實驗設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對高校設(shè)備利用率低的現(xiàn)象，提出了一種基于電流監(jiān)測的實驗設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)方法。系統(tǒng)以STC12C5A60S2為電流監(jiān)測模塊控制器，結(jié)合Zigbee和485總線通信方式，將實驗設(shè)備運行狀況的信息進行集中管理，以較小的代價，大大簡化了監(jiān)督實驗設(shè)備使用情況的工作流程，給管理人員提供了極大的便利。經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)可以運行正常、穩(wěn)定，可以適應斷電等情況，完全滿足設(shè)計需求，具有較高的推廣應用價值。
關(guān)鍵詞：實驗室；設(shè)備管理；電流互感器；峰值檢波

    隨著教育體制的改革，高等學校對教學設(shè)施經(jīng)費投入的比重也越來越重。高等學校的儀器設(shè)備作為教學、科研和科技開發(fā)的一個最基本硬件條件，在一定程度上反映了學校教學質(zhì)量、科研水平、管理水平，也從側(cè)面反映出了學校的實力，實驗室硬件裝備已成為高校競爭力建設(shè)的新重點。隨之而來的問題是，投入了大量教育經(jīng)費購買的實驗設(shè)備，卻被長時間閑置，未能達到預期目的。
    高等學校實驗設(shè)備作為一種教育資源，理應發(fā)揮其應有的作用，如何提高設(shè)備利用率，成為倍受各級教育部門重視的一大問題。提高設(shè)備利用率需要多方面的共同努力，包括加強實驗室技術(shù)管理隊伍的建設(shè)、合理規(guī)劃實驗室結(jié)構(gòu)形式、引入現(xiàn)代化管理理念、強化設(shè)備購置計劃管理、建立科學的評價體系等方面，這些都是理論方面的探索，有必要從管理方面尋求一種可實際操作的方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
1．1 需求概述
    實驗室設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)以上層管理者的角度出發(fā)，旨在監(jiān)督設(shè)備使用情況。提高學?？蒲袑嵙κ菍W校購置設(shè)備的重要目的之一，學校鼓勵教師、學生使用實驗室設(shè)備，因此有了“開放式實驗室”一詞。由于擔心設(shè)備的損壞、丟失等現(xiàn)象發(fā)生，通過加強培訓管理，雖然可以大大降低這些現(xiàn)象的發(fā)生，但設(shè)備管理人員仍希望盡可能少使用設(shè)備，如此一來，就與購置設(shè)備的初衷有所出入。作為管理者，想了解設(shè)備使用情況，只能通過匯報工作時了解一些信息，不能如實反映事實。因此，有必要開發(fā)實驗設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)，通過事實數(shù)據(jù)來獲知設(shè)備使用情況?，F(xiàn)在幾乎所有的實驗設(shè)備都離不開電，因此，系統(tǒng)基于監(jiān)測設(shè)備待機、運行、關(guān)閉時不同的電流值，而達到監(jiān)測設(shè)備使用情況的目的。
1．2 系統(tǒng)設(shè)計
    系統(tǒng)主要分為3部分，包括電流監(jiān)測模塊、中位機、上位機。電流監(jiān)測模塊通過電流互感器將大電流變換為可處理的小電流，然后經(jīng)由控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過Zigbee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至中位機，理論上可以監(jiān)測上萬臺用電設(shè)備；中位機起中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的作用，因為Zigbee傳輸距離有限，所以，在收到數(shù)據(jù)后，改由485有線方式將數(shù)據(jù)發(fā)往上位機。485總線可連接上百個負載，而且傳輸距離可達上千米。上位機建立各個設(shè)備的使用狀況信息表，并制作報表。上位機通過485集線器可連接數(shù)十個實驗室的中位機，監(jiān)測每個實驗室的上百臺設(shè)備。如圖1所示，為系統(tǒng)的總體框架圖。

1．3 關(guān)鍵技術(shù)論證
    1)電流監(jiān)測  給每個實驗設(shè)備的用電回路安裝電流互感器，通過采集傳感器感應電流大小，即可知道設(shè)備的使用情況。電流互感器是根據(jù)電磁感應原理制成的，由閉合鐵芯和繞組組成，可以把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流。在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要變換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓多都比較高，直接測量比較危險，電流互感器起到變流和電器隔離的作用。圖2為電流互感器原理圖。通過測量二次回路電流大小，可間接計算出一次回路電流大小，亦即設(shè)備用電電流。

    2)數(shù)據(jù)傳輸  系統(tǒng)結(jié)合多種傳輸方式，按照預先制定的協(xié)議，共同完成設(shè)備電流數(shù)據(jù)到上位機管理系統(tǒng)的傳遞。包括電流監(jiān)測模塊通過Zigbee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到和中位機相連的Zigbee模塊，中位機再通過485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理系統(tǒng)。
    3)特殊情況處理  系統(tǒng)的3部分都需要用電，因此，若電流監(jiān)測模塊、中位機、管理系統(tǒng)之一未工作，則系統(tǒng)不能處理實時數(shù)據(jù)。為了避免數(shù)據(jù)遺漏，電流監(jiān)測模塊在設(shè)計時充分考慮此種情況，設(shè)計了時鐘電路和存儲器，當中位機或上位機未工作時，電流監(jiān)測模塊將帶有時間標識的數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中，當中位機和上位機下次供電工作時，電流監(jiān)測模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。電流監(jiān)測模塊供電依賴于設(shè)備供電電流，因此，正常情況下，設(shè)備工作時，電流監(jiān)測模塊也必然工作。

2 硬件實現(xiàn)
    硬件作為實現(xiàn)系統(tǒng)功能的載體之一，具有重要作用，主要包括控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、外圍電路、通信接口，硬件框圖如圖3所示。

2．1 控制器
    電流監(jiān)測模塊的最大特點是性價比高，這源于價格低廉，功能齊全的微控制器-STC12C5A60S2。它提供2路串行通信接口，8路高速的10位A／D，單條指令最快執(zhí)行速度達4μs，并且兼容傳統(tǒng)控制器指令系統(tǒng)?？刂破鞯倪@些特點不但大大簡化了電流監(jiān)測模塊的電路復雜性、增強了監(jiān)測模塊的靈活性，而且提高了其可靠性?？刂破鞴苣_及外圍電路接口如圖4所示。

2．2 數(shù)據(jù)采集
    數(shù)據(jù)采集是指采集設(shè)備用電電流大小。電流互感器將流過設(shè)備的大電流變換為5～20 mA小電流后，調(diào)節(jié)所連接的負載，可轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號。設(shè)備在開機、關(guān)機狀態(tài)時，電流不同，每種狀態(tài)對應特定電壓閾值。閾值判斷有兩種方式：比較器、A／D轉(zhuǎn)換。
    1)比較器  比較器為常見的集成運算放大器LM324。同相端連接負載兩端的電壓信號，反相端連接參考電壓，當同相端輸入電壓大于反相端電壓時，運算放大器輸出端CMP為高電平，反之輸出端CMP為低電平，控制器通過采集運算放大器輸出CMP，判斷設(shè)備工作狀況?？梢酝ㄟ^調(diào)整R1，R2阻值，改變參考電壓大小，適應不同設(shè)備的工作狀態(tài)，一般用滑動變阻器代替R1，R2。圖5所示為比較器方式下的原理圖。

    2)A／D轉(zhuǎn)換  A／D轉(zhuǎn)換和比較器方式原理上一樣，都是獲取轉(zhuǎn)換后的直流電壓(轉(zhuǎn)換詳見外圍電路一節(jié))大小。二者區(qū)別在于比較器方式是通過輸出的高低電平判斷設(shè)備工作情況，不需了解確切的電壓值，A／D方式則將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后和閾值比較，做出判斷。
    從上面可以看出，兩種方式都可以實現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的判斷，但比較器方式明顯不具備通用性；當更換設(shè)備時，根據(jù)分壓計算R1，R2后，才能調(diào)節(jié)，而且可調(diào)電阻壽命有限；電流波動時，比較器輸出電平頻繁改變。A／D轉(zhuǎn)換的方式則比較靈活，更換設(shè)備后，可重新下載電流閾值(不是整個程序)。因此，系統(tǒng)采用A／D方式采集數(shù)據(jù)。
2．3 外圍電路
    外圍電路也是系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括峰值檢波、實時時鐘、存儲器。
    1)峰值檢波
    由于電流互感器輸出信號為交流信號，不管采用何種方式采集數(shù)據(jù)，都需要將其轉(zhuǎn)換為直流信號，峰值檢波就是解決將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號的電路，且交流信號峰值電壓和轉(zhuǎn)換后的直流信號電壓相同。電壓采集完畢后，對電容放電，進行下一次峰值檢波。其原理是利用二極管的單向?qū)щ娦砸约半娙輧δ茏饔?。圖6所示為峰值檢波原理圖。

    由于電流互感器輸出為交流信號，如果運放大器放采用單極性電源供電，峰值檢波效果不好，因此，采用正負9 V供電。此外，運放放大器采用9 V供電，還可以避免因輸入信號過大而飽和。二級運放輸出連接5 V穩(wěn)壓管，防止電壓過大，燒毀單片機A／D管腳。
    2)實時時鐘和存儲器
    當中位機或者上位機未工作時，電流監(jiān)測模塊需要將相關(guān)數(shù)據(jù)暫存起來，在中位機和上位機下次上電工作時，再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，電流監(jiān)測模塊需要存儲帶有時間標識的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分別采用AT24C02和DS1302作為存儲器和時鐘芯片。圖7為實時時鐘和存儲器電路，圖中Bat為電池，在設(shè)備斷電時給時鐘供電，保證時間的持續(xù)性。

2．4 通信接口
    系統(tǒng)把從電流檢測模塊所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機管理系統(tǒng)，需通過Zigbee和485總線兩種通信方式。系統(tǒng)所采用的Zigbee數(shù)據(jù)接口為TTL型UART，可以和控制器直接相連，因此不再詳細介紹。485作為一種總線標準，具有傳輸距離遠，可掛接多個負載的特點，但相比于UAR T，外圍電路也稍顯復雜。圖8為485總線接口原理圖。中位機數(shù)據(jù)發(fā)送端轉(zhuǎn)換為485電平后，連接圖中A、B引腳。

3 軟件及協(xié)議設(shè)計
    軟件作為系統(tǒng)的靈魂，直接關(guān)系著系統(tǒng)的可靠性、高效性、易用性，實驗設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括控制器程序設(shè)計，中位機程序設(shè)計，以及上位機管理系統(tǒng)設(shè)計。中位機作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元，只需將收到數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)包目的地進行轉(zhuǎn)發(fā)即可。
3．1 軟件設(shè)計
    1)控制器程序  控制器主要負責數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、時鐘校正、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。產(chǎn)生定時中斷后，控制器調(diào)用A／D轉(zhuǎn)換程序采集電壓信號，并根據(jù)中位機或上位機運行狀態(tài)決定直接發(fā)送還是存儲起來(調(diào)用IIC寫程序)，等待時機發(fā)送(調(diào)用IIC讀程序)。產(chǎn)生串口中斷后，控制器首先解析數(shù)據(jù)包內(nèi)容，根據(jù)標識碼判斷需要校正時間，更新設(shè)備不同狀況下電流(轉(zhuǎn)換后為電壓)的閾值，或是獲知管理系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
    2)管理系統(tǒng)  管理系統(tǒng)亦即運行于上位機上的軟件，基于Visual Basic程序開發(fā)平臺，負責數(shù)據(jù)接收，設(shè)備管理，報表生成等功能。管理系統(tǒng)可以實時的顯示設(shè)備當前運行狀態(tài)，也可以了解一段時間內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)時，查看歷史數(shù)據(jù)或給電流監(jiān)測模塊發(fā)送命令更新數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫中為每個實驗室建立一張數(shù)據(jù)表，存儲設(shè)備的狀態(tài)信息。系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，判定屬于哪個實驗室，然后存入相應的數(shù)據(jù)表中，并判斷是歷史數(shù)據(jù)還是實時數(shù)據(jù)，如果是實時數(shù)據(jù)則會通過狀態(tài)顯示區(qū)不同顏色指示設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)還可以定期對數(shù)據(jù)做報表，方便相關(guān)人員查看。管理系統(tǒng)如圖9所示。

3．2 協(xié)議設(shè)計
    協(xié)議是銜接下位機、上位機軟件的支架，只有遵循協(xié)議，進入通信鏈路的數(shù)據(jù)，才可以被識別并響應。協(xié)議具體如下。
    1)電流監(jiān)測模塊通過中位機向管理系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。共有3種類型：電流監(jiān)測模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時，而中位機或上位機未工作時發(fā)送的數(shù)據(jù)包A；電流監(jiān)測模塊實時發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包B；對管理系統(tǒng)的確認數(shù)據(jù)包C。長度為20字節(jié)、8字節(jié)和7字節(jié)，分別如表1，表2，表3所示。

    其中標識碼用來區(qū)分數(shù)據(jù)包類型，目的地址為管理系統(tǒng)編址，源地址用來區(qū)分某個實驗室的某個設(shè)備，設(shè)備狀態(tài)包括運行、待機、關(guān)機3種狀態(tài)，開始時間和結(jié)束時間為設(shè)備處于某一種狀態(tài)的起止時間，校驗為整個數(shù)據(jù)包的某種運算，用于發(fā)現(xiàn)傳輸過程中是否發(fā)生錯誤。
    2)管理系統(tǒng)通過中位機向電流監(jiān)測模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。共有3種類型數(shù)據(jù)包管理系統(tǒng)每次運行后告知設(shè)備可以實時發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包D；管理系統(tǒng)向監(jiān)電流監(jiān)測模塊發(fā)送的時間校正數(shù)據(jù)包E；閾值下載數(shù)據(jù)包F。長度為7字節(jié)、13字節(jié)和8字節(jié)，分別如表4，表5，表6所示。

    標識碼、目的地址、源地址、校驗和上述含義相同。當前時間字段為管理系統(tǒng)時間，將其下發(fā)給各電路監(jiān)測模塊作為標準。

4 結(jié)束語
    文中從可行性、控制器選擇、硬件方案、軟件設(shè)計及協(xié)議設(shè)計等方面系統(tǒng)地對“實驗設(shè)備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)”進行了分析并實現(xiàn)，最終達到了監(jiān)測實驗室設(shè)備運行、關(guān)閉狀態(tài)的目的。經(jīng)過測試，不管實時監(jiān)測還是斷電后再發(fā)送數(shù)據(jù)都未發(fā)生遺漏現(xiàn)象，很好地監(jiān)督了設(shè)備使用情況，也對高校設(shè)備管理提供了一種新思路，對提高設(shè)備利用率有很大的幫助。