幸运武林

嵌入式技術在電子通信節能中的應用研究

2019-04-04 03:17:40 現代電子技術2019年6期

宋定宇

關鍵詞: 嵌入式技術; 電子通信; 節能控制; 傳輸端; 無線通信模塊; 執行電路

中圖分類號: TN914.3?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼: A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號: 1004?373X(2019)06?0014?04

Abstract: In the traditional embedded electronic communication energy?saving control system, the chip is not used at the transmission end to monitor the equipment data, resulting in unobvious energy?saving effect. Therefore, an application research of the embedded technology is carried out for electronic communication energy?saving, and an energy?saving control system is designed for the embedded electronic communication equipment. The system is composed of the application end, terminal, control end and transmission end, and realizes the statistics and communication functions of the embedded data, so as to achieve the high?efficient energy?saving goal of the embedded electronic communication equipment. The transmission end is the core of the system, which sends data to the control end through the transmission port of RS 488 bus. The SN65LB chip is used to control the monitoring and parsing of the data of the embedded communication equipment. The control end realizes energy?saving control of the electronic communication equipment by using the energy?saving control execution circuit. The wireless communication module in the terminal conducts information communication by using the circuit. The energy?saving control instructions in the system are realized by means of the control software. The experimental results show that the equipment energy consumption of the designed system with energy?saving control is 4.833 5 kW·h, which is significantly lower than that without energy?saving control, and the system has a significant energy?saving effect.

Keywords: embedded technology; electronic communication; energy?saving control; transmission end; wireless communication module; execution circuit

嵌入式技術是一種將軟件和硬件有機結合起來變成獨立工作設備的技術[1],嵌入式技術在生活和工作中的應用非常廣泛。隨著電子通信技術的快速發展,人們對電子通信設備的能耗要求也越來越高,節能控制系統應運而生。傳統基于嵌入式電子通信設備節能控制研究如下:文獻[2]基于嵌入式的智能電氣節能控制系統傳輸端未利用芯片監控設備數據,節能效果不明顯;文獻[3]設計了基于嵌入式Linux的智能家居照明節能控制系統,該系統維護成本高,不適用于通信設備較多區域的節能。為解決以上系統存在的問題,設計嵌入式電子通信設備節能控制系統,提高電子通信設備的節能效果。

1 ?嵌入式電子通信設備節能控制系統設計

1.1 ?系統整體架構設計

嵌入式電子通信設備節能控制系統包括應用端、終端、控制端和傳輸端,其整體架構如圖1所示。該系統的終端負責嵌入式數據的統計、解析和通信,它的主要部件為網關服務器;應用端主要負責嵌入式電子通信設備的監控和分析[4];控制端依據嵌入式理論,采用軟硬件相結合的控制方式,實現嵌入式電子通信設備的高效節能;傳輸端負責數據的傳輸。

1.2 ?傳輸端設計

傳輸端在嵌入式電子通信設備節能控制系統中是核心部分,它接收網關服務器利用傳輸控制協議與應用端傳輸的數據,采用RS 488總線與控制端連接,網關服務器是應用端、終端、控制端和傳輸端的通信樞紐[5]。圖2為傳輸端芯片的RS 488總線傳輸串口圖。

由圖2可以看出,嵌入式電子通信設備數據是通過應用端獲取的,終端采用TCP/IP協議接收這些數據,并通過RS 488總線傳輸串口將數據發送到控制端。RS 488總線傳輸串口采取射頻差分無線傳輸方法與控制端半雙全工通信,同時采用SN65LB芯片控制嵌入式通信設備數據的監控和解析[6]。SN65LB芯片可以完成125個嵌入式電子通信設備數據的并行傳輸,它的傳輸準確率較高,同時能夠提高系統的節能效果[7]。

1.3 ?節能控制執行電路設計

節能控制執行電路是控制端的核心,負責電子通信設備的節能控制,它包括STC89C57RC單片機、繼電器和單相穩定繼電器[8]。繼電器能夠隔離單片機和單相穩定繼電器,保護單片機,同時啟動單相穩定繼電器的運行,并設置單相穩定繼電器的監控指示器。電路采用DC?AC SSR?73FB清零型單相穩定繼電器控制電壓和電流,節能控制執行電路的電壓是DC 3~30 V,電流是4~12 mA,額定工作電壓是AC 22~360 V,額定最大工作電流[9]是53 A。節能控制執行電路如圖3所示。

1.4 ?無線通信模塊電路

終端中的無線通信模塊通過電路進行通信,圖4為無線通信模塊電路圖,電子通信網絡中全部節點均采用該電路進行信息通信,通過軟件劃分無線通信網絡中調節器、路由器和終端的功能。

1.5 ?系統軟件設計

系統采用控制軟件控制節能控制指令。控制軟件是通過網頁發出指令,該網頁的頁面簡單明了且方便操作,它可以完成節能場所中所有嵌入式電子通信設備的節能控制[10]。指令操作界面如圖5所示。

由圖5可以看出,指令操作界面由4個部分組成,按用戶使用順序劃分:第1部分可完成系統用戶注冊、登錄和退出;第2部分查詢嵌入式電子通信設備的房間;第3部分可完成所需節能區域中所有嵌入式設備信息的匯總;第4部分為系統軟件的核心,該部分可展示控制端輸出的節能控制方案,系統的節能控制結果也能夠在此被用戶查看到。

2 ?實驗分析

2.1 ?節能效果分析

為驗證本文系統的節能效果,實驗對比分析本文系統、分布式管理節能控制系統和基于通信協議的節能控制系統的節能效果。選取3臺電子通信設備作為實驗對象,令3臺設備正常工作36 h并記錄實際能耗,如表1所示。由表1可知,節能控制前設備1,2,3在36 h的實際總能耗分別為5.842 4 kW·h,45.2 kW·h,1 107.5 kW·h。

將3個節能控制系統分別應用在3臺設備上,并完成36 h的節能控制,得到瞬時能耗實驗結果如圖6所示。由圖6可以看出,設備1在時間為24 h時,本文系統的瞬時能耗是108 W,另外兩個系統的瞬時能耗分別是116 W和135 W。另外設備2和設備3同理,應用本文系統的設備瞬時能耗曲線,一直處于另外兩個系統設備瞬時能耗曲線的下方,說明本文系統的節能效果明顯高于其他兩個系統。由于曲線圖僅僅展現出系統的瞬時能耗,對于電子通信設備的整體節能效果描述不清晰,因此將圖中數據總結成表,如表2所示。

分析表2數據可得,設備1通過本文系統節能控制后的能耗為4.833 5 kW·h,經其他兩個系統節能控制后的能耗分別為5.087 1 kW·h和5.516 3 kW·h,與節能控制前設備1的能耗5.842 4 kW·h相比,本文系統控制后的能耗顯著降低,另外兩個系統的節能效果不高;同理,設備2,3在本文系統控制后的能耗分別為32.6 kW·h,968.4 kW·h,較節能控制前有大幅降低。由此可見,本文系統在實際應用中可將電子通信設備的能耗降低到額定功率之下,證明本文系統具有較高的節能效果。

2.2 ?系統性能分析

為驗證本文系統的節能控制能力,對比分析本文系統和傳統組合式補償節能控制系統的節能控制性能。表3為本文系統與傳統組合式補償節能控制系統,在不同阻性負載下的節能控制輸出電壓情況。表4為不同直流母線電壓下兩個系統的空載輸出電壓情況。

由表3可以看出,在負載電流不斷增加的情況下,本文系統的輸出電壓一直保持在220 V,而傳統組合式補償節能控制系統的輸出電壓隨著負載電流的增加無規律的不斷變化,無法維持在固定值。由此說明,本文系統能夠在不同負載條件下輸出平穩電壓。

由表4可知,當直流母線電壓不斷變化時,本文系統的交流輸出電壓始終為220 V,此時傳統組合式補償節能控制系統的交流輸出電壓隨著直流母線電壓的增加而不斷增加,從227 V一直增加至261 V,這在實際應用中存在較大安全隱患。由此可知,本文系統在直流母線電壓不穩定時,依舊可以將交流輸出電壓控制在穩定值,提高了實際應用中的安全系數。

圖7和圖8為整流負載下,本文系統與傳統組合式補償節能控制系統以及分布式管理節能系統的輸出電壓波形和輸出電壓頻譜曲線。

由圖7可以看出,本文系統的總諧波失真量最高為10.6 V,最低為4.2 V;另外兩個系統的最高總諧波失真量分別為12 V,11.6 V,最低分別為6.3 V,5.5 V。由此可知,本文采用嵌入式技術設計的電子通信設備節能控制系統,具有較好的諧波抑制效果,總諧波失真量較低。

由圖8可以看出,隨著諧波頻率不斷增加,兩個對比系統的諧波衰減持續波動,本文系統的中低次諧波的衰減明顯加強,但高次諧波的衰減未發生明顯波動,說明本文系統節能控制穩定性較高。

3 ?結 ?論

本文設計并實現一種基于嵌入式技術的電子通信設備節能控制系統。系統包括應用端、終端、控制端和傳輸端四個部分。系統中的設備控制器通過獲取電源溫度,將數據傳遞給節能控制執行電路,調控電源運行狀態,以達到節能效果。實驗結果表明,所設計的系統節能控制后的設備能耗為4.833 5 kW·h,較節能控制前的設備能耗5.842 4 kW·h相比有大幅降低,節能效果顯著;在不同負載電流下,本文系統的輸出電壓一直保持在220 V,系統性能穩定。

參考文獻

[1] 王穎鋒,張彥周,高韜.多核嵌入式系統總線沖突避免的節能調度綜述[J].計算機應用研究,2014,31(4):961?964.

WANG Yingfeng, ZHANG Yanzhou, GAO Tao. Survey on energy?efficient task scheduling with bus conflict avoidance for multi?core embedded systems [J]. Application research of computers, 2014, 31(4): 961?964.

[2] 王莉麗,宋小芹.基于嵌入式的智能電氣節能控制研究[J].科學技術與工程,2016,16(19):255?258.

WANG Lili, SONG Xiaoqin. Based on embedded intelligent electric energy?saving control research [J]. Science technology and engineering, 2016, 16(19): 255?258.

[3] 陸彩霞.基于嵌入式Linux的智能家居照明節能控制系統研究與實現[J].微電子學與計算機,2016,33(10):139?142.

LU Caixia. Smart home based on embedded Linux lighting energy?saving research and implementation of control system design[J]. Microelectronics & computer, 2016, 33(10): 139?142.

[4] 黃笑笑.嵌入式多媒體通信中節能路由選擇仿真研究[J].計算機仿真,2017,34(3):173?176.

HUANG Xiaoxiao. Simulation of energy?saving routing in embedded multimedia communication [J]. Computer simulation, 2017, 34(3): 173?176.

[5] 羅殊彥,朱怡安,王偉超.嵌入式系統節能能力度量模型研究[J].西北工業大學學報,2016,34(3):536?543.

(上接第17頁)

LUO Shuyan, ZHU Yian, WANG Weichao. The research of energy?saving capability measurement model in embedded system [J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2016, 34(3): 536?543.

[6] 宋執環,杜往澤,李斌,等.基于圖像檢測的除塵風機嵌入式控制系統[J].儀器儀表學報,2014,35(5):1192?1200.

SONG Zhihuan, DU Wangze, LI Bin, et al. Embedded control system of dust blower based on image detection [J]. Chinese journal of scientific instrument, 2014, 35(5): 1192?1200.

[7] 楊帆,梁溪,龍柯宇,等.WiFi設備間節能通信抗頻偏數據分組檢測[J].通信學報,2016,37(10):48?55.

YANG Fan, LIANG Xi, LONG Keyu, et al. Anti?frequency?shift packet detection for D2D power?saving communications over WiFi network [J]. Journal on communications, 2016, 37(10): 48?55.

[8] 劉桂濤,李志敏,郭海如.船舶永磁同步電機的嵌入式節能調度方法研究[J].艦船科學技術,2016,38(13):128?132.

LIU Guitao, LI Zhimin, GUO Hairu. Embedded energy?efficient scheduling method of permanent magnet synchronous motor ship [J]. Ship science and technology, 2016, 38(13): 128?132.

[9] 張冬松,王玨,趙志峰,等.PLUFS:一種開銷敏感的周期任務在線多處理器節能實時調度算法[J].計算機研究與發展,2016,53(7):1454?1466.

ZHANG Dongsong, WANG Jue, ZHAO Zhifeng, et al. PLUFS: an overhead?aware online energy?efficient scheduling algorithm for periodic real?time tasks in multiprocessor systems [J]. Journal of computer research and development, 2016, 53(7): 1454?1466.

[10] 閆龍,覃團發,李亮亮,等.基于網絡編碼的無線體域網多中繼協作節能策略[J].電訊技術,2014,54(3):355?360.

YAN Long, QIN Tuanfa, LI Liangliang, et al. A multi?relay cooperative energy?saving strategy based on network coding in wireless body area networks [J]. Telecommunication engineering, 2014, 54(3): 355?360.

?
幸运武林