Gemi İnşa Endüstrisinde WiFi ve STM32'ye Dayalı Akıllı Güç Dağıtım Kazık Sisteminin Tasarımı
Yang Zhengming, Xu Yiqun
(Deniz Mühendisliği Okulu, Jimei Üniversitesi, Fujian Eyaleti Deniz Mimarisi ve Okyanus Mühendisliği Anahtar Laboratuvarı, Xiamen 361021, Fujian)
Gemi inşa endüstrisinin şantiyesindeki kaotik elektrik tüketimi nedeniyle, yönetim şantiyedeki elektrik tüketim verilerini doğru bir şekilde ölçemiyor, bu da enerji tüketim boşluklarına ve ciddi elektrik israfına neden oluyor. Kontrol çekirdeği olarak STM32F407ZET6, kablosuz iletişim modülü olarak RM04 kablosuz WiFi ve çip RFID modülü olarak CR95HF ile gemi inşa endüstrisine uygun akıllı bir güç dağıtım kazık sistemi tasarlandı ve üretildi. Sistemin donanım devresi ve yazılım iş akışı tanıtılır. Testten sonra, toplanan elektrik tüketimi, elektrik kullanım kart numarası ve elektrik kullanım süresi, sistemin gerçek zamanlı kablosuz veri toplama ve iletimini karşıladığını gösterir. Gemi yapımı endüstrisinde akıllı güç dağıtım kazık sisteminin enerji tasarrufunda iyi uygulama olanaklarına sahiptir.
STM32; bilgi toplama; RFID; WiFi
TP277
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.10.017
Çince alıntı biçimi: Yang Zhengming, Xu Yiqun. WiFi ve STM32 gemi inşa endüstrisi akıllı güç dağıtımı kazık sistemi tasarımına dayanmaktadır. Elektronik teknoloji uygulaması, 2016, 42 (10): 69-72, 76.
İngilizce alıntı biçimi: Yang Zhengming, Xu Yiqun.WiFi ve STM32'ye dayalı gemi inşa endüstrisi için akıllı güç dağıtım sisteminin tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (10): 69-72, 76.
0 Önsöz
Gemi inşa endüstrisi, yüksek enerji tüketen bir endüstridir. İstatistiklere göre, Çin'in gemi inşa endüstrisinin elektrik harcamaları, toplam enerji tüketiminin% 70 ila% 80'inden fazlasını oluşturmaktadır. Üstelik, Çin'deki her 10.000 yuan gemi inşaası için ortalama elektrik tüketimi, dünyanın gelişmiş gemi inşa işletmeleriyle karşılaştırılmaktadır. 5 kattan fazla olmak. Çin'in gemi inşa endüstrisi hiyerarşik bir güç dağıtım yöntemi benimser. Birinci ve ikinci trafo merkezleri için yönetim, elektrik enerjisinin bulunduğu yerin ayrıntılarını net bir şekilde kavrayabilir. Bununla birlikte, geniş inşaat yelpazesi, yoğun personel ve işçiler nedeniyle üçüncü seviye için şantiye alanı Şantiyede izinsiz kablolama ve dağınık güç kullanımı gibi sorunlar, yönetimin yerinde güç kullanımının detaylarında muğlaklaşmasına neden olmuş, bu nedenle yüksek enerji tüketimli ve çalışmayan ekipmanların bulunduğu geniş alanların israfına neden olmuştur. Aynı zamanda, her bir kızak inşaat sahasının güç tüketimini doğru bir şekilde ölçememe nedeniyle, yönetim, katı enerji verimliliği değerlendirme göstergelerini formüle etmek ve rafine yönetimi uygulamak için enerji tüketimi boşluklarını kavrayamaz ve bu da Çin'in gemi inşa endüstrisinde aşırı güç tüketimi ve ciddi atıklara neden olur. Bu nedenle, rafine güç yönetiminde yönetime yardımcı olmak, şantiyedeki inşaat personelinin kötü alışkanlıklarını ortadan kaldırmak ve güç israfını azaltmak çok gereklidir.
Gerçek duruma bağlı olarak, bu makale elektrik tüketiminin gerçek zamanlı olarak toplanmasını gerçekleştirebilen, kullanıcı bilgilerini kaydedebilen ve zaman dilimini kullanabilen akıllı bir güç dağıtım sistemi tasarlamaktadır. Kullanıcı bilgilerini tanımlamak için RFID (Radyo Frekansı Tanımlama) modülünü kullanan ana kontrolör STM32, röle modülünü kontrol ederek güç tüketimi terminalinin güç açma ve kapama kontrolünü gerçekleştirir ve sayacın güç tüketimi verilerini toplar ve tüm bilgiler ilgili işlemden sonra kablosuz olarak şeffaf bir şekilde iletilir. Modül, depolama ve analiz için veritabanı sunucusuna aktarılır. Akıllı güç dağıtım yığınları, elektrik tüketiminin rafine yönetimi ve enerji tüketiminin azaltılmasında gemi inşa endüstrisinin yönetimine yardımcı olmak için büyük önem taşımaktadır.
1 Sistemin genel yapısı
Gemi inşa endüstrisinin şantiyede karmaşık bir çalışma ortamına ve operasyon alanında yoğun kablolara sahip olması nedeniyle, yerinde yeniden kablolamanın büyük iş yükü ve yüksek dönüşüm maliyeti göz önüne alındığında, akıllı güç dağıtım kazıkları, kablosuz iletişim ile yerinde kablolama sorununu çözebilir. WiFi, Bluetooth, ZigBee, 3G / 4G gibi kablosuz iletişim yöntemlerinin tümü bu sistemdeki veri bilgisi aktarım işlevini gerçekleştirebilir. Bununla birlikte, akıllı güç dağıtım yığını tarafından iletilen büyük miktardaki bilgi ve veri depolama ve analiz için İnternet üzerinden sunucuya veri yükleme ihtiyacı göz önüne alındığında, akıllı güç dağıtım yığınının kablosuz iletişim modülü olarak WiFi seçilmiştir.
WiFi kablosuz modülünün 5 çalışma modu vardır: AP (kablosuz erişim noktası), İstemci (kablosuz istemci), Tekrarlayıcı (kablosuz röle), Köprü (kablosuz köprü) ve Yönlendirici (kablosuz yönlendirici). Bu sistem Köprü (kablosuz röle) çalışma modunu seçer, WiFi modülünün köprüleme işlevini kullanır, önce birinci seviye WiFi modülü ile ön uç kablosuz ağ arasında kablosuz bir bağlantı kurar ve ardından yeni bir kablosuz kapsama alanı oluşturmak için bir kablosuz sinyal gönderir; İkinci seviye WiFi modülü, önceki seviye WiFi modülü ile kablosuz bir bağlantı kurar, kendi başına bir kablosuz sinyal gönderir ve bir kez daha yeni bir kablosuz kapsama alanı oluşturur; vb. Bu, zayıf sinyaller ve sinyal kör noktaları gibi kablosuz kapsama sorunlarını etkili bir şekilde çözebilir.Aynı zamanda, şantiyedeki bazı akıllı güç dağıtım noktalarının sunucudan uzak olmasını ve iletişim arızasına neden olmasını önlemek için kablosuz iletişim mesafesi kablosuz röle ile uzatılabilir. Genel sistem şeması Şekil 1'de gösterilmektedir.
Genel sistemin üst katmanı temel olarak enerji yönetim merkezi bilgisayarı, veritabanı sunucusu ve yönlendiriciden oluşur ve iletişim Ethernet aracılığıyla sağlanır. Bilgisayar, yerinde elektrik kullanım bilgilerinin görüntülenmesini gerçekleştirir; veritabanı sunucusu, farklı numaralara sahip akıllı güç dağıtım yığınlarının elektrik kullanım bilgilerinin sınıflandırılmasını, alt maddesini ve depolanmasını gerçekleştirir; yönlendirici en ilkel WiFi sinyalini gönderir ve Ethernet'e bağlanarak yerinde WiFi modülü ile kablosuz bağlantı kurar. Şantiyede kablosuz ağ bağlantısını gerçekleştirmek için bağlanın. Sistemin alt katmanı temel olarak ana denetleyici modülü, RFID (radyo frekansı tanımlama) modülü, röle modülü, kablosuz WiFi modülü, RS485 iletişim fonksiyonlu dijital sayaç ve SD kart modülünden oluşmaktadır. Sistem başarılı bir şekilde iletişim kurduğunda ve normal şekilde çalıştığında, akıllı güç dağıtım yığını, zaman senkronizasyonunu sağlamak için sunucu tarafından periyodik olarak gönderilen yerel zamanı alacaktır. Personel, yönetim tarafından atanan kimlik bilgi kartını RFID modülüne koyduğunda, RFID bilgi kartındaki numarayı tanımlayacak ve SPI aracılığıyla ana kontrolör STM32F407ZET6'ya geri gönderecektir. STM32F407ZET6, kart numarasının yasal olduğuna karar verdikten sonra, bir TTL seviyesi sinyali aracılığıyla röleye bir kapatma komutu gönderir.Bu anda, yerinde anahtar arayüzlerinin tümü bağlanır.STM32F407ZET6, elektrik tüketim verilerini toplamak için RS485 üzerinden dijital sayaçla iletişim kurar.İlgili işlemden sonra, veri paketi formatı Güç tüketimi, güç tüketimi kart numarası ve güç tüketim süresi sunucuya gönderilir ve ilgili veriler SD karta kaydedilir. Personel kimlik bilgi kartını RFID modülünden çıkardığında, STM32F407ZET6 hemen röleye bir bağlantı kesme talimatı gönderir ve sistem bu sırada düşük güçte çalışma moduna girer.
2 Sistem donanımı tasarımı
2.1 Ana kontrolör
Sistemin ana denetleyicisi STM32F407ZET6'yı benimser. ARM Cortex-M4 çekirdeğine dayanan STM32F407ZET6, yeni DSP ve FPU talimatlarını entegre eder. 168 MHz'lik yüksek performans, dijital sinyal denetleyicilerinin uygulanmasını ve hızlı ürün geliştirmenin yeni bir seviyeye ulaşmasını sağlayarak kontrolü büyük ölçüde geliştirir Algoritma yürütme hızı ve kod verimliliği, çok sayıda çevresel arabirimle birleştiğinden, STM32F407ZET6, daha yüksek hesaplama gereksinimleri ve daha fazla yürütme modülü işlevi olan akıllı güç dağıtımı yığın sistemleri için uygundur. Yazılımda hata ayıklarken, standart 20 pinli JTAG'yi JLINK emülatörüne doğrudan bağlamak için JTAG hata ayıklama arayüzünü kullanabilir ve ardından USB aracılığıyla bilgisayara bağlanabilir ve derlenmiş kaynak kodunu entegre geliştirme ortamı Vision'da doğrudan STM32F407ZET6'ya indirebilirsiniz. Geliştirme kartını bilgisayara bağlamak için RS232 seri bağlantı noktasını USB kablosuna da kullanabilirsiniz.Aynı zamanda, BOOT0 yük atlama telini kısaltmak için bir jumper başlığı kullanmanız ve ardından bilgisayarda Flash_Loader_Demonstrator yazılımını çalıştırmanız, uygun seri bağlantı noktası numarasını seçmeniz, önce orijinal programı silip yenisini indirmeniz gerekir. programı.
2.2 Kablosuz iletişim modülü
Kablosuz iletişim modülü, uzaktaki bir sunucu ile kablosuz bağlantı kurmanın özüdür ve kullanıcı bilgilerinin ve akıllı güç dağıtım yığınının sayaç verilerinin kablosuz iletimini gerçekleştirir. Bu tasarım, ağ standartlarını karşılayan evrensel bir seri arayüze dayalı gömülü bir modül olan RM04 yongasını kullanır.Dahili kablosuz IEEE 802.11n, IEEE 802.11g, kablolu standartlar IEEE 802.3, IEEE 802.3? Ve gerçekleştirilebilen TCP / IP protokol yığınına sahiptir. Ethernet ve kablosuz ağ (WiFi) arasında dönüşüm. WPA-PSK / WPA2-PSK, WPA / WPA2 güvenlik mekanizmasını, 64/128/152 bit WEP şifrelemeyi destekler, en yüksek iletim hızı 50.000 b / s'ye ulaşabilir ve kablosuz iletim mesafesi 200 m'ye ulaşabilir. Aynı zamanda RM04'ün farklı çalışma modları vardır, sistem güvenli ve stabildir, bu nedenle uzun iletim mesafesi ve düşük güç tüketimi ile akıllı güç dağıtım kazık sistemi için uygundur. RM04 sisteminin şematik diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir.
2.3 Radyo Frekansı Tanımlama Modülü
RFID (Radyo Frekansı Tanımlama) modülü CR95HF radyo frekansı çipini kullanır. CR95HR, STMicroelectronics tarafından üretilen çok protokollü temassız bir 13.56 MHz radyo frekansı tanımlama çipidir. Normal çalışma koşullarında, CR95HR'nin iki çalışma modu vardır: olayları beklemek ve etkinleştirmek. Aktif modda, CR95HR mikro denetleyici veya elektronik etiket ile iletişim kurabilir. Bekleme modunda, 4 güç açık, hazırda bekletme, uyku ve etiket algılama durumu vardır. Bu tasarımdaki RFID modülü, ISO / IEC 1809 standart protokolünü temel alır, STM32F407ZET6 ile iletişim kurmak için SPI kullanır ve darbe konumu ayarlama kodlaması ve alt taşıyıcı yük ayarı yoluyla elektronik etiket ile iletişim kurar. CR95HR radyo frekansı modülünün devre şeması Şekil 3'teki gibi gösterilmiştir.
3 Sistem yazılım tasarımı
Akıllı güç dağıtım kazık sisteminin yazılım tasarımı, esas olarak enerji yönetim merkezinin bilgisayar insan-makine arayüz tasarımını ve kontrolörün yazılım tasarımını içerir.
3.1 İnsan-makine arayüzü yazılım tasarımı
İnsan-makine arayüz yazılım tasarımı Java dilini benimser. Java dili, Oracle tarafından başlatılan ve çapraz platform, nesne yönelimli ve genel programlama özelliklerine sahip bir bilgisayar programlama dilidir. Programlama yazılımı My Eclipse geliştirme platformunu benimser My Eclipse iyi bir programlama arayüzüne ve öğrenmesi kolay özelliklere sahiptir, bu da onu Java geliştiricileri için en yaygın kullanılan entegre geliştirme ortamlarından biri haline getirir. Bu tasarım, farklı yönetim personelinin bilgi sistemine operasyon yetkisini sağlamak içindir, böylece farklı yönetim personeli farklı erişim yetkisi hesapları ve şifreleri ile yapılandırılır.
3.2 Kontrolör yazılım tasarımı
Denetleyici yazılım geliştirme ortamı, ARM tarafından başlatılan çeşitli gömülü işlemciler için bir yazılım geliştirme aracı olan Keil Vision4.0'ı seçer Keil, C derleyicisi, makro montajı, bağlayıcı, kitaplık yönetimi ve simülasyon hata ayıklayıcı dahil olmak üzere geliştirme programları sağlar. Yazılım programlama, temel olarak ana programı, kimlik bilgileri kartı tanıma programını, sayaç veri toplama ve analiz programını, iletişim programını, dip zaman doğrulamasını, veri erişim programını vb. İçeren modüler programlama fikirlerini benimser. Başarıyla derlenmiş kaynak kodunu, JTAG arayüzünde çalıştırmak için STM32F407ZET6'ya indirin. Sistem iş akış şeması Şekil 4'teki gibi gösterilmiştir.
Sistem başlatma, her bir cihazın normal bir çalışma durumunda olmasını sağlamak için esas olarak işlemcinin ve cihazın çevresel arayüzünün başlatılmasını içerir. İlgili çevre birimi yapılandırması temel olarak Ethernet yapılandırması, seri bağlantı noktası yapılandırması, NVIC yapılandırması, SysTick yapılandırması, RTC yapılandırmasını içerir; bunlar arasında, saat kaynağı olarak yüksek hassasiyetli bir kristal osilatör kullanarak sistem için doğru bir zaman referansı sağlamak için STM32F407ZET6'da RTC yapılandırması kullanılır. Sistem başlatıldıktan sonra normal çalışma moduna girecektir.Öncelikle sunucu tarafından zaman doğrulama için gönderilen zamanı alır.RFID modülü tespit edilen kimlik bilgileri kart numarasını ön değerlendirme için STM32F407ZET6'ya gönderir (yasal kart numarası önceden STM32 kontrolörüne ve veri tabanına girilecektir. Sunucuda), kart numarasının yasal olduğuna karar verdikten sonra, yüksek bir seviye giriniz.Bu sırada normalde açık olan röle modülü açılacak ve enerjilendirilecektir.Kart numarası geçersiz olduğunda veya bilgi kaynağı olmadığında, düşük seviyede kalmaya devam edecektir. Güç açıldığında sayaç verilerinin toplanması, veri bilgileri işleme ve iletişim çalışmaları devam edecek, ancak bu sırada iletişim başarısız olursa sistem veri blokları şeklinde veri bilgilerini depolama için SD karta iletecek ve bir sonraki başarılı iletişimi bekleyecektir. Gerçek zamanlı veriler ve geçmiş veriler, veritabanı sunucusuna birlikte yüklenecektir. Verilerin başarıyla gönderildiği her seferde, sistem veri taşmasını önlemek ve bilgi hatalarına neden olmak için ilgili kayıtları temizler ve işaretçiyi sıfırlar. Sistemin çalışma sürecinde bilgi kartının çıkarılması durumunda, yasal bilgi kaynağı tespit edilemediği için röle derhal kapatılacaktır.Bu tasarım, farklı inşaat ekiplerinin elektrik tüketim verilerinin istatistiklerini kolaylaştırmak ve gereksiz elektrik israfını azaltmak içindir.
4 Sistem testi
Genel sistem testinden önce, geliştirme kartının donanımı ilk olarak test edilir. Donanım testi esas olarak donanım üretiminde yanlış lehimleme olup olmadığını, bağlantının yanlış olup olmadığını, çipin doğru takılıp takılmadığını vb. Kontrol eder. Hata ayıklama sırasında, güç açma hata ayıklamasından önce devrede kısa devre olmadığından emin olun ve ardından voltajın tasarım gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığını kontrol etmek için diğer güç kaynağı modüllerinin pinlerini test edin.
Sistemin genel testi, iki set akıllı güç dağıtım kazık sistemini benimser.İlk akıllı güç dağıtım kazık sistemi, yönlendiriciden 150 m ile ayrılır ve yönlendirici ile bir kablosuz bağlantı kurulur; ikinci akıllı güç dağıtım kazık sistemi, ilk setten 150 m ile ayrılır ve alır İlk akıllı güç dağıtım kazık sisteminin WiFi modülü tarafından gönderilen kablosuz sinyal. Bu düzenlemenin amacı, kablosuz WiFi modülünün kablosuz röle işlevinin gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığını tespit etmektir. Gerçek test sürecinde, her iki akıllı güç dağıtım kazık seti normal çalışma gereksinimlerini karşılayabilir ve ilk akıllı güç dağıtım yığınlarının test sonuçları Şekil 5'te gösterilmektedir.
test sonucu şunu gösterir:
(1) Kablosuz WiFi modülü sinyali, kablosuz röle iletiminin gereksinimlerini karşılayabilir ve kablosuz sinyal uzun süre stabildir, veri ağı iletimi 100 saatlik kesintisiz testi karşılar ve maksimum ağ iletim gecikmesi 5 saniyedir;
(2) RFID modülü, bilgi kartının yasal olup olmadığına kararlı ve doğru bir şekilde karar verir ve kontrolöre röleyi zamanında kapatıp kapatmayacağına dair bir sinyal sağlayabilir;
(3) Bilgisayar tarafından elde edilen akıllı güç dağıtım kazık sisteminin güç verileri bilgileri doğrudur ve tasarım gereksinimlerini karşılar.
5. Sonuç
Bu tasarım, gemi inşa endüstrisinin şantiye elektrik yönetiminin yönetimini kolaylaştırmak için kredi kartı erişimi, elektrik ölçümü, kablosuz sayaç okuma, vb. Gibi işlevleri entegre eder. Akıllı güç dağıtım kazık sisteminin uygulanması, denetleyici personelin elektrik tüketim sahasını izlemesini ve yönetimini güçlendirebilir ve işçilerin rastgele kablolamasından kaynaklanan elektrik israfını azaltabilir. Gelecekteki araştırma yönü temel olarak, her bir rıhtım operasyon alanındaki akıllı güç dağıtım yığınlarının elektrik tüketim verilerini karşılaştırmak ve analiz etmek ve elektrik yönetimini daha da güçlendirmek ve enerji tüketimi maliyetlerini azaltmak için yönetim için bir dizi enerji verimliliği değerlendirme göstergesini keşfetmek için veri madenciliği yöntemlerini kullanmaktır. .
Referanslar
Wang Baolin Tersanelerde elektrik tüketimi için enerji tasarrufu önlemlerinin analizi China Ship Repair, 2010, 2 (1): 29-30.
Ye Xiaolie, Wang Nan, Ren Tingting ve diğerleri.Gemi İnşa Endüstrisi için Enerji Yönetim Bilgi Sistemi Araştırması; 16. Çin Bilim ve Teknoloji Derneği Bildirileri.2014.
Cui Guanxun. Nesnelerin İnterneti İleri Uygulama Teknolojisi Pekin: Tsinghua University Press, 2014.
STMicroelectronics.STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx ve STM32F107xx gelişmiş ARM tabanlı 32 bit MCU'lar referans kılavuzu (2011). Http://download.silikonxpert.com/pdfs/2015/9/10/5/48/38/900 /st_/manual/49256716625486392cd00220364.pdf.
Meng Boyu STM32 kendi kendine çalışma notları Pekin: Beihang University Press, 2012.
Liu Jie, Chen Changchuan. Firmware Bazında ARM Cortex M4 Prensibi ve Uygulaması. Beijing: Mechanical Industry Press, 2015.
Zhang Yan, Liu Zhanjie, Li Yuan. Gömülü Sistem için RFID Kart Okuyucusu ve Pasif Etiket Tasarımı. Mikrodenetleyici ve Gömülü Sistem Uygulaması, 2013, 13 (8): 52-55.
STMicroeletronics.CR95HF Veri Sayfası. (2012). Http://download.silikonxpert.com/pdfs/2014/11/30/5/43/31/554/st_/manual/9dm00025644.pdf.
STMicroeletronics.M24LRxx-R ve M24LRxxE-Rdual arabirimi I2C / RFID cihazları için bir anten tasarlama. (2010). tnl_ / manual / file.php3696.pdf.
Zhu Xiaolong Java dili programlama öğreticisi Beijing: Halk Mesajları ve Telekomünikasyon Basını, 2015.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
