摘 要： 由于船舶制造业施工现场用电混乱，管理层无法精确计量施工现场用电数据，导致存在能耗漏洞，电量浪费严重。以STM32F407ZET6为控制核心、RM04无线WiFi为无线通信模块，采用CR95HF为芯片的RFID模块，设计制作了一种适用于船舶制造业的智能配电桩系统。介绍了系统的硬件电路以及软件工作流程。经测试，采集得到的用电量、用电卡号以及用电时间段表明系统满足实时性无线数据信息采集和传输。在船舶制造业智能配电桩系统节能方面有较好的应用前景。

0 引言

船舶制造业属于高电耗型产业，据统计我国船舶制造业电力费用支出占据总能耗费用70%~80%以上[1]，而且，我国船舶建造的万元电耗平均水平与世界先进造船企业相比要高出5倍以上[2]。我国船舶制造业采用分级配电方式，对于一、二级的配电站，管理层可以很清晰地掌握电能的去向明细，但是针对第三级即施工现场，由于施工范围广、人员密集、工人私自接线、施工现场用电散乱等问题造成管理层对现场用电细节比较模糊，因此，造成了大面积高能耗无作业设备运行的浪费现状。同时，由于无法精确计量各个船台施工现场用电量，管理层无法抓住能耗漏洞，从而制定严格的能效考核指标实行精细化管理，造成我国船舶制造业电耗过高，浪费严重。所以对于辅助管理层精细化用电管理，杜绝现场施工人员用电陋习，减少电量浪费是十分必要的。

本文结合实际情况，设计了一种可以实现用电量实时采集、记录使用者信息、使用时间段的智能配电桩系统。利用RFID(射频识别)模块识别用户信息，主控制器STM32 通过控制继电器模块实现用电终端通断电控制，并对计量表的用电数据进行采集，所有的信息经过相关处理之后通过无线透传模块传送到数据库服务器进行存储和分析利用。智能配电桩对于辅助船舶制造业管理层针对用电精细化管理、减少能耗具有重要意义。

1 系统整体结构

因为船舶制造业施工现场工作环境复杂，作业区域电线密集，考虑到现场重新布线工作量大、改造成本高，智能配电桩利用无线通信方式可以解决现场布线难题。WiFi、蓝牙、ZigBee、3G/4G等无线通信方式都可以实现本系统中的数据信息传输功能。但是，考虑到智能配电桩传输信息量大，并且需要将数据通过互联网上传到服务器进行数据存储和分析等问题，所以选择WiFi作为智能配电桩的无线通信模块。

WiFi无线模块具有AP（无线接入点）、Client(无线客户端)、Repeater(无线中继)、Bridge(无线桥接)、Router（无线路由器）5种工作模式[3]。本系统选择Bridge(无线中继)工作模式，利用WiFi模块的桥接功能，首先将第一级WiFi模块与前端无线网络建立无线连接，然后自身发出无线信号，形成新的无线覆盖范围；再将第二级WiFi模块与前一级WiFi模块建立无线连接，自身发出无线信号，再一次形成新的无线覆盖范围；以此类推。这样可以有效解决信号弱以及信号盲点等无线覆盖问题，同时以无线接力方式可以延伸无线通信距离，防止施工现场某些智能配电桩与服务器相距较远导致通信失败。整体系统示意图如图1所示。

整体系统上层主要由能耗管理中心计算机、数据库服务器、路由器组成，并通过以太网建立通信。计算机实现现场用电信息的展示；数据库服务器实现对不同编号的智能配电桩用电信息的分类、分项和存储；路由器通过接入以太网，发出最原始的WiFi信号与现场WiFi模块建立无线连接，实现施工现场无线网络连接。系统下层主要由主控制器模块、RFID（射频识别）模块、继电器模块、无线WiFi模块、带RS485通信功能数字化计量表和SD卡模块构成。系统通信成功并正常工作时，智能配电桩会接收到服务器周期性发送的当地时间，以保证时间的同步性。当工作人员将管理层分配的身份信息卡放置到RFID模块上时，RFID将识别信息卡上的编号并通过SPI反馈到主控制器STM32F407ZET6。STM32F407ZET6判断卡号合法后，通过TTL电平信号给继电器发送闭合指令，此时现场开关接口全部接通，STM32F407ZET6通过RS485与数字化计量表通信进行用电数据采集，经过相关处理之后，通过数据包格式将用电量、用电卡号、用电时间发送到服务器，再将相关数据保存到SD卡上。当工作人员将身份信息卡从RFID模块上拿走时，STM32F407ZET6立刻向继电器发送断开指令，此时系统进入低功耗工作模式。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器

系统主控制器采用STM32F407ZET6[4-6]，基于ARM Cortex-M4[7]为内核的STM32F407ZET6集成了新的DSP和FPU指令，168 MHz的高性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新水平，大大提升了控制算法的执行速度和代码效率，加之具有丰富的外围接口，所以STM32F407ZET6适用于对计算要求较高、执行模块功能较多的智能配电桩系统。在进行软件调试时，可以采用JTAG调试接口，将标准的20针JTAG与JLINK仿真器直接连接，再通过USB与电脑相连，直接在集成开发环境μVision将编译成功源代码下载到STM32F407ZET6运行。也可以采用RS232串口转USB线将开发板与电脑连接，同时需要用跳线帽将BOOT0载跳线短接，然后在电脑上运行Flash_Loader_Demonstrator软件，选择合适串口号，先擦除原程序再下载新程序。

2.2 无线通信模块

无线通信模块是实现与远程服务器建立无线连接的核心，实现智能配电桩用户信息和计量表数据的无线传输。本设计采用RM04芯片，它是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置无线IEEE 802.11n、IEEE 802.11g，有线标准IEEE 802.3、IEEE 802.3?滋以及TCP/IP协议栈，能够实现以太网、无线网(WiFi)之间的转换。且支持WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2安全机制，64/128/152 bit WEP加密，最高传输速率可达50 000 b/s，无线传输距离最远可达200 m。同时RM04具有不同的运行模式，系统安全、稳定，所以适用于传输距离远、功耗低的智能配电桩系统。RM04系统原理图如图2所示。

2.3 射频识别模块

RFID(射频识别)模块采用CR95HF射频芯片。CR95HR是由意法半导体生产的具有多协议非接触13.56 MHz射频识别芯片。正常工作情况中，CR95HR有等待事件和激活2种工作模式。在激活模式下，CR95HR可以与微控制器或电子标签进行通信。在等待模式下，有上电、休眠、睡眠和标签检测4种状态[7-9]。本设计中的RFID模块是基于ISO/IEC 1809标准协议，使用SPI与STM32F407ZET6进行数据通信，与电子标签的通信通过脉冲位置调剂编码和副载波负载调剂实现。CR95HR射频模块电路图如图3所示。

3 系统软件设计

智能配电桩系统软件设计主要包括能耗管理中心计算机人机界面设计和控制器的软件设计。

3.1 人机界面软件设计

人机界面软件设计采用Java语言。Java语言是甲骨文公司推出的一种电脑编程语言，拥有跨平台、面向对象、泛型编程的特点。编程软件采用My Eclipse开发平台，My Eclipse具有良好的编程界面和简单易学的特点[10]，使其成为Java开发人员运用最广泛的集成开发环境之一。本设计为确保不同管理人员对信息系统的操作权限，故为不同管理人员配置了不同访问权限的账号和密码。

3.2 控制器软件设计

控制器软件开发环境选用ARM公司推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具Keil μVision4.0，Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理以及仿真调试器等开发方案。软件编程采用模块化编程思想，主要包括主程序、身份信息卡识别程序、计量表数据采集及解析程序、通信程序、底层时间校验、数据存取程序等。将编译成功的源代码通过JTAG接口下载到STM32F407ZET6运行。系统工作流程图如图4所示。

系统初始化主要包括处理器和设备外围接口初始化，保证各设备都处于正常工作状态中。相关外设配置主要包括以太网配置、串口配置、NVIC配置、SysTick配置、RTC配置，其中RTC配置是STM32F407ZET6中用于为系统提供精确的时间基准，以高精度晶体振荡器为时钟源。系统初始化完成后会进入正常工作模式，首先接收到服务器发送的时间进行时间校验，RFID模块将检测到的身份信息卡卡号发送到STM32F407ZET6进行预判断（合法卡号会提前录入到STM32控制器和数据库服务器中），当判断卡号合法后，输入高电平，此时常开继电器模块就会吸合通电，卡号非法或无信息源时，持续为低电平。当电源导通后，采集计量表数据、数据信息处理和通信工作会持续展开，但是如果此时通信失败，系统会将数据信息以数据块的形式传输到SD卡进行存储，等待下一次通信成功，会将实时数据和历史数据一同上传到数据库服务器。每成功发送一次数据，系统都会将相关寄存器清空，将指针复位，以防止数据溢出造成信息错误。如果在系统工作过程中将信息卡拿开，则由于检测不到合法信息源，继电器就会立刻断电，此设计是为了方便统计不同施工队的用电数据信息以及减少不必要的电量浪费。

4 系统测试

在进行系统整体测试之前，首先对开发板硬件进行测试。硬件测试主要对硬件制作中是否存在虚焊、连线是否错误、芯片安装是否正确等问题进行检查。在调试中，要确保电路中没有短路才能上电调试，然后测试其他供电模块的引脚，检查其电压是否满足设计要求。

系统整体测试采用两套智能配电桩系统，第一套智能配电桩系统与路由器间隔150 m，并与路由器建立无线连接；第二套智能配电桩系统与第一套间隔150 m，接收第一套智能配电桩系统WiFi模块发出的无线信号。这样布置的目的是为了检测无线WiFi模块是否达到无线接力功能的要求。实际测试过程中两套智能配电桩均能满足正常工作要求，其中第一套智能配电桩测试结果如图5所示。

测试结果表明：

(1)无线WiFi模块信号可以满足无线接力传输要求，并且无线信号长时间稳定，数据网络传输满足100 h不间断测试，且网络传输延时最大为5 s；

(2)RFID模块工作稳定，对信息卡是否合法的判断准确，能及时为控制器提供是否闭合继电器的信号；

(3)计算机获得的智能配电桩系统用电数据信息准确，满足设计要求。

5 结论

本设计将刷卡取电、用电计量、无线抄表等功能集于一体，方便管理层对船舶制造业施工现场用电管理。智能配电桩系统的运用能加强管理层人员对用电现场的监控、管理，减少工人随意接线导致电量浪费现象。未来的研究方向主要是对每一个船台作业区域智能配电桩的用电数据进行对比分析，运用数据挖掘方法，为管理层探索出一系列能效考核指标，进一步加强用电管理，减少能耗成本。

参考文献

[1] 王宝琳.浅析船厂中用电的节能措施[J].中国修船，2010，2(1)：29-30.

[2] 叶小烈，王楠，任婷婷，等.面向船舶行业能源管理信息系统研究[A]；第十六届中国科协论文集[C].2014.

[3] 崔贯勋.物联网高级实践技术[M].北京：清华大学出版社，2014.

[4] STMicroelectronics.STM32F101xx，STM32F102xx，STM32F103xx，STM32F105xx and STM32F107xx advanced ARM-based 32-bit MCUs reference manual[EB/OL](2011)[2016].http：//http://download.siliconexpert.com/pdfs/2015/9/10/5/48/38/900/st_/manual/49256716625486392cd00220364.pdf.

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[6] 刘杰，陈昌川.基于固件的ARM Cortex M4原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2015.

[7] 张艳，刘占杰，李媛.嵌入式系统的RFID读卡器和无源标签设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13(8)：52-55.

[8] STMicroeletronics.CR95HF Datasheet.[EB/OL](2012)[2016].http：//http://download.siliconexpert.com/pdfs/2014/11/30/5/43/31/554/st_/manual/9dm00025644.pdf.

[9] STMicroeletronics.Designing an antenna for the M24LRxx-R and M24LRxxE-Rdual interface I2C/RFID devices.[EB/OL](2010)[2016].http：//http://download.siliconexpert.com/pdfs/2011/6/27/0/2/38/812/tnl_/manual/file.php3696.pdf.

[10] 朱晓龙.Java语言程序设计教程[M].北京：人民邮电出版社，2015.