一、項目概述

1.1 引言

在工業領域，節能減排是國家提出的戰略要求，同時也是企業發展的方向，這對于降低了企業的生產成本具有重大意義。以中國鋼鐵企業寶鋼為例，可近似估算，寶鋼2009年的鋼鐵年產量約為3000萬噸，噸鋼能源成本約為1000元，能源成本為300萬億，如果能夠提高1%的能源利用率，可節約能源成本3萬億，而寶鋼僅僅只是中國的一家企業，由此可見，在節能減排方面的研究所具有的巨大市場價值。更為細致的來看，在連續生產型的企業中，保障流水線的持續工作減少了因某個環節的故障帶來的重大損失。在電力生產型企業中，其配電裝置的正常工作對于企業的持續生產具有重大意義。

本方案將實現各個生產設備和配電盒的能耗和溫度檢測。通過對能耗歷史數據的處理，使得能耗數據實現可視化，對于企業找到重大耗能設備，精打細算地管理能耗，進一步加強節能減排工作有重要意義。同時，對設備溫度的實時檢測可以偵測流水線、配電裝置是否工作異常，當發生異常現象是，通過及時報警，能夠最大限度地降低異常狀況帶來的損失。由已有的歷史數據也可以對于未來的能耗和溫度變化趨勢作出預測，從而能夠提醒管理者何時溫度可能出現異常，提醒其采取措施或者進行檢修。

總的來看，能耗檢測能夠幫助企業進行節能減排工作，降低企業的能源成本，溫度檢測對于防范故障帶來的損失有重大意義。

1.2 項目簡介

本項目在系統架構上包含傳感器節點、匯聚節點和管理節點的三個部分，如下圖所示：

圖一

傳感器節點由EVK1100的硬件平臺配合傳感器實現，將安置在每一個需要測量的生產設備和配電盒上，測量并顯示該設備的功率和溫度信息，同時將測得的數據通過通信模塊及時發送給相應的匯聚節點，如果信息異常，會在發送的數據中加入報警信號。匯聚節點由一臺PC機、負責通信的硬件以及發出報警信號的硬件共同實現，將為每一個生產車間，或者為一定數量的生產設備配備一個匯聚節點。它能夠存儲傳感器節點的歷史信息，并分析一定范圍內的生產設備的工況，最終將得到的數據發送給管理節點，交給管理節點處理。管理節點可以由多臺PC機構成，為整個企業能耗與溫度監測的信息綜合中心，能夠在這里看到企業內部所有生產設備的相應信息，從而為企業執行者決策提供依據。

二、需求分析

2.1 功能要求

從單個傳感器節點的功能上看，將實現單個生產設備和配電盒的能耗測量、溫度測量，某些節點可進一步引入開關器件，在特殊情況下，主動關掉電路，能量供給方面，開發板使用220V/380V電壓供電，引入的霍爾傳感器采用電池供電。

從網絡系統整體功能來看，將實現整個工廠內功率與溫度信息的實時監測，使得相關信息可視化，并且提供了及時報警的機制；通過分析歷史數據，能夠預測工廠內部的溫度變化趨勢，提供預警功能，管理者可在預測的溫度異常區間采取相關措施；同時在時間及空間兩個維度了解工廠內部的能耗情況，采用可視化軟件使其很好的顯示在管理者面前，為管理者加強企業的節能降耗工作提供了良好的輔助。

2.2 性能要求

管理者最終看到的能耗和溫度信息有一定的延時，該延遲的時間為從傳感器節點檢測到相應信息，發送給匯聚節點，進而交由管理節點顯示所消耗的時間，同樣，預警功能也有一定的延遲，因為預警信息需要從傳感器節點發送給匯聚節點。但是，信息顯示的延遲對于整個數據的監測不會帶來太多負面影響，而報警的延遲只要控制在允許的范圍內，同樣可以接受。

在傳感器節點傳遞數據包給匯聚節點時，存在遺失數據包的問題，可以引入ACK機制，即匯聚節點在成功接受到數據包時，發送ACK幀給傳感器節點，從而可保障數據的可靠傳輸；同時，可以給帶有報警信息的數據包引入優先機制，使其優先被匯聚節點處理。以上改進方案可以改善丟失數據包的問題。

三、方案設計

3.1 系統結構框圖與模塊功能分析

3.1.1傳感器節點的結構框圖與各模塊功能分析

傳感器節點的系統結構框圖如下：

圖二

傳感器節點由能量供應模塊、傳感器模塊、處理器模塊、顯示模塊、通信模塊五個部分組成。其中能量供應模塊為其他各個模塊供應能量；傳感器模塊選用霍爾傳感器來測量生產設備的電壓、電流，選用工業界常用的鎳鉻鎳硅熱電偶測量生產設備的溫度，并將信息傳遞給處理器模塊；處理器模塊由電壓電流信息計算設備的功率，再將功率、溫度信息傳遞給顯示模塊，在LCD屏幕上顯示，同時將溫度信息與預先設定的安全閾值進行比較，如果發現溫度異常，則將報警信息加入到功率溫度信息中，并一起發送給通信模塊，通信模塊在將數據打包成數據包后，直接發送給附近的匯聚節點，交給匯聚節點進行統一分析。

3.1.2匯聚節點的系統結構框圖如下：

圖三

匯聚節點由能量供應模塊、處理器模塊、通信模塊、報警模塊組成。能量供應模塊為其他各個模塊供應能量；通信模塊隨時偵聽空間中是否有來自傳感器節點的信息，并將收到的信息發送給處理器模塊，同時也將處理模塊處理后的信息發送給管理節點；處理器模塊負責該區域內所有信息的綜合與處理，并將處理后的信息交給通信模塊，如果有異常信息，則將相應信息傳遞給報警模塊；報警模塊在收到報警信息后，會發出警報聲，提示是哪一臺機器有溫度超標的情況。

3.1.3管理節點的結構框圖與各模塊功能分析

管理節點的系統結構框圖如下：

圖四

管理節點由能量供應模塊、處理器模塊、通信模塊組成。能量供應模塊為其他各個模塊供應能量；通信模塊負責與匯聚節點進行通信，并將收到的信息發送給處理器模塊，處理器模塊負責工廠內所有信息的綜合與處理，從而得到整個工廠內各生產設備的能耗與溫度狀況。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

選用EVK1100硬件平臺，并引入霍爾傳感器，報警設備，PC機等硬件來建設整個系統的硬件體系。

3.2.1傳感器節點的硬件使用

EVK1100開發板實現溫度測量、信息處理、信息顯示、通信的功能，引入霍爾傳感器實現電流、電壓的測量。EVK1100開發板直接連接電源，提供持續供電，內置溫度傳感器測量溫度，使用AT32UC3A0128的MCU負責信息的處理和指令的傳送，使用4 x 20藍色LCD屏來顯示信息，并且通過USART與匯聚節點通信。霍爾傳感器端則可以通過內置電池供電，以保持其比較小的體積，易于安放，同時與EVK1100開發板連接，將測得的信息及時傳遞給EVK1100開發板。

3.2.2匯聚節點的硬件使用

匯聚節點的能量供應模塊與處理器模塊由PC機實現，具有能量供應、信息處理和指令傳送等功能；報警模塊由報警裝置實現，在接收到報警信號后，發出警報聲。

而通信模塊的兩部分功能分別由不同硬件實現：一為與傳感器節點的通信，可采用cc2420信號收發器實現這一層面的通信，二為與管理節點的通信，可直接由PC機通過更新整個工廠內部的數據庫服務器的信息來實現，從而使得管理節點的PC機可以對相關的信息進行處理。

3.2.3管理節點的硬件使用

各個PC機配合或者由一個功能十分強大的PC機處理整個工廠內部的能耗和溫度信息，并通過可視化軟件顯示。

3.3系統軟件架構

3.3.1傳感器節點的軟件架構

傳感器節點的軟件架構圖如下：

圖五

由Linux內核作為引導，由多種硬件作為支持，實現設備通信和LCD顯示功能，在實際開發過程中，還可能引入其他應用，因此留出其他應用的API接口。

3.3.2匯聚節點與管理節點的軟件架構

匯聚節點與管理節點通過PC機實現，因此不再詳細畫出PC機實現的軟件架構，而給出其匯聚節點與管理節點基于數據庫服務器通信的架構圖。

圖六

管理節點和匯聚節點的差異在于，管理節點還需要一個能耗、溫度的可視化軟件，從而可以讓管理者隨時可以看到整個工廠內部的能耗和溫度情況；匯聚節點還需要加入報警服務與通信服務，報警服務用于出現異常時報警，通信服務用于與傳感器節點通信。（此處通信服務指與傳感器節點的通信，由cc2420實現，與管理節點的通信由PC機通過數據庫服務器實現。）

3.4 系統運行流程圖

3.4.1傳感器節點運行流程圖

圖七

3.4.2匯聚節點運行流程圖

圖八

3.4.3管理節點運行流程圖

圖九

3.4.4系統運行流程圖分析

由以上三個流程圖可以看出，上電后，各個模塊分別開始工作，通過檢測是否收到外部信號，以及是否有異常信息來決定流程圖的流向。

3.5 系統預計實現結果

本方案將實現各個生產設備和配電盒的能耗和溫度檢測。通過對能耗歷史數據的處理，使得能耗數據實現可視化，對于企業找到重大耗能設備，進一步加強節能減排工作有重要意義。同時，對設備溫度的實時檢測可以偵測流水線、配電裝置是否工作異常，當發生異常現象是，通過及時報警，能夠最大限度地降低異常狀況帶來的損失。由已有的歷史數據也可以對于未來的能耗和溫度變化趨勢作出預測，從而能夠提醒管理者何時溫度可能出現異常，提醒其采取措施或者進行檢修。
來源：EEFOCUS