0 引言

    船舶制造業屬于高電耗型產業，據統計我國船舶制造業電力費用支出占據總能耗費用70%~80%以上^[1]，而且，我國船舶建造的萬元電耗平均水平與世界先進造船企業相比要高出5倍以上^[2]。我國船舶制造業采用分級配電方式，對于一、二級的配電站，管理層可以很清晰地掌握電能的去向明細，但是針對第三級即施工現場，由于施工范圍廣、人員密集、工人私自接線、施工現場用電散亂等問題造成管理層對現場用電細節比較模糊，因此，造成了大面積高能耗無作業設備運行的浪費現狀。同時，由于無法精確計量各個船臺施工現場用電量，管理層無法抓住能耗漏洞，從而制定嚴格的能效考核指標實行精細化管理，造成我國船舶制造業電耗過高，浪費嚴重。所以對于輔助管理層精細化用電管理，杜絕現場施工人員用電陋習，減少電量浪費是十分必要的。

    本文結合實際情況，設計了一種可以實現用電量實時采集、記錄使用者信息、使用時間段的智能配電樁系統。利用RFID(射頻識別)模塊識別用戶信息，主控制器STM32 通過控制繼電器模塊實現用電終端通斷電控制，并對計量表的用電數據進行采集，所有的信息經過相關處理之后通過無線透傳模塊傳送到數據庫服務器進行存儲和分析利用。智能配電樁對于輔助船舶制造業管理層針對用電精細化管理、減少能耗具有重要意義。

1 系統整體結構

    因為船舶制造業施工現場工作環境復雜，作業區域電線密集，考慮到現場重新布線工作量大、改造成本高，智能配電樁利用無線通信方式可以解決現場布線難題。WiFi、藍牙、ZigBee、3G/4G等無線通信方式都可以實現本系統中的數據信息傳輸功能。但是，考慮到智能配電樁傳輸信息量大，并且需要將數據通過互聯網上傳到服務器進行數據存儲和分析等問題，所以選擇WiFi作為智能配電樁的無線通信模塊。

    WiFi無線模塊具有AP（無線接入點）、Client(無線客戶端)、Repeater(無線中繼)、Bridge(無線橋接)、Router（無線路由器）5種工作模式^[3]。本系統選擇Bridge(無線中繼)工作模式，利用WiFi模塊的橋接功能，首先將第一級WiFi模塊與前端無線網絡建立無線連接，然后自身發出無線信號，形成新的無線覆蓋范圍；再將第二級WiFi模塊與前一級WiFi模塊建立無線連接，自身發出無線信號，再一次形成新的無線覆蓋范圍；以此類推。這樣可以有效解決信號弱以及信號盲點等無線覆蓋問題，同時以無線接力方式可以延伸無線通信距離，防止施工現場某些智能配電樁與服務器相距較遠導致通信失敗。整體系統示意圖如圖1所示。

    整體系統上層主要由能耗管理中心計算機、數據庫服務器、路由器組成，并通過以太網建立通信。計算機實現現場用電信息的展示；數據庫服務器實現對不同編號的智能配電樁用電信息的分類、分項和存儲；路由器通過接入以太網，發出最原始的WiFi信號與現場WiFi模塊建立無線連接，實現施工現場無線網絡連接。系統下層主要由主控制器模塊、RFID（射頻識別）模塊、繼電器模塊、無線WiFi模塊、帶RS485通信功能數字化計量表和SD卡模塊構成。系統通信成功并正常工作時，智能配電樁會接收到服務器周期性發送的當地時間，以保證時間的同步性。當工作人員將管理層分配的身份信息卡放置到RFID模塊上時，RFID將識別信息卡上的編號并通過SPI反饋到主控制器STM32F407ZET6。STM32F407ZET6判斷卡號合法后，通過TTL電平信號給繼電器發送閉合指令，此時現場開關接口全部接通，STM32F407ZET6通過RS485與數字化計量表通信進行用電數據采集，經過相關處理之后，通過數據包格式將用電量、用電卡號、用電時間發送到服務器，再將相關數據保存到SD卡上。當工作人員將身份信息卡從RFID模塊上拿走時，STM32F407ZET6立刻向繼電器發送斷開指令，此時系統進入低功耗工作模式。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器

    系統主控制器采用STM32F407ZET6^[4-6]，基于ARM Cortex-M4^[7]為內核的STM32F407ZET6集成了新的DSP和FPU指令，168 MHz的高性能使得數字信號控制器應用和快速的產品開發達到了新水平，大大提升了控制算法的執行速度和代碼效率，加之具有豐富的外圍接口，所以STM32F407ZET6適用于對計算要求較高、執行模塊功能較多的智能配電樁系統。在進行軟件調試時，可以采用JTAG調試接口，將標準的20針JTAG與JLINK仿真器直接連接，再通過USB與電腦相連，直接在集成開發環境μVision將編譯成功源代碼下載到STM32F407ZET6運行。也可以采用RS232串口轉USB線將開發板與電腦連接，同時需要用跳線帽將BOOT0載跳線短接，然后在電腦上運行Flash_Loader_Demonstrator軟件，選擇合適串口號，先擦除原程序再下載新程序。

2.2 無線通信模塊

    無線通信模塊是實現與遠程服務器建立無線連接的核心，實現智能配電樁用戶信息和計量表數據的無線傳輸。本設計采用RM04芯片，它是基于通用串行接口的符合網絡標準的嵌入式模塊，內置無線IEEE 802.11n、IEEE 802.11g，有線標準IEEE 802.3、IEEE 802.3?滋以及TCP/IP協議棧，能夠實現以太網、無線網(WiFi)之間的轉換。且支持WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2安全機制，64/128/152 bit WEP加密，最高傳輸速率可達50 000 b/s，無線傳輸距離最遠可達200 m。同時RM04具有不同的運行模式，系統安全、穩定，所以適用于傳輸距離遠、功耗低的智能配電樁系統。RM04系統原理圖如圖2所示。

2.3 射頻識別模塊

    RFID(射頻識別)模塊采用CR95HF射頻芯片。CR95HR是由意法半導體生產的具有多協議非接觸13.56 MHz射頻識別芯片。正常工作情況中，CR95HR有等待事件和激活2種工作模式。在激活模式下，CR95HR可以與微控制器或電子標簽進行通信。在等待模式下，有上電、休眠、睡眠和標簽檢測4種狀態^[7-9]。本設計中的RFID模塊是基于ISO/IEC 1809標準協議，使用SPI與STM32F407ZET6進行數據通信，與電子標簽的通信通過脈沖位置調劑編碼和副載波負載調劑實現。CR95HR射頻模塊電路圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

    智能配電樁系統軟件設計主要包括能耗管理中心計算機人機界面設計和控制器的軟件設計。

3.1 人機界面軟件設計

    人機界面軟件設計采用Java語言。Java語言是甲骨文公司推出的一種電腦編程語言，擁有跨平臺、面向對象、泛型編程的特點。編程軟件采用My Eclipse開發平臺，My Eclipse具有良好的編程界面和簡單易學的特點^[10]，使其成為Java開發人員運用最廣泛的集成開發環境之一。本設計為確保不同管理人員對信息系統的操作權限，故為不同管理人員配置了不同訪問權限的賬號和密碼。 

3.2 控制器軟件設計

    控制器軟件開發環境選用ARM公司推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發工具Keil μVision4.0，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理以及仿真調試器等開發方案。軟件編程采用模塊化編程思想，主要包括主程序、身份信息卡識別程序、計量表數據采集及解析程序、通信程序、底層時間校驗、數據存取程序等。將編譯成功的源代碼通過JTAG接口下載到STM32F407ZET6運行。系統工作流程圖如圖4所示。

    系統初始化主要包括處理器和設備外圍接口初始化，保證各設備都處于正常工作狀態中。相關外設配置主要包括以太網配置、串口配置、NVIC配置、SysTick配置、RTC配置，其中RTC配置是STM32F407ZET6中用于為系統提供精確的時間基準，以高精度晶體振蕩器為時鐘源。系統初始化完成后會進入正常工作模式，首先接收到服務器發送的時間進行時間校驗，RFID模塊將檢測到的身份信息卡卡號發送到STM32F407ZET6進行預判斷（合法卡號會提前錄入到STM32控制器和數據庫服務器中），當判斷卡號合法后，輸入高電平，此時常開繼電器模塊就會吸合通電，卡號非法或無信息源時，持續為低電平。當電源導通后，采集計量表數據、數據信息處理和通信工作會持續展開，但是如果此時通信失敗，系統會將數據信息以數據塊的形式傳輸到SD卡進行存儲，等待下一次通信成功，會將實時數據和歷史數據一同上傳到數據庫服務器。每成功發送一次數據，系統都會將相關寄存器清空，將指針復位，以防止數據溢出造成信息錯誤。如果在系統工作過程中將信息卡拿開，則由于檢測不到合法信息源，繼電器就會立刻斷電，此設計是為了方便統計不同施工隊的用電數據信息以及減少不必要的電量浪費。

4 系統測試

    在進行系統整體測試之前，首先對開發板硬件進行測試。硬件測試主要對硬件制作中是否存在虛焊、連線是否錯誤、芯片安裝是否正確等問題進行檢查。在調試中，要確保電路中沒有短路才能上電調試，然后測試其他供電模塊的引腳，檢查其電壓是否滿足設計要求。

    系統整體測試采用兩套智能配電樁系統，第一套智能配電樁系統與路由器間隔150 m，并與路由器建立無線連接；第二套智能配電樁系統與第一套間隔150 m，接收第一套智能配電樁系統WiFi模塊發出的無線信號。這樣布置的目的是為了檢測無線WiFi模塊是否達到無線接力功能的要求。實際測試過程中兩套智能配電樁均能滿足正常工作要求，其中第一套智能配電樁測試結果如圖5所示。

    測試結果表明：

    (1)無線WiFi模塊信號可以滿足無線接力傳輸要求，并且無線信號長時間穩定，數據網絡傳輸滿足100 h不間斷測試，且網絡傳輸延時最大為5 s；

    (2)RFID模塊工作穩定，對信息卡是否合法的判斷準確，能及時為控制器提供是否閉合繼電器的信號；

    (3)計算機獲得的智能配電樁系統用電數據信息準確，滿足設計要求。

5 結論

    本設計將刷卡取電、用電計量、無線抄表等功能集于一體，方便管理層對船舶制造業施工現場用電管理。智能配電樁系統的運用能加強管理層人員對用電現場的監控、管理，減少工人隨意接線導致電量浪費現象。未來的研究方向主要是對每一個船臺作業區域智能配電樁的用電數據進行對比分析，運用數據挖掘方法，為管理層探索出一系列能效考核指標，進一步加強用電管理，減少能耗成本。

參考文獻

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