實驗設備運行狀況監測系統的設計與實現

車喜龍，李 達，高 闖，王國棟

（長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064）

隨著教育體制的改革，高等學校對教學設施經費投入的比重也越來越重。高等學校的儀器設備作為教學、科研和科技開發的一個最基本硬件條件，在一定程度上反映了學校教學質量、科研水平、管理水平，也從側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的新重點[1]。隨之而來的問題是，投入了大量教育經費購買的實驗設備，卻被長時間閑置，未能達到預期目的。

高等學校實驗設備作為一種教育資源，理應發揮其應有的作用，如何提高設備利用率，成為倍受各級教育部門重視的一大問題[2]。提高設備利用率需要多方面的共同努力，包括加強實驗室技術管理隊伍的建設、合理規劃實驗室結構形式、引入現代化管理理念、強化設備購置計劃管理、建立科學的評價體系等方面[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際操作的方法。

1 系統總體設計

1.1 需求概述

實驗室設備運行狀況監測系統以上層管理者的角度出發，旨在監督設備使用情況。提高學校科研實力是學校購置設備的重要目的之一，學校鼓勵教師、學生使用實驗室設備，因此有了“開放式實驗室”一詞。由于擔心設備的損壞、丟失等現象發生，通過加強培訓管理，雖然可以大大降低這些現象的發生，但設備管理人員仍希望盡可能少使用設備，如此一來，就與購置設備的初衷有所出入。作為管理者，想了解設備使用情況，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，有必要開發實驗設備運行狀況監測系統，通過事實數據來獲知設備使用情況。現在幾乎所有的實驗設備都離不開電，因此，系統基于監測設備待機、運行、關閉時不同的電流值，而達到監測設備使用情況的目的。

1.2 系統設計

系統主要分為3部分，包括電流監測模塊、中位機、上位機。電流監測模塊通過電流互感器將大電流變換為可處理的小電流，然后經由控制器轉換為數字量，再通過Zigbee模塊將數據發送至中位機，理論上可以監測上萬臺用電設備；中位機起中轉數據的作用，因為Zigbee傳輸距離有限，所以，在收到數據后，改由485有線方式將數據發往上位機。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集線器可連接數十個實驗室的中位機，監測每個實驗室的上百臺設備。如圖1所示，為系統的總體框架圖。

圖1 系統總體框圖Fig.1 System block diagram

1.3 關鍵技術論證

1）電流監測 給每個實驗設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，即可知道設備的使用情況。電流互感器是根據電磁感應原理制成的，由閉合鐵芯和繞組組成，可以把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流。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[4]。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，亦即設備用電電流。

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

2）數據傳輸 系統結合多種傳輸方式，按照預先制定的協議，共同完成設備電流數據到上位機管理系統的傳遞。包括電流監測模塊通過Zigbee模塊將數據發送到和中位機相連的Zigbee模塊，中位機再通過485總線將數據發送到管理系統。

3）特殊情況處理 系統的3部分都需要用電，因此，若電流監測模塊、中位機、管理系統之一未工作，則系統不能處理實時數據。為了避免數據遺漏，電流監測模塊在設計時充分考慮此種情況，設計了時鐘電路和存儲器，當中位機或上位機未工作時，電流監測模塊將帶有時間標識的數據存儲在EEPROM中，當中位機和上位機下次供電工作時，電流監測模塊再將數據發送至上位機。電流監測模塊供電依賴于設備供電電流，因此，正常情況下，設備工作時，電流監測模塊也必然工作。

2 硬件實現

硬件作為實現系統功能的載體之一，具有重要作用，主要包括控制器、數據采集模塊、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[5]，單條指令最快執行速度達4μs，并且兼容傳統控制器指令系統。控制器的這些特點不但大大簡化了電流監測模塊的電路復雜性、增強了監測模塊的靈活性，而且提高了其可靠性。控制器管腳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 數據采集

數據采集是指采集設備用電電流大小。電流互感器將流過設備的大電流變換為5～20 mA小電流后，調節所連接的負載，可轉換為0～5 V電壓信號。設備在開機、關機狀態時，電流不同，每種狀態對應特定電壓閾值。閾值判斷有兩種方式：比較器、A/D轉換。

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，判斷設備工作狀況。可以通過調整 R1，R2阻值，改變參考電壓大小，適應不同設備的工作狀態，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。

圖5 比較器原理圖Fig.5 Comparator schematic

2）A/D轉換 A/D轉換和比較器方式原理上一樣，都是獲取轉換后的直流電壓（轉換詳見外圍電路一節）大小。二者區別在于比較器方式是通過輸出的高低電平判斷設備工作情況，不需了解確切的電壓值，A/D方式則將電壓轉換為數字量，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設備工作狀態的判斷，但比較器方式明顯不具備通用性：當更換設備時，根據分壓計算R1，R2后，才能調節，而且可調電阻壽命有限；電流波動時，比較器輸出電平頻繁改變。A/D轉換的方式則比較靈活，更換設備后，可重新下載電流閾值（不是整個程序）。因此，系統采用A/D方式采集數據。

2.3 外圍電路

外圍電路也是系統的重要組成部分，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據，都需要將其轉換為直流信號，峰值檢波就是解決將交流信號轉換為直流信號的電路，且交流信號峰值電壓和轉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導電性以及電容儲能作用。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，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，電流監測模塊需要將相關數據暫存起來，在中位機和上位機下次上電工作時，再發送數據。因此，電流監測模塊需要存儲帶有時間標識的數據，系統分別采用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，在設備斷電時給時鐘供電，保證時間的持續性。

2.4 通信接口

圖7 實時時鐘和存儲器電路Fig.7 Real-time clock and memory circuits

系統把從電流檢測模塊所采集的數據發送給上位機管理系統，需通過Zigbee和485總線兩種通信方式。系統所采用的Zigbee數據接口為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UART，外圍電路也稍顯復雜。圖8為485總線接口原理圖[6]。中位機數據發送端轉換為485電平后，連接圖中A、B引腳。

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

3 軟件及協議設計

軟件作為系統的靈魂，直接關系著系統的可靠性、高效性、易用性，實驗設備運行狀況監測系統軟件包括控制器程序設計，中位機程序設計，以及上位機管理系統設計。中位機作為數據轉發單元，只需將收到數據按照數據包目的地進行轉發即可。

3.1 軟件設計

1）控制器程序 控制器主要負責數據采集、數據處理、數據存儲、時鐘校正、數據發送等功能。產生定時中斷后，控制器調用A/D轉換程序采集電壓信號，并根據中位機或上位機運行狀態決定直接發送還是存儲起來 （調用IIC寫程序），等待時機發送（調用IIC讀程序）[7]。產生串口中斷后，控制器首先解析數據包內容，根據標識碼判斷需要校正時間，更新設備不同狀況下電流（轉換后為電壓）的閾值，或是獲知管理系統的運行狀態。

2）管理系統 管理系統亦即運行于上位機上的軟件，基于Visual Basic程序開發平臺，負責數據接收，設備管理，報表生成等功能。管理系統可以實時的顯示設備當前運行狀態，也可以了解一段時間內設備運行狀態時，查看歷史數據或給電流監測模塊發送命令更新數據。管理系統在數據庫中為每個實驗室建立一張數據表，存儲設備的狀態信息。系統收到數據后，判定屬于哪個實驗室，然后存入相應的數據表中，并判斷是歷史數據還是實時數據，如果是實時數據則會通過狀態顯示區不同顏色指示設備狀態。系統還可以定期對數據做報表，方便相關人員查看。管理系統如圖9所示。

圖9 管理系統Fig.9 Management system

3.2 協議設計

協議是銜接下位機、上位機軟件的支架，只有遵循協議，進入通信鏈路的數據，才可以被識別并響應。協議具體如下。

1）電流監測模塊通過中位機向管理系統發送的數據包。共有3種類型：電流監測模塊發送數據時，而中位機或上位機未工作時發送的數據包A；電流監測模塊實時發送數據的數據包B；對管理系統的確認數據包C。長度為20字節、8字節和7字節，分別如表1，表2，表3所示。

表1 數據包ATab.1 Packet A

表2 數據包BTab.2 Packet B

表3 數據包CTab.3 Packet C

其中標識碼用來區分數據包類型，目的地址為管理系統編址，源地址用來區分某個實驗室的某個設備，設備狀態包括運行、待機、關機3種狀態，開始時間和結束時間為設備處于某一種狀態的起止時間，校驗為整個數據包的某種運算，用于發現傳輸過程中是否發生錯誤。

2）管理系統通過中位機向電流監測模塊發送的數據。共有3種類型數據包管理系統每次運行后告知設備可以實時發送數據的數據包D；管理系統向監電流監測模塊發送的時間校正數據包E；閾值下載數據包F。長度為7字節、13字節和8字節，分別如表4，表5，表6所示。

表4 數據包DTab.4 Packet D

表5 數據包ETab.5 Packet E

表6 數據包FTab.6 Packet F

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時間，將其下發給各電路監測模塊作為標準。

4 結束語

文中從可行性、控制器選擇、硬件方案、軟件設計及協議設計等方面系統地對“實驗設備運行狀況監測系統”進行了分析并實現，最終達到了監測實驗室設備運行、關閉狀態的目的。經過測試，不管實時監測還是斷電后再發送數據都未發生遺漏現象，很好地監督了設備使用情況，也對高校設備管理提供了一種新思路，對提高設備利用率有很大的幫助。

[1]王奇志.影響高校實驗室儀器設備利用率的幾個重要因素[J].中國現代教育裝備，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.提高高校實驗室設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.初探如何提高專業實驗室設備利用率[J].電腦知識與技術，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系列單片機器件手冊[EB/OL].（2011-10-30）.http://www.stcmcu.com/datasheet/stc/STCAD-PDF/STC12C5A60S2.pdf.

[6]李鋼.基于通信技術的土木工程健康狀態信息遠程監測系統研究[D].西安：長安大學，2009.

[7]袁夢覺，王斌.基于校園一卡通的門禁系統設計[J].電子設計工程，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.