基于嵌入式的小区节能监控物联网系统设计
2019-04-18杨淳清苏绍培
◆杨淳清 苏绍培
(四川科技职业学院 四川 620564)
1 系统设计概述
小区节能监控系统的设计意在提升现代小区用电能耗的自动化监测和控制效率，在低碳环保和绿色节能理念深入人心的今天，设计一款智能性高、应用推广性强的小区节能监控系统具有十分现实的意义。本系统以嵌入式和物联网技术为基础设计，整个系统采用层次化设计理念，以ARM高速处理器和ZigBee物联网系统为核心，两者之间的数据体现了双向通讯的关联，即：ZigBee模块将采集到的各节点设备运行数据传输给 ARM 处理器，ARM处理器经过运算处理后将控制信号通过ZigBee物联网控制系统反馈给各子节点。系统选用三星公司研发的 S5PV210 ARM微处理和德州仪器研发的CC2530 ZigBee模块组建节能物联网监控核心。
2 系统硬件模块设计
2.1 公共区域空调节能监控模块
公共区域空调节能监控模块的功能为：在ZigBee物联网节点环境下，通过 DS18B20温度传感器采集小区内安装了空调的公共区域实时温度，并将该温度通过 CC2530 传送至 S5PV210 ARM微处理，S5PV210将采集到的实时温度与预设温度进行比对，并向各采集节点的温度控制器发送开启或停止空调运行的指令，具体来说：在春夏季环境下，当预设温度高于环境实时温度时，空调不启动，反之启动；在秋冬季环境下，当预设温度高于环境实时温度时，空调启动，反之不启动，以达到对空调系统进行节能监控的目的。具体的电路硬件设计上，选用三星公司研发的Cortex-A8 S5PV210 ARM开发板和德州仪器研发的CC2530开发板，将CC2530的信号输出端与S5PV210 ARM开发板信号输入端相连，CC2530的温度信号节点采集输入端与各节点的DS18B20温度传感器输出端相连，并搭配最小系统控制电路即可，整个模块电路硬件设计部分比较简单实用。
2.2 小区路灯照明节能监控模块
图1为照明节能监控模块硬件设计图。
图1 小区路灯照明节能监控硬件设计图
如图1所示，在以选用的ARM和ZigBee模块为核心的基础上，选用Etherbas公司研发的ETW104Y型路灯远程时控器公共构建小区路灯照明节能监控硬件模块。ETW104Y型路灯远程时控器具有定时开关、经纬控制、光照度控制、节假日控制等节能监控功能，可通过RS485总线与CC2530 ZigBee模块连接通讯，并可通过4G移动网络与手机、PC等设备连接，方便小区巡视工作人员对路灯进行远程节能监控。具体的硬件电路连接时，只需要根据 ETW104Y应用手册中的提示，将 ETW104Y与CC2530的I/O引脚P0.0相连即可。
2.3 消防报警运行节能监控模块
消防报警系统也是现代小区电气系统中的关键部分，本系统选用深圳同安迪科技有限公司研发的 TAD-168型烟雾传感报警器作为小区火灾点信号采集电路模块。TAD-168型烟雾传感报警器采用DC12V供电，单端口输出形式，当采集到火灾烟雾点时，输出端口能够输出高电平信号，自带的蜂鸣器将发出85dB强度音量进行提示；当没有采集到火灾烟雾点时，整个模块处于静默低能耗工作状态，能够实现有效的节能运行。该模块硬件电路设计的方案为：TAD-168型烟雾传感报警器的输出端口与CC2530的I/O引脚P0.1相连，CC2530再与S5PV210 ARM微处理相连，当TAD-168模块检测到小区有火灾点时，S5PV210可向附近的消防喷淋装置继电器发送开启指令，实现自动喷淋灭火，其余时间系统都处于静默节能工作状态。图2为该模块的硬件组成框图。
图2 消防报警运行节能监控硬件设计图
3 系统软件设计
在系统软件的设计中，选用目前主流的 Linux Qt/Embedded GUI系统作为嵌入式节能监控图形生成环境。Qt/Embedded具有面向对象、构件支持等特征，能够在Linux完成本系统各监控模块及物联网通信人机交互模块的GUI平台构建。此外，基于对小区节能监控系统的硬件功能设计需求，将整个系统的软件程序执行流程设计如下：
如图3所示，对系统软件程序执行过程总结如下：首先，系统初始化。主要包含CC2530 ZigBee和S5PV210 ARM微处理器内部功能模块的初始化，开中断、定时等操作。其次，采集各节能节点信息。系统初始化后，小区内安装的温度、照明和烟雾传感器节点开始采集信号，只有将采集数据传输给CC2530构成的物联网系统。再次，S5PV210 ARM运算处理。CC2530将经过初步处理的物联网节点数据传输至 S5PV210运算，当运算结果与预设的节能阀值不符时，启动小区内的空调/照明/消防报警系统，反之，当运算结果与预设的节能阀值相符时，整个系统进入静默节能运行状态。
图3 系统软件程序执行流程图
4 结语
本系统采用嵌入式和物联网设计理念，实现了小区节能监控功能。嵌入式和物联网技术的不断发展，为智慧化节能小区的构建提供了更为丰富的技术支持，小区节能监控综合系统的设计中将会体现出更多的嵌入式和物联网技术含量。本文的设计为小区节能监控系统的研发提供了参考样本，但仍存在很多细节部分如：系统物联网关方案设计、系统网络安全防护设计等，有待在后续设计中不断完善。
