余鵬程，錢 楷，周月喬，田相鵬

（湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000）

0 引 言

對(duì)于科研設(shè)備的管理往往存在電源無關(guān)斷或?qū)υO(shè)備的使用信息無記錄的情況，如何高效發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的利用率，提高能量效率，成為亟待解決的問題[1-4]。因此，對(duì)科研設(shè)備實(shí)行智能化管理有著重要的研究意義。

基于ZigBee的電源管理技術(shù)在生活應(yīng)用領(lǐng)域的研究正在不斷深入。例如曾寶國等實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室電源的電壓、電流參數(shù)，并逆向上報(bào)監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可根據(jù)上報(bào)數(shù)據(jù)判斷電源的工作情況進(jìn)行狀態(tài)控制[5]。尹小曼等對(duì)室內(nèi)環(huán)境嵌入式監(jiān)測(cè)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成Linux操作系統(tǒng)的移植和用戶交互圖形界面的功能測(cè)試，能夠有效進(jìn)行家居環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[6]。王海林等為解決學(xué)生上課與實(shí)驗(yàn)時(shí)間的矛盾、高校實(shí)驗(yàn)室存在設(shè)備利用率不高的情況，通過擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)智能卡進(jìn)行管理，能夠及時(shí)關(guān)斷實(shí)驗(yàn)室設(shè)備[7]。綜合上述研究來看，對(duì)于科研設(shè)備的管理還存在智能化程度不高，管理不及時(shí)等現(xiàn)象，可以從控制器的效率方面著手進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高利用率。

本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee技術(shù)的科研設(shè)備用電智能管理系統(tǒng)，以提高能源的利用效率和設(shè)備的智能化管理水平，各節(jié)點(diǎn)之間采用自組網(wǎng)技術(shù)，通過繼電器控制開斷，利用串口將收集到的信息顯示到串口屏，由此完成人工智能管理。

1 實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)總體方案

本項(xiàng)目通過采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室科研設(shè)備用電智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。與匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)管理軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室設(shè)備用電智能管理系統(tǒng)，能有效提升實(shí)驗(yàn)室科研設(shè)備用電的智能化管理水平。

在信息采集端，選用RFID射頻卡完成對(duì)人員信息的采集，當(dāng)用戶讀入ID卡時(shí)，ID卡上的信息便會(huì)由門禁系統(tǒng)通過串口發(fā)送給ZigBee的終端。終端將利用ZigBee無線發(fā)送的優(yōu)勢(shì)，將ID卡的信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[8-11]，之后協(xié)調(diào)器將信息發(fā)送給STM32，在STM32中編寫一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫[12]，若數(shù)據(jù)庫中有此卡的信息，便會(huì)下發(fā)打開繼電器開關(guān)命令，閃存當(dāng)前ID卡信息，并記錄當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)設(shè)備使用結(jié)束后，學(xué)生二次靠卡，STM32返回關(guān)閉信息，斷開繼電器開關(guān)，同時(shí)記錄結(jié)束時(shí)間。實(shí)驗(yàn)室[13]科研設(shè)備智能開關(guān)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

我們選用ZigBee通信，不僅減少了布線的成本投入，又降低了維護(hù)的難度，增強(qiáng)了通信的靈活性，而且用于監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的廉價(jià)性使得對(duì)每臺(tái)用電設(shè)備的用電量進(jìn)行智能監(jiān)控[14-15]成為可能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性使新的節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)，且無效節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)刪除而不會(huì)對(duì)原有通信系統(tǒng)造成影響。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主控電路

圖2所示為STM32開發(fā)板與相關(guān)外圍模塊的接口電路，具有如下功能。

（1）從串口接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的信號(hào)，并將信號(hào)與片內(nèi)的數(shù)據(jù)庫對(duì)比，從而下發(fā)命令回調(diào)給協(xié)調(diào)器，進(jìn)而控制繼電器的開合。

（2）利用串口將收集的信息顯示到串口屏上，實(shí)現(xiàn)信息的可視化。STM32F429IG網(wǎng)關(guān)外圍電路主要包括晶振電路、復(fù)位電路與協(xié)調(diào)器的接口電路以及電源供電電路。復(fù)位電路采用阻容復(fù)位電路，晶振電路采用典型的無源晶振電路，其 他接口則只需與外接模塊電路相連接即可。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖2 STM32開發(fā)板外接電路

端口PA9和PA10為串口1的收發(fā)引腳，實(shí)現(xiàn)其與協(xié)調(diào)器的信息傳送，PB10與PB11是STM32與串口屏的連接引腳，實(shí)現(xiàn)信息的可視化。STM32芯片需要2個(gè)晶振，一個(gè)為25 MHz，另一個(gè)為32.768 kHz，以此提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，并與時(shí)鐘保持一致。VDD口外接電源電路，由于芯片工作電壓為3.3 V，因此電源電路通過CJA/117B將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，使芯片正常工作。

2.2 ZigBee終端設(shè)備繼電器開關(guān)電路

電源的開合通過繼電器[13]實(shí)現(xiàn)，當(dāng)終端收到數(shù)據(jù)庫的回調(diào)命令后，通過繼電器進(jìn)行電源管理。圖3所示為繼電器開關(guān)電路，CC2530通過P0_7口輸出，選用MOS管控制開關(guān)繼電器的關(guān)合。當(dāng)輸出口為高電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，線圈中有電流導(dǎo)致繼電器吸合；當(dāng)輸出口為低電平時(shí)，MOS管截止，相當(dāng)于斷開狀態(tài)，線圈中無電流或電流不足以吸合繼電器開關(guān)。在線圈回路中加一個(gè)二極管D1，防止MOS管的集電極承受瞬間高壓而損壞。

圖3 繼電器開關(guān)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4所示為系統(tǒng)主程序。當(dāng)STM32串口收到信息后會(huì)將信息與片內(nèi)自寫數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)串口信息比對(duì)成功后，STM32一方面將信息送往串口屏顯示，另一方面將繼續(xù)判斷刷卡次數(shù)是否為1，若為第一次刷卡則發(fā)送開繼電器命令，反之則發(fā)送關(guān)閉命令。

STM32串口端的信息由ZigBee無線傳輸，首先聲明一個(gè)串口回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能：終端串口接收讀卡器上傳的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)串口收到數(shù)據(jù)之后存在串口緩存區(qū)，按照數(shù)據(jù)庫協(xié)議的格式打包存儲(chǔ)，并運(yùn)用無線發(fā)送函數(shù)點(diǎn)播出去。

數(shù)據(jù)并非逐個(gè)發(fā)送或接收，而是將所得到的數(shù)據(jù)以約定的格式打包之后發(fā)送出去，我們將此數(shù)據(jù)包稱為心跳包。其格式為：魔法樹，4 B（韋根信息）；DRC，1 B（校驗(yàn)）；Cmdid，指令類型；DeviceID，2 B（APP層設(shè)備地址）；Switch State，1 B（開關(guān)狀態(tài)）。

在終端無線發(fā)送函數(shù)當(dāng)中，先將魔法樹中的信息賦給無線發(fā)送緩存區(qū)，將指令類型數(shù)據(jù)、設(shè)備地址、開關(guān)狀態(tài)的相應(yīng)消息賦給每一字節(jié)。本文約定的協(xié)議為20 B，當(dāng)設(shè)備數(shù)量增多時(shí)以便留有一定裕度，當(dāng)其未達(dá)到20 B時(shí)，自動(dòng)填充字節(jié)數(shù)據(jù)位0x20，完成數(shù)據(jù)的打包。打包之后調(diào)用ZigBee協(xié)議棧中的無線發(fā)送函數(shù)上傳協(xié)調(diào)器。

圖4 系統(tǒng)主程序

若終端子節(jié)點(diǎn)收到無線數(shù)據(jù)，則首先按照心跳包協(xié)議拆分?jǐn)?shù)據(jù)包。具體拆分過程如下：

數(shù)據(jù)包格式即服務(wù)器端約定了通信協(xié)議后，不同設(shè)備之間通過此協(xié)議來完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。定義協(xié)議頭見表1所列。

表1 通信協(xié)議頭

指令類型見表2所列。

表2 通信協(xié)議相關(guān)指令

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)實(shí)物搭建效果如圖5所示。系統(tǒng)上電后，終端設(shè)備LED燈全亮，ZigBee節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)，幾秒之后，LED1熄滅，表示組網(wǎng)成功。終端設(shè)備刷入ID卡信息之后，串口屏正確顯示ID卡上信息并記錄刷卡時(shí)間，二次刷卡之后顯示結(jié)束時(shí)間，如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物搭載模型

圖6 系統(tǒng)串口屏顯示

5 結(jié) 語

針對(duì)科研設(shè)備利用率低，管理困難等問題所搭建的實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)，充分利用ZigBee無線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)信息可以有效收發(fā)。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電源管理系統(tǒng)能夠及時(shí)關(guān)斷電路節(jié)約能耗、提高設(shè)備利用率，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)切實(shí)可行，具有廣闊的應(yīng)用前景。