基于物联网的智慧电源管理系统设计与应用

周向军

(广东省外语艺术职业学院 信息学院，广州510640)

随着物联网技术的发展，采用物联网组网优化技术进行智慧电源管理，提高供电的可持续性，研究智慧电源管理方法，结合市电引入、交流供配电、直流供配电、蓄电池和直流远供等技术提高电源管理的智能性，降低电源管理系统的输出功耗，提高电源的输出效率[1]。积极推进智慧电源管理系统的优化设计，结合网络通信技术和物联网技术，配以晶振和内部电压调整方法，实现电源的优化调度和智能控制。智慧电源管理系统的优化设计方法不仅广泛应用到输电供电领域，同时也加快了智慧城市建设的发展进程，近年来，相关的智慧电源管理系统设计方法研究受到人们的极大关注。

智慧电源管理系统的优化设计建立在电源的集成调度和组网设计基础上，采用物联网技术和移动通信组网技术，引入电源优化调度理论，进行智慧电源的集成网络调度，保障电源供电的安全和稳定性[2]，传统方法中，智慧电源管理系统设计方法主要建立在嵌入式ARM内核基础上，结合分散控制系统(distributed control systems, DCS)实现智慧电源管理系统的节能设计，智慧电源管理系统采用高频电源设计[3]，通过束缚电子(称光电子)探头进行电源功率分析，采集伽马射线进行电源输出电压测试和功率谱分析，通过前置放大电路进行智慧电源管理系统的自适应放大处理。

针对上述问题，提出一种基于物联网的智慧电源管理系统设计方案，系统分为硬件设计和软件设计部分，首先进行系统的总体构架分析和功能结构描述，硬件模块包括电源DSP集成信息处理模块、电源阻抗变换模块、信号处理电路模块、功率放大模块和总线控制模块。然后针对智慧电源管理系统开展软件研发工作，该管理系统模块内的数据管理引擎应用的是SQLServer数据库，在落实物联网研发设计工作的过程中，充分发挥了Revit软件的功能，同时采用前端设备自动选型方案进行智慧电源管理的网络组网设计，以ADSP-BF537作为核心处理器进行智慧电源管理系统的总线开发和集成电路设计，在以太网中分层的参考模型中进行智慧电源管理系统的物联网协议栈开发，进行智慧电源管理系统集成设计，通过仿真实验来检验该管理系统的功效，结果表明该研究中所设计的智慧电源管理系统具有较强的功能性、可行性。

1 系统总体构架和功能模块

1.1 系统总体设计构架

在基于物联网的智慧电源管理系统设计工作的过程中，最关键的就是明确该系统的结构模型框架。智慧电源系统的硬件模块主要由电源阻抗变换模块、信号处理电路模块、功率放大模块、电源DSP集成信息处理模块和总线控制模块几部分组成。在对智慧电源管理系统开展集成设计时，应用到ARM Cortex-M0 处理器内核，并通过对专家策略库和典型设备库的调用对系统前端设施进行配备，在智慧电源管理系统ARM终端中，设置设电源管理的调度器和功率分配模块[4]，采用集成增益控制方法进行智慧电源管理的接口设计和总线开发，建立时钟控制电路，进行智慧电源管理系统的时钟AD采样，通过自适应调节的方式来管控采样输出时钟电压，并对系统电源分配器、系统功率放大器进行有效地建立，在物联网环境下进行智慧电源的总线开发调度。在前端设备选型布置完成后，对主动型前端智慧电源管理设备进行效能分析，采用JN5139无线微处理器触发智慧电源管理系统的ARM模块，在屏柜三维模型和前端设备三维模型基础上，实现屏柜、功能单元的交叉编译和总线调度[5]。在三层体系结构模型中设计低电位复位电路，根据输出功率构建功率放大模块，采用低电位复位电路进行智慧电源管理系统的掉电复位。采用内核控制和远程控制相结合的方法实现对智慧电源管理系统的远程控制和电源集成调度，根据二次回路逻辑连接关系和线缆主通道三维模型实现电源的集成控制，根据上述设计原理，得到智慧电源管理系统的功能模块结构框图如图1所示。

图1 智慧电源管理系统的模块化组成结构框图

图2 智慧电源管理的实现原理

1.2 系统的功能模块及技术指标分析

在智慧电源管理系统的总体结构模型中，采用智能计算机辅助技术进行智慧电源管理系统的优化设计。采用微处理器进行智慧电源管理系统的集成控制，针对智慧电源管理系统开展节能设计工作时，可以利用分散控制系统的作用，结合ARM技术构建智慧电源管理系统的物理设备，物理设备主要指的是全功能设备和精简功能设备两大类，可以在智慧电源管理系统的硬件总成设计中有效配置物理设备，从而提高电源输出的持续性和稳定性。[6]智慧电源管理采用功率增益放大控制技术，结合光电倍增管进行光导控制，采用高压电源进行输出功率调节，在AD放大和功率放大模块中提高电源的高频增益[7]，得到智慧电源管理系统的实现原理，如图2所示。结合图2的设计原理，以ADSP-BF537作为核心处理器进行智慧电源管理系统的总线开发和集成电路设计，采用PPI_CONTROL寄存器进行电源的集成调度，得到设计的智慧电源管理系统的技术指标：

(1)配置PPI的操作模式，输出功率增益大于100 dB，放大倍数为大于2 000；

(2)电源管理系统的物联网组网由上、下机位两部分构成，可实现16位的电源集成调度和总线传输控制；

(3)智慧电源的高速A/D采样频率为12 MHz，智慧电源管理系统的调制分辨率大于12位；

(4)智慧电源管理系统的DSP信号处理模式有CW、LFM、HFM等多种模式；

(5)该智慧电源管理系统的逻辑处理器为低功耗S3C2440，输出功耗在100 KW以下。

参考系统研发和设计指标，有效落实系统软件及硬件设计工作，构建出功能多样化的智慧电源管理系统。

2 系统硬件设计

根据上述对智慧电源管理系统的总体设计和功能结构描述，进行智慧电源管理系统开发设计，系统分为硬件设计和软件设计部分，硬件模块包括电源DSP集成信息处理模块、电源阻抗变换模块、信号处理电路模块、功率放大模块和总线控制模块。物联网环境下智慧电源管理系统采用高速A/D芯片AD9225进行电源管理的原始数据采集，基于DSP高速信号处理技术实现对智慧电源管理系统的集成信息处理[7]，对各个功能模块设计描述如下：

(1)电源DSP集成信息处理模块。DSP集成信息处理模块是实现智慧电源管理及集成信息处理和数据采样功能，采用单12 V供电作为智慧电源管理系统的启动电压，人机交互模块中设置DMA参数，智慧电源管理系统下的DSP集成信息处理总线的构建主要应用的技术就是VME总线扩展技术(32位)，配置CAN_MBIM1，设定CAN传输速率，采用ADUM1201隔直流电路进行智慧电源管理系统的抗干扰滤波设计。智慧电源管理系统的集成信息处理模块电路如图3所示。

图3 智慧电源管理系统的集成信息处理模块电路图

(2)电源阻抗变换模块。电源阻抗变换模块采用R13和R14进行分压和阻抗变换，当VCC电压低于启动电压时，改变WDI引脚状态，使用ADM706S设计复位电路，DSP此时工作在SPI从模式，根据ID0x5F来选择DSP，实现智慧电源管理的阻抗变换，由此得到电源阻抗变换模块设计如图4所示。

图4 阻抗变换模块电路设计

(3)信号处理电路模块。信号处理模块是实现智慧电源管理系统的智能信号处理和总线集成功能，用交叉编译控制方法在线下载程序到DSP的RAM中，根据智慧电源管理系统的ADI设计HPPCI仿真器，根据总线定义电源管理系统的选择模式、时钟、数据输入串口，在智慧电源管理系统内，进行指令加载的过程中需要运用ISA/EISA/Micro Channel扩充总线，借助针对SEL1电平进行DSP控制的途径，能够开展该系统倍频放大控制、落实系统有源晶振配置任务，得到信号处理电路如图5所示。

图5 信号处理模块

(4)功率放大模块。功率放大模块是整个智慧电源管理系统的核心，功率放大模块采用2个32 KBSRAM的Bank实现功率放大和电源管理的指令存储，对于该系统功率放大控制、时钟采样控制功能，可以运用8个32位定时器/计数器来实现，结合DSP控制SEL1电平实现智慧电源管理系统的实时时钟分析和自适应功率放大，得到功率放大模块电路设计如图6所示。

图6 功率放大模块设计

综上分析，结合总线开发和集成调度设计方案，实现对智慧电源管理系统的硬件模块化设计，在Flash等器件中实现智慧电源管理系统设计故障检测系统的在线编程，通过总线接口实现对智慧电源管理系统设计的程序加载和智能控制。

3 系统软件开发

在整个智慧电源管理系统设计中，硬件设计是基础，软件设计是核心，智慧电源管理系统的软件开发设计建立在数据库引擎基础上，构建资源管理模块和工程数据管理平台，以SQLServer数据库作为智慧电源管理模块的数据管理引擎，建立智慧电源管理的设备目录表、设备属性表，采用Revit软件进行智慧电源管理系统的物联网开发设计。典型的智慧电源管理系统的数据设备库被设计为开放性、可扩展性的数据库，专家策略库是基于现有智能辅助控制系统规范，结合智能辅助控制系统的现有工程设计实例，总结出智慧电源管理系统的场景信息、联动策略、前端设备配置规则及前端设备布置规则。场景信息定义了需要采取的联动策略，智慧电源管理系统各功能区域与前端设备配置之间通过物联网进行联网控制。

采用PPI_CONTROL寄存器进行电源的集成调度，在以太网中分层的参考模型中进行智慧电源管理系统的物联网协议栈开发，前端设备的配置规则是按照如图7所示的数据关联图来确定各功能区域内需配置的智慧电源管理系统的前端设备种类。

图7 智慧电源管理系统的数据关联图

基于以上数据的关联关系，进行智慧电源管理系统的功率增益控制和场景关联设计，可以得出每个功能区域对应的电源管理信息特征。为实现设计过程中数据的数字化流转，接线端口通过线缆与前端设备或功能单元连接，实现前端设备的通信与控制。综上分析，得到的智慧电源管理系统的软件开发实现界面如图8所示。

图8 智慧电源管理系统的软件开发实现界面

4 仿真实验与结果

通过上述基于物联网的智慧电源管理系统的设计，在对系统性能进行测试的过程中，可以进行仿真实验，建立在ICAD平台基础上，根据智慧电源管理系统的应用功能模块进行系统集成，电源的输入为110 KV变电交流电源，采用API(Application Programming Interface)应用程序编程接口进行智慧电源的程序加载和交叉编译设计，采用C/C++编译器配置DSP的IO口，设置智慧电源管理系统输入电压范围为：+/-220 V、+/-360 V，智慧电源管理的模拟电源以5 V供电，电源管理系统的JTAG接口是4线：TMS、 TCK、TDI、TDO，根据上述仿真环境和参数设定，进行智慧电源管理的输出功率测试，测试结果如图9所示。

图9 智慧电源管理系统的输出功率测试结果

通过上述研发设计方式，能够使智慧电源管理的输出功率增益较大，电源调度和集成调度能力较好，电源调度各个通道的输出稳定性较强，输出功率增益提升为12.6%，测试不同方法进行智慧电源管理的能耗均衡性、总的能力消耗以及平均端到端时延，如图10所示，分析得知模型(LB-AGR)的能耗均衡性较高，电源的能量消耗较低，电源管理的端到端延时较小，总体性能较好。

图10 性能测试

5 结语

结合网络通信技术和物联网技术，配以晶振和内部电压调整方法，实现电源的优化调度和智能控制，提出一种基于物联网的智慧电源管理系统设计方案，结合智能辅助控制系统进行物联网环境下的智慧电源管理，采用ARM Cortex-M0 处理器内核实现智慧电源管理系统集成设计，基于DSP高速信号处理技术实现对智慧电源管理系统的集成信息处理，进行了系统的硬件设计和软件开发设计。研究得知，设计的智慧电源管理系统具有很好的电源管理能耗均衡性，降低了总的能量消耗，提高了输出功率增益，电源管理效能较好。