cortex-M3微控制器实现高速无线异构数据传输硬件系统.无线异构数据采集与传输节点和控制节点的硬件框架见图1，控制节点电路设计和无线异构数据采集与传输节点电路设计见图2和3.

图1　系统的硬件框架

nRF2401是一个集成接收、发射器的单芯片解决方案，工作频率段为全球开放网络的2.4 GHz频段，共有125个频道.nRF2401内置了CRC纠检错硬件电路和协议，具有高数据吞吐量，采用GFSK调制时的数据速率高达1 MB/s.nRF2401的发射功率、工作频道等所有工作参数全部可以通过软件设置完成[1].nRF2401满足低功耗设计需求，支持1.9~3.6 V的低电压供电.每个nRF2401节点可以通过软件设置最多40位地址，只有收到本机地址时才会通过中断提示输出数据；Cortex-M3是一个32位的微控制器内核，仅33 000门的内核性能可以集成许多耦合系统外设.STM32F103VET6包括：基于Cortex-M3内核的32位处理器芯片，该芯片最高工作频率为72 MHz；内置高速存储器(512 kB Flash、64 kB RAM)；2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及80个通用IO口.

图2控制节点电路

图3　感知节点电路

1.2无线传输系统软件设计

nRF2401有4种工作模式(见表1)，其配置接口主要有CE、PWR、CS、DATA、CLK1，其中CLK1为时钟输入接口，DATA为数据接口.

表1　收发模块的4种工作模式

nRF2401的发射功率、工作频道及其他参数都可以在初始化过程中进行配置.系统工作之前，必须通过DATA引脚串行输入120位的配置指令.

nRF2401具备ShockBurst模式和Direct模式，工作在ShockBurst模式下nRF2401自动加载数据头，并进行CRC等过程[2].由于ShockBurst模式对外部编程要求少，处理器可以尽快地处理其他任务，本文采用了ShockBurst工作模式.系统工作的软件流程如图4所示.

图4　收发模块发送(A)及接收(B)流程本文系统设计中数据包接收/发送部分核心代码的实例如下：

数据包接收核心代码实例

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；

}

数据包发送核心代码实例

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校园能源管理系统中的异构数据处理技术

传感器必须直接和处理器连接，整个感知网络不能部署到系统的底层，也不能采集多样化的数据.本文通过无线传感器网络技术解决了感知网络不能部署到系统底层的问题.若系统可以采集到更加丰富的多源数据，能源管理效益必将提升[3].为了获取多源信息，校园能源管理无线异构数据采集和传输系统中的数据采集与传输节点配备多个不同的传感器，不同位置的传感器节点也配备不同的传感器.

2.1异构数据处理单元的软件结构

根据软件与硬件的相关程度以及软件所承担的功能，系统把Cortex-M3的软件体系结构自下向上分为嵌入式核心代码、多源异构数据处理中间件、信息传输核心代码共3层.在软件体系结构中，这3层代码共同构成一个通用的软件平台，这是软件体系结构的核心内容[4].其目的是为实现多源传感器数据从有差别结构向无差别结构的转换.采用的是组件设计形式，组件间通信由嵌入式提供的逻辑“软件总线”来完成，定制符合用户需求的传感器数据格式，不同的数据格式在平台上可以实现动态加载、卸载[5].

根据应用程序需要实现的具体通信功能的内容，可以把应用程序分为传感器群信息资源、网络信息资源和输入输出资源.这些资源必须提供核心框架所规定的通用接口，可以被软件平台加载、运行、配置和卸载，同时，这些资源的内容可以随着传感器数据的不同而有所变化，从而实现资源的可裁剪、可扩充性[6].

2.2异构数据处理技术

异构数据协同处理技术将不同来源、格式的数据在逻辑上或物理上进行整合、封装、处理，提供一个统一的数据通信接口，屏蔽底层数据的差异，从而使信息传输系统不必再考虑底层数据模型、数据格式等因素[7].多源数据传感器群的异构数据处理发生在多个代码行处理单元中，每个处理单元分担一个程序或计算任务，实现异构数据的协同处理(见表2—5).

表2　温度传感器数据格式

表3　湿度传感器数据格式

表4　光度传感器数据格式

表5　融合数据格式

3系统的运行效果

系统硬件平台分为主机和从机2个部分.主机包括嵌入式处理器、无线收发模块、有线通讯模块以及LCD显示.从机包括嵌入式处理器、传感器、无线收发模块、OLED.从机板卡采集数据后，首先将传感器数据打包，然后通过无线网络发送至主机板卡，主机板卡通过有线网络将传感器数据包发送至上位机.

我们对该系统进行了实验，实验过程如下：

(1)主机、从机复位上电；

(2)温度、湿度传感器检测室内温度、湿度，从机显示屏显示当前信息(温度为23℃，相对湿度为55%)；

(3)无线传输模块将测试结果上传至主机；

(4)主机通过以太网接口，将测得数据上传至上位机.图5为上位机显示界面，显示当前的温度和湿度信息.

图5　上位机显示界面

4结语

以nRF2401无线收发器和Cortex-M3微控制器为核心的无线能耗监控网络具备电路连接简单、性能强大等优点.在无线能耗监控网络中，各节点采集环境数据后进行统一打包封装，将多源数据统一成一个通用的数据格式，并通过无线传感器网络和有线以太网网络将多源数据传输给上位机.系统增加了采集与监控的范围和数据监测种类，可以为能耗管理系统提供强有力的支持.

[参考文献]

[1]ZHU JIAN-HONG，WANG JUN，LIU DI. Design of a wireless sensor network node based on nRF2401[C]//Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Computer Science and Automation Engineering，Shanghai:IEEE，2011:203-206.

[2]李辉，宋诗.基于ARM和nRF24l01的无线数据传输系统[J].电子设计工程，2008(12):44-46.

[3]迟嘉，孙语泽，胡亮.基于无线传感器网络的室内输电线路热老化预测研究[J].东北师大学报(自然科学版)，2014，46(3):64-68.

[4]孙凌逸.基于神经网络的无线传感器网络数据融合算法[J].传感技术学报，2011，24(1):122-127.

[5]刘宏，魏浩鹏，张子扬. 基于低能耗高效无线传感器网络路由协议研究[J].东北师大学报(自然科学版)，2014，46(4):56-60.

[6]李从宇，王宝光.嵌入式DSP系统C语言硬件编程技术[J].测控技术，2007，26(4):68-70.

[7]GUO W Z，XIONG N X，VASILAKOS A V，et al.Multisource temporal data aggregation in wireless sensor networks[J]. Wireless Personal Communications，2011，56(3)：359-370.

(责任编辑：石绍庆)

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

[中图分类号]TP 393.11[学科代码]520·20

[文献标志码]A

[作者简介]王晓丽(1962—)，女，教授，主要从事智能建筑自动化技术研究.

[基金项目]吉林省科技支撑计划项目(20130206084SF).

[收稿日期]2015-03-05

[文章编号]1000-1832(2016)01-0060-05

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