美章网 资料文库 楼宇用电电器智能控制系统的设计范文

楼宇用电电器智能控制系统的设计范文

时间:2022-11-05 09:57:16

楼宇用电电器智能控制系统的设计

随着社会经济水平的提高,建筑能耗已经呈现持续迅速增长的趋势,加剧了我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾。降低建筑能源消耗,大力倡导建筑节能,对于促进能源资源的节约和合理利用、缓解我国的能源资源供应与经济社会发展的矛盾,有着十分重要的作用。因此,如何降低建筑能源消耗、提高能源最终利用效率、实施和倡导建筑节能,是我国可持续发展亟需解决的重大课题。据中国建筑节能发展报告得知:我国建筑能源消耗占生产总能源消耗的18.8%,随着我国经济和科技的迅猛发展,国家机关办公建筑和大型公共建筑高能耗的问题日益突出。目前,我国每年竣工建筑总面积约为20亿m2,其中公共建筑占有较高的比重,约有4亿m2。2万m2以上的城镇公共建筑面积占城镇总建筑面积的比例不到4%,但是其能耗却占到总体建筑能源消耗的20%以上,其中单位面积能源消耗更是普通居民住宅的10~15倍。我国的用电电器智能控制技术是建设高效智能电网的重要组成环节,其核心就是实现智能化运行,满足用户多元化的需求,实现电力供应的稳定可靠和经济安全,构建电网与用户之间信息流、电力流实时互动的新型供电关系。改变用户传统节能方式,促进节能减排。因此,智能用电建设的质量直接关系到电网的能源使用效率、稳定经济运行和有序合理用电[1]。

1系统的总体设计

1.1系统总体结构办公楼宇用电信息采集与节能控制系统是一套基于互联网的建筑智能用电监测控制系统。其中,设在电力部门的建筑智能用电及能源优化监控中心,通过互联网连接的方式对所管理的大厦进行用电电器在线监测及能源调度信息的监测,并可以对权限内的用电电器进行完全控制(可深入到房间内部具体的灯具开关等)。整个系统的框架是一个Internet网,每一座楼宇都有一个楼宇监控中心计算机,负责整个楼宇的用电信息监测和相关设备控制,每个中心计算机都是通过路由器与外部的Internet网相连,并与总的监控中心进行交互信息,从而配合监控中心实现各项监测和控制功能[2]。系统的网络结构如图1所示。

1.2系统组成楼宇内部是一个以局域网、ZigBee、CAN、WiFi为主要通信方式的立体网络结构。楼宇内部的系统组成部分有:楼宇智能用电及能源优化监控中心、数据服务器、楼层多媒体网关、房间控制器、智能传感器(安防、温度、湿度、光照、电量等)、智能照明系统、智能电器系统(空调、窗帘、插座等)、热水优化控制系统、电能优化控制系统、热能优化控制系统[3]。楼宇的电器用电及能源优化的系统结构如图2所示。监控中心计算机通过局域网与楼层多媒体网关、热水优化控制系统、电能优化控制系统、热能优化控制系统进行信息传输,立体网络可通过交换机进一步扩展。在每一楼层设有一个楼层多媒体网关,它由无线路由器和一个楼层网关组成。无线路由器主要负责WiFi摄像头的视频接入,并可以通过LAN上传监控视频;楼层网关的功能是通过ZigBee通信将每个房间的信息收集起来,再通过LAN上传;也可以将来自于LAN的信息和命令通过ZigBee通信透过房间控制器传递给房间的受控设备,以实现用电设备控制和信息采集[4]。

2电器控制模块设计

2.1总体设计本设计是基于ZigBee、以MSP430单片机系列(本文是选用MSP430F149)作为最小系统的电器控制模块设计的主芯片,该系统包括:1)智能开关模块。触摸智能控制灯具的开关,可实现电量测量;可通过ZigBee对灯具实时控制;可通过ZigBee对电量、灯具状态进行读取。组成智能开关的模块有MOC3041光电耦合器。光耦合器的主要优点是:输入端与输出端完全实现了电气隔离,使用寿命长,单向传输信号,抗干扰能力强,传输效率高。它被广泛用于级间隔离、电平转换、远程信号传输、信号隔离、开关电路、脉冲放大、固态继电器(solidstaterelay,SSR)、仪表仪器、通信装置及微型计算机接口中。2)智能调光开关模块。调光模块可以通过ZigBee对灯光进行亮度的控制,用一个双向可控硅调光电路实现,具体包括:可控硅、功率调整电阻、滤波网络、触发电路、电位器和温度保险丝[5]。3)智能遥控器。可通过ZigBee对房间内的灯具、电气设备、插座实施控制;可实现简单的自定义组合场景控制,如全开、全关、影视模式等;电池供电、可移动控制。智能遥控器最主要的组成部分是智能红外技术,包括:①红外接收模块:一体化红外接收头1838T没有收到红外信号时,1838T为高电平输出,当收到红外信号时,输出为低电平与高电平交替的脉冲。②红外发射模块:二极管和电阻电源组成二极管与门电路,发光二极管作为红外发射管。③数据存储模块:选取的Flash存储器为SST25VF016B,其为16MbitSPISerialFlash,它在单电源2.7~3.6V下可进行读、写和擦除操作。

2.2MSP430F149最小系统TI(德州仪器)公司的MSP430系列微处理器,是一种16位超低功耗的混合信号处理器,可以用电池供电长时间工作。它将许多外设模拟电路和常用的数字模块集成在芯片内部。通常对于一般实际应用单芯片就可以满足要求,这样可以有效降低电路的复杂性,节约PCB板的空间,提高系统的稳定性。MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大,将其用于便携式测量设备中,可以延长电池寿命[6]。MSP430F149的(centralprocessingunit,CPU)主要包括以下模块:基础时钟、Timer_A、Timer_B、12位A/D转换器、6个8位并行端口(其中P1、P2具有中断功能)、模拟比较器COMPARATOR_A、看门狗定时器、2通道串行通信接口(通过软件选择UART/SPI模式)、1个硬件乘法器、1个Flash以及2KB的RAM。MSP430F149微处理器最小系统的电路如图4所示。所示电路中,XIN和XOUT之间的低速晶体采用32768Hz的手表晶体,X2IN和X2OUT之间采用8MHz的高速晶体。

2.3ZigBee红外转发模块设计红外转发器的功能决定了它主要由主控模块、红外接收模块、红外发射模块和数据存储模块四部分组成。红外转发模块的系统框图如图5所示。ZigBee无线传输选用的芯片是CC2530芯片,设计的电路原理图如图6所示。CC2530全部引脚可分为电源线引脚、I/O端口线引脚和控制线引脚三类。I/O端口线引脚功能为:CC2530有21个可编程的I/O口引脚,P2口只有5个可使用的位,P0、P1口是完全的8位口。通过编程设定一组SFR寄存器的位和字节,可使这些引脚作为通常的I/0口或作为连接ADC、计时器或USART部件的设备I/O口使用。红外接收电路如图7所示。一体化红外接收头1838T共有3个引脚:供电脚,接地和信号输出脚。因为1838T内部放大器的增益很大,很容易引起干扰,因此在供电脚上加上滤波电容C5。信号输出脚接到CC2530的P0_6引脚,P0_6为定时器1、通道4的捕获/比较引脚,这里使用的是捕获功能,用来捕获红外信号。没有接收到红外信号时,1838T为高电平输出,当接收到红外信号时,输出为高电平与低电平组成的脉冲信号。红外发射电路如图8所示。D4、D5、R4和VCC构成二极管与门电路,LED1为红外发射管。CCP1接CC2530的P0_4引脚,用来输入对家电的控制(如空调开)所对应的编码信号,CCP2接CC2530的P1_4引脚,用来输入红外发射所需的38kHz的载波信号。当CCP1和CCP2同时为高电平时,三极管导通,红外发射管发射红外信号;CCP1和CCP2有一个为低电平三极管就截止。当三极管导通时,正确选取R4和R5的阻值,使其工作在饱和状态,此时红外发射管的发射功率最大。

2.4智能灯光墙面开关设计无线智能开关可以直接代替家中的普通开关,通过它不仅可以像普通开关一样使用,更重要的是它可以通过ZigBee模块和建筑中的其他无线设备自动组成一个无线控制网络。无线智能开关中的照明控制电路采用光耦控制双向可控硅的控制电路[7]。从使用年限和开关速度上分析,选用晶闸管BTA16作为控制电路中的的主要器件。断开状态下BTA16器件的峰值电压最大为600V,通态状态下的通态电流为16A;当BTA16导通时,其维持电流约为40mA,关闭电流约为20mA,且电流上升速率最大为50A/µs,电压上升速率为250V/µs。其优越的特性非常适合用于变频电路、开关电路和调温电路等。为实现BTA16器件控制强电的目的,必须考虑到电路中强弱电之间的电气隔离问题。光耦既能满足解决控制信号的传输问题,同时也能解决电气隔断问题。光耦内部通过传输光的特性进行隔离输入侧与输出侧之间的高压;光耦不仅能传输直流信号,还能传输交流信号,同时输出侧具有一定的电流输出能力。无线智能开关中光耦采用MOC3041光耦芯片,此芯片输入端驱动电流为15mA,在微处理器输出端采用两级电流驱动电路,确保控制信号能够稳定输出。如开关电路如图9所示。

3节点通信程序设计

无线传感器节点在上电完成程序初始化以后,向网关设备发送登录请求,网关回复节点的登录请求并分配相应的网络地址,地址从01开始分配,随后节点进入等待同步的状态。当收到网关发送的同步帧后,节点进入传感器数据采集和处理状态,在完成传感器的数据采集和处理后,将数据进行打包封装,如果节点地址等于01,则直接发送数据,如果节点地址大于01,节点先进入休眠状态,等发送时隙到来时唤醒节点发送数据。发送完数据后等待网关确认,如果在时隙结束时收到网关确认则直接进入休眠状态,如果在时隙结束时未收到网关确认则第二次发送数据,第二次数据发送完成后则再进入休眠状态,直到下个周期到来前唤醒,等待同步帧开始下一个工作周期。节点应用程序的流程如图10所示。

4结论

本设计是一款以MSP430F149单片机为核心的大型办公楼宇用电电器智能控制系统,该系统具有精度高、成本低、结构简单、功耗低等特点,附加优化的程序,具有很高的实用性。系统主要完成办公楼宇用电信息采集与节能控制等功能,依托互联网技术和物联网技术实现大型办公楼宇用电监测和节能控制。楼宇内部是一个以局域网、ZigBee、CAN、WiFi为主要通信方式的立体网络结构,最后通过互联网连接的方式对所管理的大厦进行用电电器在线监测及能源调度信息的监测,并可以对权限内的用电电器进行完全控制(可深入到房间内部具体的灯具开关等)。

作者:辛卫东 张凡华 神瑞宝 王志翔 王升军 单位:国网山东节能服务有限公司 国网山东昌邑市供电公司 山东建筑大学 信息与电气工程学院

被举报文档标题:楼宇用电电器智能控制系统的设计

被举报文档地址:

https://www.meizhang.comhttps://www.meizhang.com/gclw/znkzlw/681559.html
我确定以上信息无误

举报类型:

非法(文档涉及政治、宗教、色情或其他违反国家法律法规的内容)

侵权

其他

验证码:

点击换图

举报理由:
   (必填)

精品推荐