基站空调能耗控制系统的研究与应用

耿宝光 贾文晔

【摘 要】 文中采用多功能高精度三相电能专用计量芯片ATT7022EU实现电能量采集，通过STM32系列单片机实现温度采集和数据处理，同时基于GPRS的透传云物联网云组态，进行温度远程监控和空调电源的自动开闭，从而实现空调系统的节能。

【关键词】 ATT7022EU;透传云; GPRS DTU;节能

【中图分类号】 TU83 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）06-0100-03

基站通信设备主要包括电源、蓄电池组、通信主设备、传输设备和空调等其他配套设施。据统计，在通信企业的能耗成本中，基站电费能耗占七成多，为了排除基站内的热量，空调几乎需要全天不间断运行，空调电耗非常大，占整个能耗的四成左右。我们针对基站空调系统的能耗进行分析研究，采用物联网技术，设计出一套基于物联网技术的电能采集、温度监控的空调能耗智能管理系统;利用STM32F103系列微控制器，一方面接收与处理电能计量芯片传回的数据，一方面接收与响应服务器云端通过GPRS DTU传回的数据，两者统一结合，实现实时采集与监控。

系统分为四大部分：控制器及基本控制外设、电能计量芯片及测量电路、通讯模块、显示与控制设备，整体框图如图1所示。其中，控制器及基本控制外设包含：微控制器STM32系列单片机及其工作必需电路，通过继电器控制基站设备（空调、风机等）。电能计量芯片及测量电路包含：计量芯片ATT7022EU，电量采集和温度采集电路。通讯模块包含：物联网无线数据终端GPRS DTU，TTL转RS485通信转换电路。显示与控制设备包含：电脑端搭建的上位机，另外还有一个电源电路。

系统实现流程为：采集电路采集的模拟量经计量芯片的ADC采集与处理，处理后的数字量存储在内部缓冲区中;温度采集电路采集的数字量直接存储在控制器内部缓冲区中。当控制器收到显示与控制设备发出的基于Modbus协议的指令后，根据不同的指令把对应的接收信号通过SPI协议发送给计量芯片，计量芯片就把信息通过SPI接口传递给控制器;控制器对这些信息经过处理与完善，把数据通过RS485协议返回给显示与控制设备中，显示与控制设备再经过处理展现给用户，最终实现监控的功能。同时，控制器根据不同需求来决定是否操作基本控制外设，其控制利用继电器来实现，达到安全可靠的效果。

1控制器及基本控制外设

采用STM32-F1系列基于Cortex-M3内核的单片机作为控制系统。具体型号为STM32F103RCT6其原理图如图2所示。

采用ULN2003驱动的继电器作为微控制器控制基站设备的外设，如图3所示。图中U4为ULN2003，是一个7路反向大电流驱动列阵;由于继电器驱动电流大于STM32通用IO口输出的最大电流（25mA），不能用IO口直接驱动继电器，需加入ULN2003，使灌电流可达500mA。当IN1输入端为高电平时，输出端OUT1输出低电平，继电器吸合，同时发光二极管导通作为指示灯。在输出口并联反向续流二极管，用来防止截流瞬间继电器电感线圈产生的电势损坏控制电路。继电器吸合后引脚4和3导通，端口220V_L和RL1连通，达到控制启动的效果。

2电能计量芯片及测量电路

采用高精度多功能的计量芯片，支持电压电流有效值，有功、无功、视在功率的测量，芯片为ATT7022EU，在工作范围内非线性测量误差小于0.1%。同时具有SPI通信接口，方便与控制器进行高效传输。其原理如图4所示：

测量电路包含两部分，温度采集與电量采集电路。温度采集电路包含两部分，其一为外设，如图2的器件P3所示，外接温度传感器DS18B20，其二为计量芯片内部集成的温度传感器。两者均为数字传感器，前者可以设定9到12位分辨率，精度高达0.5摄氏度，而后者为分辨率0.726摄氏度的8位ADC。电流与电压的采样均使用互感器方式。

3通讯模块

采用RS485接口通信芯片MAX3485，兼容控制器3.3V供电电源，具有10Mbps高速传输速率的半双工器件，其通信只需两根通信线，采用差分方式有效地抑制了共模干扰，提高了通讯的可靠性，并且容许多机通讯，传输距离也很远，满足工业通讯需求。其原理如图5所示。

采用有人物联网推出的GPRS产品USR-GPRS-730来实现RS485通信设备与网络云服务器之间的通讯。该无线数据传输终端利用GPRS公用运营商网络来为用户提供长距离无线数据传输功能，并支持透传云的接入。硬件实物如下图6所示。

该设备有三种工作模式，其一为网络透传模式，其二为HTTPD模式，其三为短信透传模式。本系统采用工作模式一，即微控制器通过RS485接口接入该设备，通过该设备发送数据到网络指定服务器上，同时也能通过该设备接收服务器的数据，实现数据交换。该模式下系统工作流程如下图7所示。

设备所具有的支持接入透传云功能是整个系统的核心所在。透传云平台的存在，解决了微控制与PC上位机之间的数据通讯。透传云主要功能是用来透传数据，有了该设备的支持，微控制器的数据可以直接接入云端，实现了远程监控的功能。

4显示与控制设备

本模块包含电脑PC端（或手机端）。电脑PC端也涉及两部分，其一为透传云控制台，起到无线监视的作用，其二为基于Visual Studio IDE开发的C#可执行应用程序，用于辅助透传云控制台实现无线监控的作用。

5软件设计概况

软件设计分为三大部分，其一为微控制器STM32集成开发，包含电量的采集与处理，信号的收发与控制，是整套系统的核心控制单元。其二为MCGS组态软件;其三为基于云服务器的物联网云组态网端，一站式完成设备的数据采集与远程控制;最后是开发一种基于透传云的微信小程序，可随时随地来实现远端监控。

6系统实现的功能

温度监测（预留5个测温点），电压、电流监测，就地＼远程控制，空调控制（启动、停止），电磁阀控制（0度、30度、60度、90度），风机控制（启动、停止），柜门控制（开、关），远程通信（手机卡方式）。

本系统采用基于物联网的空调能耗智能管理系统，可通过PC和手机端实时监控基站内温度及用电情况，当温度达到设定值后，系统会自动开闭空调电源，达到节能的效果。经过对实验基站一年数据分析统计，能耗比原来降低15%左右。

【参考文献】

[1]孟山青，李泽奇.通信基站机房新风系统运行现状及节能潜力[J].建设科技，2019（9）：80-82.

[2]王强.基于ATT7022E的配电变压器监测终端的设计与实现[D].兰州：兰州大学，2013.

[3]杜运福.基于STM32与ATT7022E的用电智能采集模块设计[D].苏州：苏州大学，2012.

[4]赵伟，孟志强.基于GPRS的通信基站用电监测终端[J].微计算机信息，2010，26（35）：29-30.

[5]公茂法，公鑫，张敏，等.基于OneNet平台的电力负荷监测系统的研究[J].电测与仪表，2017，54（15）：65-68，74.

[6]崔恒源，黎福海，姚雪芬.移动通信基站动力环境监控系统设计及实现[J].计算机测量与控制，2009，17（10）：1955-1957，1961.