車(chē)喜龍，李 達(dá)，高 闖，王國(guó)棟

（長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著教育體制的改革，高等學(xué)校對(duì)教學(xué)設(shè)施經(jīng)費(fèi)投入的比重也越來(lái)越重。高等學(xué)校的儀器設(shè)備作為教學(xué)、科研和科技開(kāi)發(fā)的一個(gè)最基本硬件條件，在一定程度上反映了學(xué)校教學(xué)質(zhì)量、科研水平、管理水平，也從側(cè)面反映出了學(xué)校的實(shí)力，實(shí)驗(yàn)室硬件裝備已成為高校競(jìng)爭(zhēng)力建設(shè)的新重點(diǎn)[1]。隨之而來(lái)的問(wèn)題是，投入了大量教育經(jīng)費(fèi)購(gòu)買(mǎi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，卻被長(zhǎng)時(shí)間閑置，未能達(dá)到預(yù)期目的。

高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為一種教育資源，理應(yīng)發(fā)揮其應(yīng)有的作用，如何提高設(shè)備利用率，成為倍受各級(jí)教育部門(mén)重視的一大問(wèn)題[2]。提高設(shè)備利用率需要多方面的共同努力，包括加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)管理隊(duì)伍的建設(shè)、合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)形式、引入現(xiàn)代化管理理念、強(qiáng)化設(shè)備購(gòu)置計(jì)劃管理、建立科學(xué)的評(píng)價(jià)體系等方面[3]，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(shí)際操作的方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求概述

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)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(xué)?？蒲袑?shí)力是學(xué)校購(gòu)置設(shè)備的重要目的之一，學(xué)校鼓勵(lì)教師、學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，因此有了“開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室”一詞。由于擔(dān)心設(shè)備的損壞、丟失等現(xiàn)象發(fā)生，通過(guò)加強(qiáng)培訓(xùn)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(lái)，就與購(gòu)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(guò)匯報(bào)工作時(shí)了解一些信息，不能如實(shí)反映事實(shí)。因此，有必要開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)事實(shí)數(shù)據(jù)來(lái)獲知設(shè)備使用情況?，F(xiàn)在幾乎所有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都離不開(kāi)電，因此，系統(tǒng)基于監(jiān)測(cè)設(shè)備待機(jī)、運(yùn)行、關(guān)閉時(shí)不同的電流值，而達(dá)到監(jiān)測(cè)設(shè)備使用情況的目的。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為3部分，包括電流監(jiān)測(cè)模塊、中位機(jī)、上位機(jī)。電流監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)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(guò)Zigbee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至中位機(jī)，理論上可以監(jiān)測(cè)上萬(wàn)臺(tái)用電設(shè)備；中位機(jī)起中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的作用，因?yàn)閆igbee傳輸距離有限，所以，在收到數(shù)據(jù)后，改由485有線(xiàn)方式將數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)。485總線(xiàn)可連接上百個(gè)負(fù)載，而且傳輸距離可達(dá)上千米。上位機(jī)建立各個(gè)設(shè)備的使用狀況信息表，并制作報(bào)表。上位機(jī)通過(guò)485集線(xiàn)器可連接數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)室的中位機(jī)，監(jiān)測(cè)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的上百臺(tái)設(shè)備。如圖1所示，為系統(tǒng)的總體框架圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

1.3 關(guān)鍵技術(shù)論證

1）電流監(jiān)測(cè) 給每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的用電回路安裝電流互感器，通過(guò)采集傳感器感應(yīng)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(yīng)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(guò)一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流。在測(cè)量交變電流的大電流時(shí)，為便于二次儀表測(cè)量需要變換為比較統(tǒng)一的電流，另外線(xiàn)路上的電壓多都比較高，直接測(cè)量比較危險(xiǎn)，電流互感器起到變流和電器隔離的作用[4]。圖2為電流互感器原理圖。通過(guò)測(cè)量二次回路電流大小，可間接計(jì)算出一次回路電流大小，亦即設(shè)備用電電流。

圖2 電流互感器原理圖Fig.2 Schematic of the current transformer

2）數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng)結(jié)合多種傳輸方式，按照預(yù)先制定的協(xié)議，共同完成設(shè)備電流數(shù)據(jù)到上位機(jī)管理系統(tǒng)的傳遞。包括電流監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)Zigbee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到和中位機(jī)相連的Zigbee模塊，中位機(jī)再通過(guò)485總線(xiàn)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(cè)模塊、中位機(jī)、管理系統(tǒng)之一未工作，則系統(tǒng)不能處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為了避免數(shù)據(jù)遺漏，電流監(jiān)測(cè)模塊在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮此種情況，設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器，當(dāng)中位機(jī)或上位機(jī)未工作時(shí)，電流監(jiān)測(cè)模塊將帶有時(shí)間標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM中，當(dāng)中位機(jī)和上位機(jī)下次供電工作時(shí)，電流監(jiān)測(cè)模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。電流監(jiān)測(cè)模塊供電依賴(lài)于設(shè)備供電電流，因此，正常情況下，設(shè)備工作時(shí)，電流監(jiān)測(cè)模塊也必然工作。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

硬件作為實(shí)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。

圖3 硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram

2.1 控制器

電流監(jiān)測(cè)模塊的最大特點(diǎn)是性?xún)r(jià)比高，這源于價(jià)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[5]，單條指令最快執(zhí)行速度達(dá)4μs，并且兼容傳統(tǒng)控制器指令系統(tǒng)?？刂破鞯倪@些特點(diǎn)不但大大簡(jiǎn)化了電流監(jiān)測(cè)模塊的電路復(fù)雜性、增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)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。

圖4 控制器管腳及外圍電路接口Fig.4 Controller pin and peripheral circuit interface

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(guò)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(fù)載，可轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號(hào)。設(shè)備在開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)狀態(tài)時(shí)，電流不同，每種狀態(tài)對(duì)應(yīng)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(jiàn)的集成運(yùn)算放大器LM324。同相端連接負(fù)載兩端的電壓信號(hào)，反相端連接參考電壓，當(dāng)同相端輸入電壓大于反相端電壓時(shí)，運(yùn)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(guò)采集運(yùn)算放大器輸出CMP，判斷設(shè)備工作狀況?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整 R1，R2阻值，改變參考電壓大小，適應(yīng)不同設(shè)備的工作狀態(tài)，一般用滑動(dòng)變阻器代替R1，R2。圖5所示為比較器方式下的原理圖。

圖5 比較器原理圖Fig.5 Comparator schematic

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(jiàn)外圍電路一節(jié)）大小。二者區(qū)別在于比較器方式是通過(guò)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(shí)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(dāng)更換設(shè)備時(shí)，根據(jù)分壓計(jì)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(dòng)時(shí)，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(gè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器。

1）峰值檢波

由于電流互感器輸出信號(hào)為交流信號(hào)，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(hào)，峰值檢波就是解決將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)的電路，且交流信號(hào)峰值電壓和轉(zhuǎn)換后的直流信號(hào)電壓相同。電壓采集完畢后，對(duì)電容放電，進(jìn)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?chǔ)能作用。圖6所示為峰值檢波原理圖。

圖6 峰值檢波原理圖Fig.6 Schematic diagram of the peak detector

由于電流互感器輸出為交流信號(hào)，如果運(yùn)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(fù)9 V供電。此外，運(yùn)放放大器采用9 V供電，還可以避免因輸入信號(hào)過(guò)大而飽和。二級(jí)運(yùn)放輸出連接5 V穩(wěn)壓管，防止電壓過(guò)大，燒毀單片機(jī)A/D管腳。

2）實(shí)時(shí)時(shí)鐘和存儲(chǔ)器

當(dāng)中位機(jī)或者上位機(jī)未工作時(shí)，電流監(jiān)測(cè)模塊需要將相關(guān)數(shù)據(jù)暫存起來(lái)，在中位機(jī)和上位機(jī)下次上電工作時(shí)，再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，電流監(jiān)測(cè)模塊需要存儲(chǔ)帶有時(shí)間標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分別采用AT24C02和DS1302作為存儲(chǔ)器和時(shí)鐘芯片。圖7為實(shí)時(shí)時(shí)鐘和存儲(chǔ)器電路，圖中Bat為電池，在設(shè)備斷電時(shí)給時(shí)鐘供電，保證時(shí)間的持續(xù)性。

2.4 通信接口

圖7 實(shí)時(shí)時(shí)鐘和存儲(chǔ)器電路Fig.7 Real-time clock and memory circuits

系統(tǒng)把從電流檢測(cè)模塊所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)管理系統(tǒng)，需通過(guò)Zigbee和485總線(xiàn)兩種通信方式。系統(tǒng)所采用的Zigbee數(shù)據(jù)接口為T(mén)TL型UART，可以和控制器直接相連，因此不再詳細(xì)介紹。485作為一種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸距離遠(yuǎn)，可掛接多個(gè)負(fù)載的特點(diǎn)，但相比于UART，外圍電路也稍顯復(fù)雜。圖8為485總線(xiàn)接口原理圖[6]。中位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送端轉(zhuǎn)換為485電平后，連接圖中A、B引腳。

圖8 485總線(xiàn)接口原理圖Fig.8 Schematic diagram of the 485 bus interface

3 軟件及協(xié)議設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件包括控制器程序設(shè)計(jì)，中位機(jī)程序設(shè)計(jì)，以及上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。中位機(jī)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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)即可。

3.1 軟件設(shè)計(jì)

1）控制器程序 控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)鐘校正、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。產(chǎn)生定時(shí)中斷后，控制器調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換程序采集電壓信號(hào)，并根據(jù)中位機(jī)或上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)決定直接發(fā)送還是存儲(chǔ)起來(lái) （調(diào)用IIC寫(xiě)程序），等待時(shí)機(jī)發(fā)送（調(diào)用IIC讀程序）[7]。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(biāo)識(shí)碼判斷需要校正時(shí)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(yùn)行狀態(tài)。

2）管理系統(tǒng) 管理系統(tǒng)亦即運(yùn)行于上位機(jī)上的軟件，基于Visual Basic程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，設(shè)備管理，報(bào)表生成等功能。管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的顯示設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，也可以了解一段時(shí)間內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，查看歷史數(shù)據(jù)或給電流監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送命令更新數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中為每個(gè)實(shí)驗(yàn)室建立一張數(shù)據(jù)表，存儲(chǔ)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(gè)實(shí)驗(yàn)室，然后存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，并判斷是歷史數(shù)據(jù)還是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如果是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則會(huì)通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)做報(bào)表，方便相關(guān)人員查看。管理系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 管理系統(tǒng)Fig.9 Management system

3.2 協(xié)議設(shè)計(jì)

協(xié)議是銜接下位機(jī)、上位機(jī)軟件的支架，只有遵循協(xié)議，進(jìn)入通信鏈路的數(shù)據(jù)，才可以被識(shí)別并響應(yīng)。協(xié)議具體如下。

1）電流監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)中位機(jī)向管理系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。共有3種類(lèi)型：電流監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，而中位機(jī)或上位機(jī)未工作時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)包A；電流監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包B；對(duì)管理系統(tǒng)的確認(rèn)數(shù)據(jù)包C。長(zhǎng)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。

表1 數(shù)據(jù)包ATab.1 Packet A

表2 數(shù)據(jù)包BTab.2 Packet B

表3 數(shù)據(jù)包CTab.3 Packet C

其中標(biāo)識(shí)碼用來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包類(lèi)型，目的地址為管理系統(tǒng)編址，源地址用來(lái)區(qū)分某個(gè)實(shí)驗(yàn)室的某個(gè)設(shè)備，設(shè)備狀態(tài)包括運(yùn)行、待機(jī)、關(guān)機(jī)3種狀態(tài)，開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間為設(shè)備處于某一種狀態(tài)的起止時(shí)間，校驗(yàn)為整個(gè)數(shù)據(jù)包的某種運(yùn)算，用于發(fā)現(xiàn)傳輸過(guò)程中是否發(fā)生錯(cuò)誤。

2）管理系統(tǒng)通過(guò)中位機(jī)向電流監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。共有3種類(lèi)型數(shù)據(jù)包管理系統(tǒng)每次運(yùn)行后告知設(shè)備可以實(shí)時(shí)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(cè)模塊發(fā)送的時(shí)間校正數(shù)據(jù)包E；閾值下載數(shù)據(jù)包F。長(zhǎng)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。

表4 數(shù)據(jù)包DTab.4 Packet D

表5 數(shù)據(jù)包ETab.5 Packet E

表6 數(shù)據(jù)包FTab.6 Packet F

標(biāo)識(shí)碼、目的地址、源地址、校驗(yàn)和上述含義相同。當(dāng)前時(shí)間字段為管理系統(tǒng)時(shí)間，將其下發(fā)給各電路監(jiān)測(cè)模塊作為標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中從可行性、控制器選擇、硬件方案、軟件設(shè)計(jì)及協(xié)議設(shè)計(jì)等方面系統(tǒng)地對(duì)“實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”進(jìn)行了分析并實(shí)現(xiàn)，最終達(dá)到了監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)行、關(guān)閉狀態(tài)的目的。經(jīng)過(guò)測(cè)試，不管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)高校設(shè)備管理提供了一種新思路，對(duì)提高設(shè)備利用率有很大的幫助。

[1]王奇志.影響高校實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備利用率的幾個(gè)重要因素[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2006（10）:25-27.WANG Qi-zhi.Several key factors affectiong the use ratio of laboratory facilities in fnstitution[J].China Modern Education Equipment，2006（10）:25-27.

[2]燕鳴.提高高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備使用率途徑的研究[J].教育科普，2011（2）:51-52.YAN Ming.A study on how to improve the utilization rate of experimental equipment in colleges[J].Education Popularizer，2011（2）:51-52.

[3]曹良林，張順利.初探如何提高專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2008,4（7）：1919-1920，1922.C AO Liang-lin，Z HANG Shun-li.How initially search to raise the specialized bench-scale equipment use factor[J].Computer Knowledge and Technology，2008，4（7）：1919－1920，1922.

[4]互感器 [EB/OL].[2012-02].http://baike.baidu.com/view/141150.htm.

[5]宏晶科技.STC12C 5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB/OL].（2011-10-30）.http://www.stcmcu.com/datasheet/stc/STCAD-PDF/STC12C5A60S2.pdf.

[6]李鋼.基于通信技術(shù)的土木工程健康狀態(tài)信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[7]袁夢(mèng)覺(jué)，王斌.基于校園一卡通的門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011（10）:129-130.YUAN Meng-jue，WANG Bin.Design of entrance guard system based on campus card system[J].Electronic Design Engineering，2011（10）:129-130.