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(中國科學技術大學工程科學學院，安徽 合肥 230027)

ZigBee的智能電源監(jiān)控系統(tǒng)設計

熊鐘虎，顧永剛，翟超

(中國科學技術大學工程科學學院，安徽 合肥 230027)

0 引言

為大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡(LAMOST)光纖定位系統(tǒng)的64個電源設計一套實時監(jiān)控系統(tǒng)[1]。為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，監(jiān)控系統(tǒng)加入微機監(jiān)控，可以通過微控制器的通信功能把電源的各狀態(tài)上傳給上位機，讓上位機做出相應處理[2-3]。為避免硬件空間設計上的壓力，數(shù)據(jù)傳送采用無線ZigBee技術。系統(tǒng)具有易于移動，設計結構簡單，方便系統(tǒng)升級等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)要求與方案選擇

LAMOST光纖定位裝置由4 000多個光纖單元組成，每個單元上都有2個電機。這些單元由64個電源供電。因電源的工作異常會影響到整個定位系統(tǒng)的執(zhí)行效率，所以對電源進行實時監(jiān)控是有必要的。系統(tǒng)中電源數(shù)量較多，且不易移動、安裝，可以為每個電源設計一個模塊，實現(xiàn)對電源參數(shù)的采集和控制。通過無線局域網(wǎng)絡，把這些模塊的數(shù)據(jù)匯總到一個協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器負責與上位機的數(shù)據(jù)通訊。

設計的系統(tǒng)框圖如圖1所示，終端設備實現(xiàn)電源參數(shù)的采集與電源的控制，并通過無線ZigBee網(wǎng)絡與協(xié)調(diào)器通信，實現(xiàn)電源參數(shù)和上位機命令的傳送。協(xié)調(diào)器作為中間傳輸媒介，通過串口與上位機通信，實現(xiàn)電源狀態(tài)的反饋以及上位機命令的下達。PC對數(shù)據(jù)處理并作出相應處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 硬件設計

硬件系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器和終端設備。終端設備實現(xiàn)對電源參數(shù)的采集、電源的控制以及與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信，其電路主要包含采樣電路、控制電源電路和無線模塊等。協(xié)調(diào)器通過串口實現(xiàn)與上位機傳遞數(shù)據(jù)，通過無線ZigBee網(wǎng)絡與終端設備通信，其電路主要包含無線模塊和串口電路等。

1.2.1 采樣電路

采樣電路對電源的電壓和電流采集，把得到的數(shù)據(jù)傳送給上位機處理。當電源參數(shù)超出警戒值時，由上位機發(fā)送切斷電源命令，當上位機發(fā)送標定命令時，由采樣電路采集電源參數(shù)并返回給上位機。

光纖定位系統(tǒng)正常工作情況下電源電流空載時在1.8A左右波動，滿載在7～8A波動。如果直接把電源線串入電路板中，由于電流較大，在電路板上布置銅線較寬，長時間大電流工作可能會燒壞電路板，影響整個監(jiān)控系統(tǒng)?；魻杺鞲衅鞯姆墙佑|測量，可以把電源線穿過霍爾傳感器的通孔，解決了電路板的安全隱患[4]?？紤]到電源安全，選取的霍爾傳感器最大電流為30A，額定電流為15A，額定輸出為0.625V?？梢灾苯影鸦魻杺鞲衅鹘尤雴纹瑱C的A/D轉(zhuǎn)換端口，為提高分辨率采用10位A/D轉(zhuǎn)換器，得到的電流分辨率為0.08A。

因為單片機的A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓為3.3V，光纖定位系統(tǒng)正常工作時電源電壓在15V左右，電壓可以先經(jīng)過分壓電路，把電壓調(diào)整到AD采樣端口的采樣范圍，再接上電壓跟隨器，提高輸入阻抗，保證電壓的測量精度。測量用8位A/D轉(zhuǎn)換器，電壓分辨率為0.07 V，可滿足電壓的分辨率。

霍爾傳感器和分壓電阻的誤差都會影響電流和電壓的測量精度，因?qū)嶋H使用中對電壓和電流精度沒有太高要求，測量精度能滿足系統(tǒng)要求。

1.2.2 控制電源電路

控制電源電路目的是保護光纖定位裝置及其供電系統(tǒng)。當電源工作出現(xiàn)異常，由繼電器控制關閉電源，避免后端設備與電源的工作異常，起到保護作用。電源線直接串到繼電器2個接口，電流通過繼電器內(nèi)部，不會在電路板產(chǎn)生大電流。

電源控制電路如圖2所示，單片機的PTA0端口作為控制信號控制電源的通斷。因光耦PC817驅(qū)動能力有限，添加三極管S9013放大電流滿足繼電器的啟動電流。當繼電器U4關閉時，線圈電壓瞬變產(chǎn)生大電流，二極管D2起到續(xù)流作用。為避免數(shù)字電路的高頻信號干擾模擬電路，用0歐電阻R10隔離數(shù)字地與模擬地。

圖2 電源控制電路

1.2.3 無線模塊

無線模塊實現(xiàn)終端設備與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)傳送功能。無線模塊采用freescale的MC13213單片機作為主芯片，該單片機是由一個8位單片機MC9S08GB60和無線收發(fā)器MC13192封裝在一起，內(nèi)部使用SPI通訊。其采用的無線ZigBee技術，其物理層的數(shù)據(jù)傳輸速度為250kb/s[5]，能滿足協(xié)調(diào)器與終端設備之間通信速度的要求。

1.3 軟件設計

ZigBee的網(wǎng)絡結構有星型網(wǎng)絡和mesh網(wǎng)絡。星型網(wǎng)絡相對mesh網(wǎng)絡結構簡單，易于搭建，且滿足系統(tǒng)設計要求。系統(tǒng)的星型網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器和64個終端設備組成。協(xié)調(diào)器與64個終端設備雙向通信，終端設備之間不進行數(shù)據(jù)通信。

1.3.1 PAN協(xié)調(diào)器軟件流程

圖3 協(xié)調(diào)器軟件流程

協(xié)調(diào)器作為上位機與終端設備的通訊橋梁，起到數(shù)據(jù)匯總與傳達的功能，是通過串口接收和發(fā)送上位機數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡與終端設備傳遞數(shù)據(jù)和命令。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖3所示，單片機上電后對PAN協(xié)調(diào)器初始化，包括無線模塊和串口的設置。此時收發(fā)器處于接收狀態(tài)，進行等待。當接收到PC的串口數(shù)據(jù)后，收發(fā)器被設置為發(fā)送狀態(tài)，協(xié)調(diào)器發(fā)送PC傳遞的數(shù)據(jù)給終端設備。當發(fā)送完數(shù)據(jù)后設置收發(fā)器為接收狀態(tài)，等待終端設備數(shù)據(jù)返回。當有數(shù)據(jù)返回時，觸發(fā)無線中斷，通過串口把返回的數(shù)據(jù)傳給PC。

1.3.2 終端設備軟件流程

圖4 終端設備軟件流程

終端設備的功能有電源參數(shù)的采集、電源的控制和與PAN協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳送，其具體實現(xiàn)包含AD采樣、發(fā)送電源控制信號和寫入Flash標定值等。終端設備的工作流程如圖4所示，終端設備的單片機初始化后進入等待狀態(tài)，當中斷產(chǎn)生后，根據(jù)接收命令，協(xié)調(diào)器執(zhí)行相應操作。由于傳感器的精度與溫差等原因，正式監(jiān)控之前要對系統(tǒng)進行標定，可通過上位機把標定過后的值寫入單片機的flash中，為以后采樣提供修正。為了安全起見，可以由上位機直接下達命令關閉電源，也可以由終端設備自行關斷，這取決于終端設備單片機flash中的值，可以預先設置。

1.3.3 上位機程序

上位機實現(xiàn)對整個電源系統(tǒng)的操作，包括設置串口、對下位機發(fā)送命令、保存數(shù)據(jù)、標定和警戒等功能。標定時上位機通過發(fā)送采樣命令，把返回得到的采樣數(shù)據(jù)與電流鉗和萬用表所測數(shù)據(jù)用最小二乘法進行處理，計算出的標定值發(fā)送給終端設備并存入flash，為以后采樣提供修正。對電源的保護可以通過設置警戒值來實現(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗，警戒值的設置應略高于正常值。采用VC++設計的電源監(jiān)控系統(tǒng)的軟件界面[6]。

2 實驗結果

為了驗證設計的可行性，研究搭建一套簡易系統(tǒng)，由1個協(xié)調(diào)器和2個終端設備組成。實驗過程選取64個電源中的2個電源進行監(jiān)控。設置電機工作流程為正轉(zhuǎn)，停止，再反轉(zhuǎn)，給2組電機供給不同脈沖，得到測量數(shù)據(jù)如圖5所示。當電壓值穩(wěn)定在15V左右，空載電流為1.8A，滿載電流為7～8A,且滿載時，電壓會略微下降,符合電源正常工作情況。

以往工作條件所得數(shù)據(jù)為正常狀態(tài)電流8A左右，空載電流1.8A左右。對比實驗結果，可以看出數(shù)據(jù)基本吻合。因所做實驗并未出現(xiàn)電源參數(shù)異常，通過人為加載負載模擬電機的異常工作，當電流超過警戒值時，單片機發(fā)出關閉電源信號，繼電器切斷電源，實現(xiàn)預期目標。

圖5 數(shù)據(jù)采集處理

3 結束語

系統(tǒng)是對多個電源實時監(jiān)控，不改變光纖定位裝置供電系統(tǒng)，采用無線ZigBee技術解決了系統(tǒng)空間布線困難的問題。電源監(jiān)控功能很好地預防了電源的異常工作，有效地保護了整個系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采樣標定的方法，減小了傳感器和環(huán)境等因素所造成測量誤差。數(shù)據(jù)的保存有利于后續(xù)查看和處理。系統(tǒng)驗證了對2個電源的實時監(jiān)控，主要功能基本實現(xiàn)，將在此基礎搭建64個電源的完整監(jiān)控系統(tǒng)。

[1] 劉志剛,江暉,謝志林.LAMOST光纖定位裝置參數(shù)設置[J].光學技術，2010(3)：239-243.

[2] 徐璜.基于MSP430F149單片機的電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[3] 黃國兵,楊國軍.無人值守開關電源監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].電氣技術與自動化，2006(3)：110-113.

[4] 郭軍,劉和平,劉平.基于大電流檢測的霍爾傳感器應用[J].應用技術，2011(5)：142-145.

[5] 呂治安.ZigBee網(wǎng)絡原理與應用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6] 孫鑫.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Design of Intelligent Power Monitoring System Based on ZigBee

XIONGZhonghu,GUYonggang,ZHAIChao

(School of Engineering Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)

針對大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡(LAMOST)光纖定位系統(tǒng)的供電電源設計一套監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)包括終端設備、協(xié)調(diào)器和上位機。終端設備的功能有對電源運行的數(shù)據(jù)采集和電源的通斷控制。協(xié)調(diào)器作為通訊橋梁，負責與上位機和終端設備的數(shù)據(jù)傳送。上位機對采集的數(shù)據(jù)處理并發(fā)送相應命令。因協(xié)調(diào)器與終端設備采用無線ZigBee技術進行通訊，解決了硬件空間上的壓力，此外系統(tǒng)還有結構簡單，易于移動等優(yōu)點。搭建的驗證系統(tǒng)在實驗上驗證了該方案的可行性。

電源；ZigBee；監(jiān)控

For power supply of optical fiber positioning device of Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopy Telescope (LAMOST) design a power monitoring system,which includes terminal equipment,coordinator and PC.The terminal achieve data collection and on-off power.Coordinator as a communications bridge for data transfer with the host computer and terminal equipment.PC process data acquisition and send commands.Due to coordination with terminal equipment to communicate using wireless zigbee technology to solve the pressure on the hardware space,in addition to the system there is a simple structure,easy to move and so on.Authentication system built on experiments to verify the feasibility of the program.

power,ZigBee;monitoring

2014-04-01

TL503.5

A

1001-2257(2014)08-0059-03

熊鐘虎(1988-)，男，江西九江人，碩士研究生，研究方向為無線ZigBee技術;顧永剛(1983-)，男，江蘇張家港人，工程師，研究方向為精密測量與虛擬機技術;翟超(1968-)，男，教授，研究方向為機電一體化設計、測控技術與幾何測量新方法等。