树莓派3B + 微型计算机作为智能楼宇自动化管理系统中的中央控制单元

摘要

本文旨在展示在智能建筑安装中使用更新版本的树莓派3B型 +作为智能楼宇自动化系统中的中央控制单元时，可能实现的电费 节约效果。文章对比了中央控制系统的两种设备的电力消耗，即基于 Windows的小型计算机和树莓派微型计算机。在智能安装系统处于 空闲时段和标准操作期间，对这些设备的功耗进行了测量。测量结果 证明，在智能楼宇管理系统中使用更新版本的树莓派3B型+作为中 央控制单元更加经济且节能。

1 引言

本研究旨在展示由于采用更新版的树莓派3B+型号作为中央单元，智能建筑安装系 统中节约电能的可能性。研究的主要目的是在执行标准操作时检查功耗情况。研究中 使用了两个设备，即一台功耗最低的个人电脑和一台树莓派微型计算机。为了开展研究，选择了一台功耗最低的个人电脑，并将其结果与新型号树莓派3B+ 的结果进行比较。

树莓派3B+模块是一种微型化的完整个人计算机的等效设备。该微型计算机的 外部尺寸仅为86x54毫米[11]。这种小型机箱内包含了将微型计算机用作普通个人 计算机所需的所有组件[10]。该设备最重要的部分是集成Cortex‐A53图形的64位博 通BC2837ARM‐8四核处理器。3B型号的运行内存+已增加至1GB，硬盘则采用 MicroSD卡，插入设备读卡器中使用。这种解决方案允许每位用户根据当前需求和微 型计算机的使用方式灵活调整存储卡容量。存储卡上可安装多种专用操作系统之一， 以执行特定任务，例如作为办公计算机、家庭多媒体中心、迷你游戏机、智能电视、 智能家居中心、计算机程序员等用途。此外，还可通过U盘（闪存盘）或外部USB硬 盘连接额外的存储模块以保存数据− 。

表1. 树莓派3B+型号[1]的参数

树莓派3B+型号的主要电源是microUSB连接器。标称供电电压为5瓦；然而， 根据技术数据，微型计算机可消耗的最大功率约为6瓦[4]。但需要注意的是，微型计 算机还需为所有连接的外设供电。在无任何应用程序运行的状态下，其台式机功耗约 为3瓦特的能量。因此，与个人电脑或其他多媒体设备[9]相比，功耗显著更低。5伏 电源和极低的功耗使该微型计算机成为需要连续运行或长电池寿命项目的理想解决方 案[5]。

中央控制单元被安装在现有的智能家居系统中，作为智能楼宇自动化系统的中央单元。最初没有连接任何设备连接到系统。它们被逐步集成到系统中，以使中央单元能够为后续设备提供服务并测 量功耗。最终，该安装实现了对灯光、电源插座及其连接设备的控制，以及对公寓内 环境条件（温度、湿度、漏水、运动）的监测。Domoticz软件被选择并安装在中央 单元上，因为它可以操作所有设备。执行模块基于AtMEGA2560微控制器，并通过 这些控制器控制半导体和机械继电器模块。所有传感器也直接连接到AtMEGA微控制 器[7]。

灯光控制既可以通过安装在墙壁上的单稳态按钮（通常位于安装连接器位置）实现， 也可以通过适用于几乎所有硬件平台的应用程序或网站[2]进行。电源插座的控制只能通 过应用程序或网站完成。所有传感器的读数会持续发送到Domoticz软件，在该软件中这 些读数被任意解释，从而能够根据所读取参数的数值[3]生成统计信息并执行相应操作。

使用运动传感器可以在检测到特定房间内的运动后执行编程操作。这种功能使得 在检测到运动时（例如通过入口门进入、前往浴室或厨房时），能够在门厅内按预设 时间自动开启灯光[7]。当预设时间结束后，灯光会自动关闭，无需按下任何按钮。对于其他传感器，在检测到运动后不会执行任何操作，仅保存运动传感器提供的日期和 时间数据。

作为另一个中央单元，使用了一个位于机箱中的微型个人电脑。与树莓派类似，该系 统中也在此单元上安装了Domoticz系统，并将系统中的所有设备都连接到该单元。

表2。计算机参数

使用树莓派型号的另一个优势是其输出/输入（通用输入输出）。通用输入输出 GPIO是一种用于外围设备与微处理器之间通信的接口类型[7]。树莓派3B+型号具 有一个由40个镀金引脚组成的通用输入输出接口，排列为两排，每排二十个，引脚间 距约为2.54间距栅格（引脚间距）。在控制程序中，每个引脚都可以配置为输入或输 出，部分引脚还可执行额外功能[8]。例如3号和5号引脚（图3），它们既可以作为普 通输入和输出，同时又可用作I2C接口的通信引脚。同样，UART、SPI和PWM接口 的引脚也已引出。上述引脚可用于直接控制家庭自动化设备，而无需提供额外驱动程 序。

2 研究描述

研究分几个阶段进行。第一阶段是在家用自动化管理系统中安装中央单元，对其进行 设置并启动。最初使用的是个人电脑，随后改用树莓派3B+型号。之后，将所有设 备及其控制器从系统中断开，以便测量中央单元的功耗。每次测量持续一小时，在此 期间系统对两个中央单元执行相同的具体操作。每十秒记录一次电力消耗数值，最终 结果为所接收数据的算术平均值。为了测量系统本身的功耗，中央单元保持运行，但未控制任何设备。在断开设备连接的情况下测量功耗一小时后， 连接了一个基于AtMega2560微处理器的灯光控制器。在一个房间内进行的一小时测 量周期中，灯光被点亮和关闭了六十次。需要注意的是，控制器的逻辑部分由中央单 元供电，而灯光则直接由电网供电。最终的算术平均值也是根据所获得的数据得出的。

下一步是断开灯光控制器并开启插件式控制器。同样，测量持续一小时，在此期 间其中一个开关被打开和关闭了六十次。接下来测试的驱动程序是温度传感器驱动程 序。在一小时的测量过程中，传感器以每20秒一次的频率读取五个房间的温度，并将 数据发送到中央单元，中央单元将接收到的温度记录在数据库中。如此高的读取频率 仅用于研究目的。在正常使用时，传感器每五分钟读取一次温度，以减少能耗并避免 不必要的通信通道占用。完成温度传感器的测量后，将其断开，并接入运动传感器控 制器。在一小时的测量过程中，所有运动传感器被激活了十次。所获得的数据用于计 算算术平均值，结果已放入下方图表中。随后，断开该驱动程序并开启水浸传感器。电力消耗再次测量一小时。在测量期间，传感器被激活六次。第一阶段测量的最后一 步是测量整个系统在所有设备连接到中央单元时运行过程中的电力消耗。所有设备驱 动程序仅由中央系统单元供电。测量再次持续一小时，在此期间，安装执行的操作与 之前步骤完全相同。

2 研究描述（续）

上图显示，在两种情况下，连续控制器和设备的能耗非常相似。然而，电力消耗的差异明显可见。经过更深入的分析可以得出，这种差异并不取决于所连接的设备，而是取决于系统本身的中央单元。尽管两个控制面板的硬件配置存在显著差异，以及通信方法和通信速度不同，但特定设备中的控制器并未影响功耗。因此，显然所选中央单元的类型并未引起电力消耗的变化。测试未显示出设备响应时间或系统运行方面的任何差异。因此可以说，适当选择中央单元有助于降低智能楼宇自动化管理系统的电力消耗。

3 结论

本研究旨在展示利用新型树莓派3B模型+作为智能楼宇自动化系统中的中央单元，在智能建筑安装中节省电力的可能性。多阶段测试显示了被测单元之间的电力消耗差异，使用树莓派微型计算机每年最多可节省28千瓦时。然而，使用特定单元并不会影响设备运行速度或系统的使用舒适度。可以看出，选用合适的中央单元有助于降低电费。

选择合适解决方案主要取决于中央单元自身的功耗。使用新型树莓派3B模型+执行此功能更加经济，能够有效降低电费。此外，树莓派模型作为系统中央单元的有效性还体现在其体积小以及长期无故障运行且无需用户干预的特点。