開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘 要： 由于受實(shí)驗(yàn)人員對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室設(shè)備熟悉程度不同的影響，以往研究出的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)無法有效保障實(shí)驗(yàn)人員的用電安全，壓力測(cè)試結(jié)果不理想。因此，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)安全用電、壓力測(cè)試結(jié)果較為理想的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要利用網(wǎng)絡(luò)控制器、數(shù)據(jù)庫、控制服務(wù)器和移動(dòng)終端，對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備和普通使用者對(duì)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行信息化管理。控制服務(wù)器中的設(shè)備控制芯片選用51單片機(jī)，并給出51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、復(fù)位電路和振蕩電路。其中，復(fù)位電路為系統(tǒng)提供手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩種復(fù)位方法，振蕩電路主要為51單片機(jī)供給脈沖。軟件分別賦予普通使用者、系統(tǒng)管理員和超級(jí)用戶不同權(quán)限和系統(tǒng)功能，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全用電，且其壓力測(cè)試結(jié)果較為理想。

關(guān)鍵詞： 開放實(shí)驗(yàn)室； 信息化； 配電管理系統(tǒng)； 用電安全

中圖分類號(hào)： TN911?34； TM734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0027?04

Abstract： The previously?developed information distribution management system of open laboratory couldn′t guarantee the electricity security of the experimenters， and has unsatisfied pressure test result because the experimenters have not familiarity to the open laboratory equipments. Therefore， the information distribution management system of open laboratory was designed， which can guarantee the electricity security and get ideal pressure test result. This system performs information management for the electric equipments of open laboratory and experimental equipment operation of the ordinary users by means of network controller， database， control server and mobile terminal. The 51 SCM is chosen as the equipment control chip in the control server， and its fundamental structure， reset circuit and oscillation circuit are given. The reset circuit provides the manual reset and power?on reset for the system. The oscillation circuit provides the pulse for 51 SCM. The ordinary users， system administrators and super users are endowed with different permissions and system functions independently by software. The system database is studied. The experimental results show that the designed information distribution management system of open laboratory can guarantee the electricity security， and get the ideal pressure test result.

Keywords： open laboratory； informatization； power distribution management system； electricity security

0 引 言

近年來，各高校逐漸建立開放實(shí)驗(yàn)室，供各專業(yè)人員研究使用。由于各專業(yè)實(shí)驗(yàn)的多樣性和開放實(shí)驗(yàn)室的高頻使用，給開放實(shí)驗(yàn)室配電系統(tǒng)的合理運(yùn)行帶來了一定壓力。各高校開始傾向于利用信息化的手段構(gòu)建配電管理系統(tǒng)[1?3]。由于受實(shí)驗(yàn)人員對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室設(shè)備熟悉程度不同的影響，以往研究出的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)無法有效保障實(shí)驗(yàn)人員的用電安全，以及開放實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，研究出一種能夠?qū)崿F(xiàn)安全用電、壓力測(cè)試結(jié)果較為理想的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)，是各高校關(guān)注的重點(diǎn)[4?6]。

以往研究出的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)均存在一定問題，文獻(xiàn)[1]研究出嵌入式開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)將其軟件應(yīng)用端與單片機(jī)融合在一起，并構(gòu)建了瀏覽器/服務(wù)器模型，使系統(tǒng)能夠?qū)﹂_放實(shí)驗(yàn)室的用電操作進(jìn)行遠(yuǎn)程信息化管理，此系統(tǒng)的壓力測(cè)試結(jié)果較為理想，但無法有效保障實(shí)驗(yàn)人員的用電安全。文獻(xiàn)[7]研究出基于MySQL數(shù)據(jù)庫的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用MySQL數(shù)據(jù)庫構(gòu)建瀏覽器/服務(wù)器模型，其價(jià)格低廉，且能夠有效保障實(shí)驗(yàn)人員的用電安全，但壓力測(cè)試結(jié)果有待提高。文獻(xiàn)[8]研究出基于GIS的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)利用GIS的以上優(yōu)勢(shì)，為開放實(shí)驗(yàn)室的用電設(shè)備提供了合理的信息化管理功能，但其價(jià)格昂貴，無法在高校內(nèi)實(shí)施大面積推廣。文獻(xiàn)[9]研究出基于AM/FM的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用AM/FM對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室的用電操作進(jìn)行合理規(guī)劃，其壓力測(cè)試結(jié)果較為理想，但無法有效保障實(shí)驗(yàn)人員的用電安全。

借鑒上述開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，摒棄其中缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)安全用電、壓力測(cè)試結(jié)果較為理想的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)。

1 開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)利用雙向通信的方式，賦予使用者特定管理權(quán)限，使系統(tǒng)管理員能夠通過移動(dòng)終端隨時(shí)隨地管理開放實(shí)驗(yàn)室的用電設(shè)備，以及普通使用者對(duì)用電設(shè)備的實(shí)時(shí)操作。圖1是系統(tǒng)整體架構(gòu)圖。

由圖1可知，開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)融合了多種電子科學(xué)應(yīng)用技術(shù)，系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)控制器處于應(yīng)用層，其基于超文本傳輸協(xié)議構(gòu)建；開放實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備處于運(yùn)輸層，其基于傳輸控制協(xié)議構(gòu)建；數(shù)據(jù)庫處于網(wǎng)絡(luò)層，以能滿足數(shù)據(jù)庫不斷增長的內(nèi)存；控制服務(wù)器處于數(shù)據(jù)鏈路層，其利用設(shè)備控制芯片處理系統(tǒng)的傳輸誤差；移動(dòng)終端處于物理層，為使用者提供各項(xiàng)功能服務(wù)。

開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)人員的用電安全，使用者僅在被賦予系統(tǒng)管理員權(quán)限的情況下，才能夠?qū)﹂_放實(shí)驗(yàn)室中的用電設(shè)備進(jìn)行信息化配電管理。系統(tǒng)管理員首先向開放實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備確認(rèn)管理請(qǐng)求，請(qǐng)求成功后系統(tǒng)會(huì)生成惟一管理指令。該管理指令連同用電設(shè)備操作信息，將利用雙向通信的方式被傳送到網(wǎng)絡(luò)控制器中，網(wǎng)絡(luò)控制器借鑒數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，對(duì)用電設(shè)備操作信息進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算、信息挖掘和控制，確保系統(tǒng)管理流程精準(zhǔn)無誤。隨后，控制服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制器中的控制信息進(jìn)行糾錯(cuò)，糾錯(cuò)結(jié)果會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫并傳送到移動(dòng)終端。移動(dòng)終端是整個(gè)系統(tǒng)最低層的硬件設(shè)備，其傳輸技術(shù)選用ZigBee。ZigBee是遠(yuǎn)程監(jiān)管領(lǐng)域中最常用的傳輸技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于自身對(duì)數(shù)據(jù)信息的安全穩(wěn)定傳送和接收能力，以及其低能耗和較高的管理效率。

1.2 設(shè)備控制芯片設(shè)計(jì)

設(shè)備控制芯片是開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全用電、保障壓力測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)元件，系統(tǒng)選用51單片機(jī)作為設(shè)備控制芯片。51單片機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、功能較為完善的控制芯片，其基本結(jié)構(gòu)見圖2。

由圖2可知，并行I/O口為51單片機(jī)提供了較高的傳輸速率，并能夠有效簡化51單片機(jī)對(duì)控制信息的控制流程；串行通信口用于實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)和移動(dòng)終端的信息傳送；中斷系統(tǒng)能夠進(jìn)行控制信息的實(shí)時(shí)控制，并自動(dòng)修正電路故障，進(jìn)而增強(qiáng)51單片機(jī)控制效率；程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別用來存儲(chǔ)51單片機(jī)中的代碼和變量信息，程序存儲(chǔ)器只能進(jìn)行信息的讀取，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以對(duì)存入其中的信息進(jìn)行讀取和修改。上述研究成果能夠保護(hù)開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)信息的安全性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制器將其控制信息傳送給控制服務(wù)器時(shí)，控制服務(wù)器中的51單片機(jī)通過串口對(duì)控制信息進(jìn)行接收，并同時(shí)調(diào)用其內(nèi)部時(shí)鐘對(duì)控制流程進(jìn)行計(jì)時(shí)。51單片機(jī)通過分析控制信息中的幀信息，完成對(duì)控制信息的糾錯(cuò)。51單片機(jī)內(nèi)部還配備了復(fù)位電路和振蕩電路，如圖3、圖4所示。

由圖3可知，51單片機(jī)為開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)提供了兩種復(fù)位方法，分別是手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位是使用者進(jìn)行的人為復(fù)位操作，使用者按住復(fù)位按鈕后，復(fù)位腳會(huì)被給予電源的高電平。松開后，51單片機(jī)便開始運(yùn)行；在上電復(fù)位進(jìn)行中，由于電容C的兩端電壓不會(huì)發(fā)生突變，故電源利用電容C為51單片機(jī)提供5 V高電平，并經(jīng)由10 kΩ的電阻為電容C進(jìn)行反向充電。當(dāng)復(fù)位腳電平降為零時(shí)，51單片機(jī)便開始自動(dòng)運(yùn)行。

由圖4可知，振蕩電路的主要作用是為51單片機(jī)供給脈沖。振蕩電路的頻率與51單片機(jī)的運(yùn)行效率呈正相關(guān)性，但過高的頻率也會(huì)造成存儲(chǔ)器中的信息擁堵，故選用12 MHz的振蕩電路較為適合。為使51單片機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，電容C1，C2的規(guī)格選擇了66 pF，并對(duì)電容進(jìn)行陶瓷封裝。

2 開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)安全用電、壓力測(cè)試結(jié)果較為理想的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)，在軟件研究中應(yīng)選取階梯式的信息化管理，即為不同階層使用者賦予合理的系統(tǒng)使用權(quán)限，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備的單獨(dú)控制、統(tǒng)一管理，如圖5所示。

由圖5可知，登錄、修改密碼和系統(tǒng)退出是開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)的基本功能，任何使用者都能夠使用這三項(xiàng)基本功能。同時(shí)，開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)為普通使用者、系統(tǒng)管理員和超級(jí)用戶分別賦予了不同的使用權(quán)限。普通使用者擁有查詢特定信息的權(quán)限，包括查詢學(xué)生、教師和課程的信息，也能夠在線進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)室使用申請(qǐng)操作，是系統(tǒng)的低級(jí)階層使用者；系統(tǒng)管理員作為系統(tǒng)的中級(jí)階層使用者擁有一定的管理權(quán)限，包括對(duì)學(xué)生、教師、課程、用電設(shè)備以及開放實(shí)驗(yàn)室使用申請(qǐng)的管理，即其擁有的主要是對(duì)普通使用者操作用電設(shè)備的控制權(quán)限。普通使用者的操作只有經(jīng)系統(tǒng)管理員同意后，方能正常進(jìn)行，以使實(shí)驗(yàn)人員的用電安全得以保證，降低開放實(shí)驗(yàn)室中用電設(shè)備的損傷程度；超級(jí)用戶是系統(tǒng)管理員的監(jiān)督人員，其主要對(duì)系統(tǒng)管理員的權(quán)限信息進(jìn)行管理，避免系統(tǒng)管理員出現(xiàn)操作誤差。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)進(jìn)行用電設(shè)備管理的“后臺(tái)支持者”，其能夠?yàn)槭褂谜咛峁┯秒娫O(shè)備信息的采集、匯總、編碼、存儲(chǔ)和查詢等功能。對(duì)于數(shù)據(jù)庫邏輯架構(gòu)的研究，應(yīng)重點(diǎn)考慮其對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)性能的影響程度，并盡可能避免數(shù)據(jù)庫中信息重疊、存儲(chǔ)分配不當(dāng)、信息修正不正常顯示等現(xiàn)象的出現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫邏輯架構(gòu)主要進(jìn)行了學(xué)生屬性、教師屬性、系統(tǒng)管理員屬性、課程屬性、實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)使用屬性和用電設(shè)備屬性的研究。圖6是用電設(shè)備屬性圖。

由圖6可知，所研究的用電設(shè)備屬性能夠較為合理地為使用者提供后臺(tái)支持。根據(jù)圖6進(jìn)行系統(tǒng)用電設(shè)備與開放實(shí)驗(yàn)室E?R圖的研究，研究成果如圖7所示。

E?R圖是一種能夠?qū)?shí)體種類、屬性以及關(guān)系有機(jī)融合在一起的模型圖，E?R圖以其直觀的研究理念被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫中。圖7中，矩形框內(nèi)容是實(shí)體種類，橢圓框內(nèi)容納的是屬性，菱形框內(nèi)容是兩實(shí)體間的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)壓力測(cè)試

壓力測(cè)試是一種能夠有效檢驗(yàn)開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性以及運(yùn)行誤差的測(cè)試，壓力測(cè)試的結(jié)果直接代表著系統(tǒng)綜合性能水平。將本文研究的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)應(yīng)用于某高校開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行壓力測(cè)試，選取5種不同的測(cè)試方法，并設(shè)置較高的壓力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。如果本文系統(tǒng)能夠通過高標(biāo)準(zhǔn)的壓力測(cè)試，則證明其擁有較高的市場(chǎng)競爭力。壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在本文系統(tǒng)的壓力測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和系統(tǒng)輸出操作能夠準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，而且壓力測(cè)試結(jié)果均顯示為通過，證明本文系統(tǒng)擁有較高的可靠性和穩(wěn)定性，運(yùn)行誤差較低，壓力測(cè)試結(jié)果較為理想。

3.2 系統(tǒng)用電安全測(cè)試

開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)的用電安全測(cè)試應(yīng)從開放實(shí)驗(yàn)室的線損率和系統(tǒng)管理信息的傳送效率入手。線損率是配電管理系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，用電設(shè)備的合理使用會(huì)降低線損率。因而，線損率越低，所研究出的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)對(duì)用電設(shè)備的管理能力就越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)人員的用電安全就能夠得到更好的保障。同理，系統(tǒng)管理信息的傳送效率也與系統(tǒng)對(duì)用電設(shè)備的管理能力呈正相關(guān)性，即如果系統(tǒng)擁有較高的管理信息傳送效率，那么實(shí)驗(yàn)人員的用電就越安全。

將線損電量與總供電量相比，乘上100%，即可得出線損率；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了5次系統(tǒng)管理信息傳送效率測(cè)試，每次的管理信息傳送總量均不同（與實(shí)驗(yàn)人員的操作有關(guān)）。將單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)管理信息的接收量與傳送總量相比，乘上100%，即可得出系統(tǒng)管理信息傳送效率。系統(tǒng)用電安全測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。從圖8、圖9可看出，本文系統(tǒng)的線損率波動(dòng)區(qū)間維持在[5.2%，6.0%]之間，數(shù)值較低；系統(tǒng)管理信息傳送效率維持在[88.1%，94.7%]之間，效率較高。以上結(jié)果可證明本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開放實(shí)驗(yàn)室的安全用電。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)安全用電、壓力測(cè)試結(jié)果較為理想的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要利用網(wǎng)絡(luò)控制器、數(shù)據(jù)庫、控制服務(wù)器和移動(dòng)終端，對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備和普通使用者對(duì)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行信息化管理。控制服務(wù)器中的設(shè)備控制芯片選用51單片機(jī)，并給出51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、復(fù)位電路和振蕩電路。其中，復(fù)位電路為系統(tǒng)提供手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩種復(fù)位方法，振蕩電路主要為51單片機(jī)供給脈沖。軟件分別賦予普通使用者、系統(tǒng)管理員和超級(jí)用戶不同權(quán)限和系統(tǒng)功能，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明，所設(shè)計(jì)的開放實(shí)驗(yàn)室信息化配電管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全用電，且其壓力測(cè)試結(jié)果較為理想。

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