基于ARM系统的基站空调节能控制器

1北京师范大学成人高等教育2013届本科生毕业论文（设计）基于ARM系统的基站空调节能控制器学生姓名：专业名称：电子信息科学与技术学号：201113010492指导教师：完成时间：2013-08-27北京师范大学本科生毕业论文2摘要本设计运用STM32F101系列MCU为主控模块、Sensirion的SHT10数字温湿度传感器、继电器、光耦开关、SIM900AGPRS通讯模块、以及RS232/485通信芯片等元器件，设计了温湿度采集电路、脉冲电表电量采集电路、开关量及模拟量采集电路，RS232/485通信驱动电路、以及GPRS无线通信电路。解决通信基站内空调的自动启停以及与节能通风机组的联动工作，最终实现了基站节能减排的目的。同时该节能控制器还具有采集脉冲电量表电能数据以及通过GPRS无线通信上传的功能，方便对控制器以及基站能耗情况的集中统一管理。关键词:基站、STM32F101MCU、SHT10数字温湿度传感器、GPRS无线通信、联动控制、节能减排北京师范大学本科生毕业论文3BasedonARMbasestationairconditioningenergy-savingcontrollerofthesystemAbstractThisdesignUSESSTM32F101seriesMCUasthemastercontrolmodule,theSensirionSHT10digitaltemperatureandhumiditysensor,relay,switchoflightcoupling,SIM900AGPRScommunicationmodule,andRS232/485communicationchipcomponents,designofthetemperatureandhumidityacquisitioncircuit,pulsepowermeteracquisitioncircuit,digitalandanalogacquisitioncircuit,RS232/485communicationdrivecircuit,andGPRSwirelesscommunicationcircuit.Solvethecommunicationbasestationairautomaticstart-stopandthejointoperationwithenergysavingventilationunit,finallyrealizesthepurposeofthebasestationenergyconservationandemissionsreduction.Atthesametimetheenergy-savingcontrolleralsohasapulseelectricscaleelectricenergydataanduploadthroughGPRSwirelesscommunicationfunction,convenienttothecontrollerandthebasestationenergyconsumptionsituationofcentralizedandunifiedmanagement.Keywords:Basestations;STM32F101MCU;SHT10digitaltemperatureandhumiditysensor;GPRSwirelesscommunication;Linkagecontrol;EnergyConservationandEmissionsReduction北京师范大学本科生毕业论文I目录前言...........................................................1第1章节能控制器的设计规划........................................21.1设计要求....................................................21.2设计过程....................................................3第2章节能控制器硬件设计..........................................52.1节能控制器MCU...............................................52.2节能控制器电源电路..........................................62.3输入输出采集电路模块........................................72.4串口处理电路模块...........................................112.5GPRS无线通信电路模块......................................132.6程序存储及程序下载电路模块.................................14第3章节能控制器软件设计.........................................163.1KeilC软件概述............................................163.2主程序的基本结构...........................................163.3GPRS/SMS数据处理流程.......................................173.4与智能设备间的通信流程.....................................18第4章结论......................................错误!未定义书签。参考文献..........................................................21附录.............................................................221.主程序(节选)....................................................222.GPRS/SMS通信程序(节选).........................................293.串口数据处理流程(节选)..........................................34北京师范大学本科生毕业论文1前言近年来，随着我国能源消耗日益增加、环境污染问题日益严重，经济社会发展与能源环境的矛盾更加突出。为此，国家提出了节能减排的重大战略。节能减排工作逐渐成为新时期各行各业工作安排的重中之重，电信行业也不例外。同时，由于电信运营行业作为国家重要的基础设施，自身的行业特殊性也决定了必须进行节能减排。从整个电信运营商移动通信网络设备的能源消耗分布来看，基站设备的能源消耗占到了90%，所以基站节能是移动通信网络节能减排的关键。移动基站的节能不仅仅包括基站主设备的节能，还涉及电源、空调、机房空间等多个方面。而基站空调在整个通信基站的能耗中占到了40-50%以上。在一年当中，随着环境的变化有些季节是无需开启空调进行制冷的，而且通过基站内配置一定风量的通风机组，充分利用凉爽季节提供的天然冷源，完全可以实现制冷和节能的双重目的。如何实现空调在恰当温度环境下的启停，以及与通风机组的联动配合，这就需要一个智能化的控制器自动根据基站内外环境的变化控制空调、通风机组协调工作。电信运营商的无线基站都是无人值守的，这就需要节能控制器还要具有基于无线通信的接口，保证运行数据上传给机房值班人员的监控中心，以实现远程监控。北京师范大学本科生毕业论文2第1章节能控制器的设计规划本项目是基于STM32F101系列MCU为主控单元的集成电路板件，该MCU内核采用ARM32位的Cortex-M3CPU，采用C语言作为硬件编程工具。与空调的通信采用RS485协议解析的方式，与通风机组的控制采用继电器加上接触器的方式实现，对于触发整个节能系统的温湿度采用SHT10数字温湿度方式，根据采集需要至少要配置2组分别放在室内外。并选用SIM900AGPRS通讯模块最终实现控制器与监控中心的无线远程通信。1.1设计要求控制器首先要实现与基站内空调进行协议通信，并以空调自定义的协议命令完成对空调工作状态的实时采集。同时，可根据基站内环境的变化按既定的节能控制逻辑来控制空调启停。另外，控制器对节能通风机组的状态采集和控制也必须以简单可靠的方式实现，即通过继电器或二次继电器方式来通断通风机组的输入供电，以及配置风压传感器来测量其换气风扇产生的风压有无来判断机组工作状态。最后，节能控制器的内嵌程序需要按照基站内外的温湿度变化情况实现既定的节能控制逻辑，该控制逻辑主要完成空调与通风机组的工作配合，尽量减少空调的工作时间，最终达到节能目的。具体的节能控制逻辑如下（图1-1）所示。北京师范大学本科生毕业论文3空调工作状态通风机组工作状态节能控制器根据环境温湿度的变化实现对两者工作状态的控制管理室内温度变化轴：℃时间变化轴：天24℃28℃32℃±0.5℃高温告警空调关通风关空调关通风开空调开通风关空调通风皆开空调关通风关通风机组的耗能时间段空调的耗能时间段图1-1控制器的节能控制逻辑节能控制器还需具有对监控机房的无线通信功能，这样可以保证设备的运行数据以及实际的能耗运行数据都可以被监控中心采集并做后续的管理统计。1.2设计过程根据以上的设计目标，将节能控制器分成四个主要的电路模块：输入输出处理电路模块、串口处理电路模块、GPRS无线通信电路模块、程序存储及程序下载电路模块。其中输入输出电路模块分出五个相对独立的子电路：模拟量输入采集子电路，主要是对一些模拟量传感器输入的采集信号进行处理；开关量输入采集子电路，主要是采集“0、1”状态的输入信号；继电器输出控制子电路，主要以常开或常闭的方式对节能通风机组进行开关机控制等；两路数字温湿度子电路将直接对SHT10数字温湿度的数字信号进行处理；两路脉冲量采集子电路，主要是对基站内配置的普通脉冲电表进行脉冲计量。串口处理电路主要是完成RS232/RS485的通信驱动，该电路包含三路RS485和一路RS232两类物理接口，主要是考虑在通信基站内会配置不同品牌空调，这就造成其通信口也会有所不同，节能控制器就需要具有一定的兼容性。GPRS无线通信电路模块，主要考虑合理的性价比，以及较小的运行功耗。经过研究比对，最后选择欣姆通公司的SIM900AGPRS通信模块，该模块运行稳定性价比较高，比较适合本次的设计要求。北京师范大学本科生毕业论文4程序存储及程序下载电路模块主要完成主程序的在线下载、更新升级，以及主运行程序的存储，选用FLASH芯片主要考虑方便擦写升级内嵌程序。Mcu(ARM处理器)串口处理电路输入输出处理电路FLASH程序存储电路GPRS无线通信电路开关量输入继电器输出两路数字温湿度两路脉冲量采集模拟量输入JTAG程序下载电路图1-2节能控制器电路结构北京师范大学本科生毕业论文5第2章节能控制器硬件设计系统设计分成硬件和软件两大部分，具体的设计内容在将在后续章节详述。控制器板将安装到塑胶板壳内，板壳外部还要开孔多个LED指示灯，只要是指示设备的运行状态和故障告警。从成本和大小考虑，该控制板采用双层印刷电路板，除了GPRS通信模块另行制版（主要从维修方便考虑）外，其它三个电路模块都与ARM芯片组集成到一块板件上。GPRS通信板通过多引脚接插件的方式与主板连接。由于采用塑胶外壳，GPRS通信板天线可以内置在机壳内，无需外置安装。2.1节能控制器MCUSTM32F101基本型系列使用高性能的ARM_Cortex-M3_32位的RISC内核，工作频率为36MHz，内