嵌入式多设备节能控制系统设计与实现
申玉霞+郝小会
摘 要： 针对传统的嵌入式设备节能控制系统无法实现高效节能的问题，设计并实现嵌入式多设备节能控制系统，其由应用端、输出端和控制端组成。应用端对嵌入式设备信息进行监控和分析，获取到监控结果和分析结果并传输到终端。终端的网关服务器利用TCP/IP协议对监控结果和分析结果进行接收，通过RS 485总线将这些信息传输到控制端。控制端对终端传输来的监控结果和分析结果进行接收和控制，根据线路和环境信息特点制定嵌入式设备的节能控制指令。仿真实验证明，所设计的系统节能效果较高。
关键词： 嵌入式设备； 多设备； 节能控制系统； 系统设计
中图分类号： TN245?34； TM92 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0173?03
Design and implementation of embedded multi?device energy?saving control system
SHEN Yuxia， HAO Xiaohui
（Jiyuan Vocational and Technical College， Jiyuan 459000， China）
Abstract： Since the traditional embedded device energy?saving control system can't realize the high?efficiency energy saving， an embedded multi?device energy?saving control system was designed and implemented. The system is composed of the application terminal， output terminal and control terminal. The application terminal monitors and analyzes the information of the embedded device， and transmits the monitored results and analyzed results to the system terminal. The gateway server of the system terminal receives the monitored results and analyzed results by means of the TCP/IP protocol， and transmits them to the control terminal through the RS 485 bus. The control terminal receives and controls the monitored results and analyzed results from the system terminal， and formulates the energy?saving control instruction of the embedded device according to the characteristics of circuits and environmental information. The simulation experiment results show that the designed system has high energy?saving effect.
Keywords： embedded device； multi?device； energy?saving control system； system design
0 引 言
嵌入式设备是一种将软件与硬件有机结合起来进行独立工作的设备[1?3]，其在人们的日常生活、工作中应用很广。随着网络技术的不断发展，人们对嵌入式设备的能耗要求也越来越高，节能控制系统随之出现[4?6] 。传统的嵌入式设备节能控制系统如下：文献[7]设计基于监控器的嵌入式设备节能控制系统；文献[8]基于分布式管理设计嵌入式设备节能控制系统；文献[9]基于EMS设计嵌入式设备节能控制系统；文献[10]基于通信协议融合技术设计嵌入式设备节能控制系统，但这些系统维护成本较高，不适合应用于嵌入式设备较多区域的节能。为了克服传统方法的缺陷，设计并实现了一种新的嵌入式多设备节能控制系统。
1 框架下的嵌入式设备节能控制系统设计
1.1 系统整体架构设计
所设计的框架下嵌入式设备节能控制系统由应用端、终端和控制端组成，如图1所示。
分析图1可知，嵌入式多设备节能控制系统的终端主要进行嵌入式设备信息的统计、分析和通信，其核心元件是网关服务器；应用端主要进行嵌入式设备的监控和分析；控制端基于嵌入式理念，应用硬件与软件相结合的自动控制方式，实现对嵌入式设备的高效节能。
1.2 传输端设计
传输端是整个嵌入式设备节能控制系统的传输核心，其中的网关服务器可通过传输控制协议/因特网互联协议与应用端进行信息互传，并利用RS 485总线传输与控制端相连，是应用端、终端端和控制端的通信“纽带”，图2是RS 485总线传输串口图。
分析图2可知，嵌入式设备信息是经由应用端采集到的，终端利用TCP/IP协议对这些信息进行接收，并经由RS 485总线传输串口传输到控制端。所设计的RS 485总线传输串口经由射频差分无线传输方式与控制端进行半双全工通信，并利用SN65LB芯片对嵌入式设备信息的监控结果和分析结果的传输进行控制。SN65LB芯片能够实现高达128个嵌入式设备信息的同时传输，其传输准确率非常高，可间接保障系统节能效果。
1.3 应用端设计
嵌入式设备节能控制系统中，应用端负责对嵌入式设备信息的监控和分析，嵌入式设备信息包括系统线路、设备能耗和设备周边环境的信息。本文选择AT91SAM9260处理器作为应用端核心部件，其为基于ARM9单片机的针脚兼容处理器，具有64 MB实时存储器、2 MB非易失闪存器和128 MB非线性宏单元存储器，可为嵌入式设备节能控制系统提供加速、总线控制、显示处理等运算功能，具有强大的编程处理能力，且价格低廉，能够满足大众的消费水平，图3是AT91SAM9260处理器结构图。
分析图3可知，AT91SAM9260处理器拥有3个拓展接口，主要进行计时电路、复位电路和锁相滤波电路等的连接，也可连接具有特殊功能的管控元件。AT91SAM9260处理器必须进行外接的元件是振荡器，且需要至少两个振荡器进行协同作业。主振荡器负责嵌入式设备信息处理的整体计时，频率通常选择为15 MHz，副振荡器则负责精细计时，频率选择为33 kHz。AT91SAM9260处理器在进行嵌入式设备信息的分析过程中，也将把主振荡器的计时结果标记到嵌入式设备信息中。
1.4 控制端设计
终端先向控制端发送节能指令，再将应用端的监控结果和分析结果传输到控制端，控制端对这些信息进行接收和控制，并根据线路和环境信息特点制定嵌入式设备的节能控制指令。控制端选用的核心控制元件是SG6742MRS控制芯片，该芯片是一种具有基于双列直插设计的标准操作程序，其额定电压为30 V，最大工作电流和频率分别为20 mA和80 kHz，可在[-40 ℃，120 ℃]環境下进行工作，并能够为所设计的嵌入式设备节能控制系统提供超强的运算能力，图4是SG6742MRS控制芯片结构图。
由图4可知，SG6742MRS控制芯片是嵌入式设备节能控制系统中最重要的部分，其拥有电源电路、串口电路、复位电路、时钟电路等外围电路。图4中给出的外围电路均是实现系统高效节能设计必不可少的。同时，SG6742MRS控制芯片还设有基于非易失闪存技术监控下的内存卡和指令设计接口。SG6742MRS控制芯片将监控结果和分析结果存储于内存卡中，利用指令设计接口对内存卡中的数据进行有序调用。
2 框架下的嵌入式设备节能控制系统软件设计
本文设计的嵌入式设备节能控制系统，对节能控制指令的实施需要经由控制软件实现，控制软件是一种在线指令实施网页，该网页的设计界面简单易懂且流程明确，其能够实现对所需节能场所中所有嵌入式设备进行节能控制，如图5所示。
分析图5可知，在线指令实施网页的界面分为4个模块。按用户的使用顺序来分：第1模块可实现嵌入式设备节能控制系统的用户注册、登录和退出；第2模块可实现嵌入式设备的区域（房间）查询，用户也可在此模块中修改个人信息、学习系统使用方法；第3模块可实现对所需节能场所中所有嵌入式设备信息进行汇总，由应用端采集到的各类监控信息将在此模块中进行展示；第4模块是系统软件的核心，此模块将会对控制端给出的嵌入式设备节能控制方案进行展示，用户可以选择是否接受该方案，也可在第2模块的用户信息中，将节能控制的接受方式改为“自动接受”。在第4模块中，系统的节能控制成果也可以被用户实时查看到。
所设计的嵌入式设备节能控制系统对嵌入式设备的控制代码设计如下：
Mold circumscription architecture _ArcNetFile {
unsigned defineHold[20]；
unsigned defineStatus[5]；
unsigned defineHandle[4]；
unsigned defineUnittype[2]；
unsigned defineFeature[2]；
unsigned defineYardman[10]；
unsigned defineOutputvalue[118]； }
ArcNetFile， *PArcNetFile；
if（REVISE_YES==g_McaMgr.GainFirstMca（m_unHandleControl， pMca， 108））
3 实验分析
实验通过对比方式，对本文系统的节能效果进行分析。用于对比的嵌入式设备节能控制系统为基于分布式管理的节能控制系统，以及基于通信协议融合技术的节能控制系统。选择三台嵌入式设备作为实验对象，令三台设备正常运行48 h并记录下实际能耗见表1。
利用本文系统、传统的基于分布式管理的节能控制系统和基于通信协议融合技术的节能控制系统分别作用于三台实验对象，并进行48 h的节能控制，实验结果输出曲线如图6所示。
分析图6可知，本文系统输出的对三种嵌入式设备节能控制成果曲线，始终位于三个系统曲线的最低位置。说明本文系统的节能效果要明显高于传统的基于分布式管理的节能控制系统和基于通信协议融合技术的节能控制系统。由于曲线图仅能展示出系统的瞬时节能效果，对于整体节能效果的梳理并不清晰，因此，将图中数据汇总成表进行对比，如表2所示。分析表2中的数据可知，经基于分布式管理的节能控制系统进行节能控制后的嵌入式设备无较大的能耗降低，证明该系统的节能效果不高，在实际应用中使用价值较低；基于通信协议融合技术的节能控制系统的节能控制效果尚可，但不及本文系统的节能控制效果。实验数据显示，本文系统几乎能够将嵌入式设备的能耗调节到其额定功率下的能耗，证明本文系统拥有较高的节能效果。
表2 节能效果对比表
4 结 语
本文设计并实现了一种嵌入式多设备节能控制系统，仿真实验证明，所设计的系统节能效果较高。
参考文献
[1] 周婷婷，杨孝安.节能环保行业融资结构对经营绩效的影响[J].西安工程大学学报，2015，29（5）：630?635.
[2] 郭金建，雷鸣意.风光互补发电的节能LED灯控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15（1）：46?48.
[3] 胡仲邦.嵌入式控制系统在景观水处理中的应用[J].杭州电子科技大学学报，2014，34（3）：99?102.
[4] 黄晓艳，杜勇前.基于物联网的分体空调集中控制系统[J].计算机测量与控制，2015，23（8）：2709?2712.
[5] 墨影，陈金灿，梁昕诺.伦茨：为机电一体化升级[J].纺织机械，2015，5（5）：36.
[6] 李鹏，刘旭东，宁福斌.基于无线数据传输的嵌入式智能酒店客房控制系统[J].潍坊学院学报，2014，14（2）：29?31.
[7] 郑晓亮，沈华军，陆卫国，等.煤矿冻结法凿井热交换节能控制系统设计[J].煤炭科学技术，2015，43（6）：97?101.
摘 要： 针对传统的嵌入式设备节能控制系统无法实现高效节能的问题，设计并实现嵌入式多设备节能控制系统，其由应用端、输出端和控制端组成。应用端对嵌入式设备信息进行监控和分析，获取到监控结果和分析结果并传输到终端。终端的网关服务器利用TCP/IP协议对监控结果和分析结果进行接收，通过RS 485总线将这些信息传输到控制端。控制端对终端传输来的监控结果和分析结果进行接收和控制，根据线路和环境信息特点制定嵌入式设备的节能控制指令。仿真实验证明，所设计的系统节能效果较高。
关键词： 嵌入式设备； 多设备； 节能控制系统； 系统设计
中图分类号： TN245?34； TM92 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0173?03
Design and implementation of embedded multi?device energy?saving control system
SHEN Yuxia， HAO Xiaohui
（Jiyuan Vocational and Technical College， Jiyuan 459000， China）
Abstract： Since the traditional embedded device energy?saving control system can't realize the high?efficiency energy saving， an embedded multi?device energy?saving control system was designed and implemented. The system is composed of the application terminal， output terminal and control terminal. The application terminal monitors and analyzes the information of the embedded device， and transmits the monitored results and analyzed results to the system terminal. The gateway server of the system terminal receives the monitored results and analyzed results by means of the TCP/IP protocol， and transmits them to the control terminal through the RS 485 bus. The control terminal receives and controls the monitored results and analyzed results from the system terminal， and formulates the energy?saving control instruction of the embedded device according to the characteristics of circuits and environmental information. The simulation experiment results show that the designed system has high energy?saving effect.
Keywords： embedded device； multi?device； energy?saving control system； system design
0 引 言
嵌入式设备是一种将软件与硬件有机结合起来进行独立工作的设备[1?3]，其在人们的日常生活、工作中应用很广。随着网络技术的不断发展，人们对嵌入式设备的能耗要求也越来越高，节能控制系统随之出现[4?6] 。传统的嵌入式设备节能控制系统如下：文献[7]设计基于监控器的嵌入式设备节能控制系统；文献[8]基于分布式管理设计嵌入式设备节能控制系统；文献[9]基于EMS设计嵌入式设备节能控制系统；文献[10]基于通信协议融合技术设计嵌入式设备节能控制系统，但这些系统维护成本较高，不适合应用于嵌入式设备较多区域的节能。为了克服传统方法的缺陷，设计并实现了一种新的嵌入式多设备节能控制系统。
1 框架下的嵌入式设备节能控制系统设计
1.1 系统整体架构设计
所设计的框架下嵌入式设备节能控制系统由应用端、终端和控制端组成，如图1所示。
分析图1可知，嵌入式多设备节能控制系统的终端主要进行嵌入式设备信息的统计、分析和通信，其核心元件是网关服务器；应用端主要进行嵌入式设备的监控和分析；控制端基于嵌入式理念，应用硬件与软件相结合的自动控制方式，实现对嵌入式设备的高效节能。
1.2 传输端设计
传输端是整个嵌入式设备节能控制系统的传输核心，其中的网关服务器可通过传输控制协议/因特网互联协议与应用端进行信息互传，并利用RS 485总线传输与控制端相连，是应用端、终端端和控制端的通信“纽带”，图2是RS 485总线传输串口图。
分析图2可知，嵌入式设备信息是经由应用端采集到的，终端利用TCP/IP协议对这些信息进行接收，并经由RS 485总线传输串口传输到控制端。所设计的RS 485总线传输串口经由射频差分无线传输方式与控制端进行半双全工通信，并利用SN65LB芯片对嵌入式设备信息的监控结果和分析结果的传输进行控制。SN65LB芯片能够实现高达128个嵌入式设备信息的同时传输，其传输准确率非常高，可间接保障系统节能效果。
1.3 应用端设计
嵌入式设备节能控制系统中，应用端负责对嵌入式设备信息的监控和分析，嵌入式设备信息包括系统线路、设备能耗和设备周边环境的信息。本文选择AT91SAM9260处理器作为应用端核心部件，其为基于ARM9单片机的针脚兼容处理器，具有64 MB实时存储器、2 MB非易失闪存器和128 MB非线性宏单元存储器，可为嵌入式设备节能控制系统提供加速、总线控制、显示处理等运算功能，具有强大的编程处理能力，且价格低廉，能够满足大众的消费水平，图3是AT91SAM9260处理器结构图。
分析图3可知，AT91SAM9260处理器拥有3个拓展接口，主要进行计时电路、复位电路和锁相滤波电路等的连接，也可连接具有特殊功能的管控元件。AT91SAM9260处理器必须进行外接的元件是振荡器，且需要至少两个振荡器进行协同作业。主振荡器负责嵌入式设备信息处理的整体计时，频率通常选择为15 MHz，副振荡器则负责精细计时，频率选择为33 kHz。AT91SAM9260处理器在进行嵌入式设备信息的分析过程中，也将把主振荡器的计时结果标记到嵌入式设备信息中。
1.4 控制端设计
终端先向控制端发送节能指令，再将应用端的监控结果和分析结果传输到控制端，控制端对这些信息进行接收和控制，并根据线路和环境信息特点制定嵌入式设备的节能控制指令。控制端选用的核心控制元件是SG6742MRS控制芯片，该芯片是一种具有基于双列直插设计的标准操作程序，其额定电压为30 V，最大工作电流和频率分别为20 mA和80 kHz，可在[-40 ℃，120 ℃]環境下进行工作，并能够为所设计的嵌入式设备节能控制系统提供超强的运算能力，图4是SG6742MRS控制芯片结构图。
由图4可知，SG6742MRS控制芯片是嵌入式设备节能控制系统中最重要的部分，其拥有电源电路、串口电路、复位电路、时钟电路等外围电路。图4中给出的外围电路均是实现系统高效节能设计必不可少的。同时，SG6742MRS控制芯片还设有基于非易失闪存技术监控下的内存卡和指令设计接口。SG6742MRS控制芯片将监控结果和分析结果存储于内存卡中，利用指令设计接口对内存卡中的数据进行有序调用。
2 框架下的嵌入式设备节能控制系统软件设计
本文设计的嵌入式设备节能控制系统，对节能控制指令的实施需要经由控制软件实现，控制软件是一种在线指令实施网页，该网页的设计界面简单易懂且流程明确，其能够实现对所需节能场所中所有嵌入式设备进行节能控制，如图5所示。
分析图5可知，在线指令实施网页的界面分为4个模块。按用户的使用顺序来分：第1模块可实现嵌入式设备节能控制系统的用户注册、登录和退出；第2模块可实现嵌入式设备的区域（房间）查询，用户也可在此模块中修改个人信息、学习系统使用方法；第3模块可实现对所需节能场所中所有嵌入式设备信息进行汇总，由应用端采集到的各类监控信息将在此模块中进行展示；第4模块是系统软件的核心，此模块将会对控制端给出的嵌入式设备节能控制方案进行展示，用户可以选择是否接受该方案，也可在第2模块的用户信息中，将节能控制的接受方式改为“自动接受”。在第4模块中，系统的节能控制成果也可以被用户实时查看到。
所设计的嵌入式设备节能控制系统对嵌入式设备的控制代码设计如下：
Mold circumscription architecture _ArcNetFile {
unsigned defineHold[20]；
unsigned defineStatus[5]；
unsigned defineHandle[4]；
unsigned defineUnittype[2]；
unsigned defineFeature[2]；
unsigned defineYardman[10]；
unsigned defineOutputvalue[118]； }
ArcNetFile， *PArcNetFile；
if（REVISE_YES==g_McaMgr.GainFirstMca（m_unHandleControl， pMca， 108））
3 实验分析
实验通过对比方式，对本文系统的节能效果进行分析。用于对比的嵌入式设备节能控制系统为基于分布式管理的节能控制系统，以及基于通信协议融合技术的节能控制系统。选择三台嵌入式设备作为实验对象，令三台设备正常运行48 h并记录下实际能耗见表1。
利用本文系统、传统的基于分布式管理的节能控制系统和基于通信协议融合技术的节能控制系统分别作用于三台实验对象，并进行48 h的节能控制，实验结果输出曲线如图6所示。
分析图6可知，本文系统输出的对三种嵌入式设备节能控制成果曲线，始终位于三个系统曲线的最低位置。说明本文系统的节能效果要明显高于传统的基于分布式管理的节能控制系统和基于通信协议融合技术的节能控制系统。由于曲线图仅能展示出系统的瞬时节能效果，对于整体节能效果的梳理并不清晰，因此，将图中数据汇总成表进行对比，如表2所示。分析表2中的数据可知，经基于分布式管理的节能控制系统进行节能控制后的嵌入式设备无较大的能耗降低，证明该系统的节能效果不高，在实际应用中使用价值较低；基于通信协议融合技术的节能控制系统的节能控制效果尚可，但不及本文系统的节能控制效果。实验数据显示，本文系统几乎能够将嵌入式设备的能耗调节到其额定功率下的能耗，证明本文系统拥有较高的节能效果。
表2 节能效果对比表
4 结 语
本文设计并实现了一种嵌入式多设备节能控制系统，仿真实验证明，所设计的系统节能效果较高。
参考文献
[1] 周婷婷，杨孝安.节能环保行业融资结构对经营绩效的影响[J].西安工程大学学报，2015，29（5）：630?635.
[2] 郭金建，雷鸣意.风光互补发电的节能LED灯控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15（1）：46?48.
[3] 胡仲邦.嵌入式控制系统在景观水处理中的应用[J].杭州电子科技大学学报，2014，34（3）：99?102.
[4] 黄晓艳，杜勇前.基于物联网的分体空调集中控制系统[J].计算机测量与控制，2015，23（8）：2709?2712.
[5] 墨影，陈金灿，梁昕诺.伦茨：为机电一体化升级[J].纺织机械，2015，5（5）：36.
[6] 李鹏，刘旭东，宁福斌.基于无线数据传输的嵌入式智能酒店客房控制系统[J].潍坊学院学报，2014，14（2）：29?31.
[7] 郑晓亮，沈华军，陆卫国，等.煤矿冻结法凿井热交换节能控制系统设计[J].煤炭科学技术，2015，43（6）：97?101.
