基于貝葉斯網絡的電源監控系統設計

郭來軍，馮英偉

(1.中共本溪縣委黨校，遼寧本溪117100；2.河北建筑工程學院，河北張家口075000)

當今社會，各種電氣和電子設備發展迅速，已經在國民經濟和民用生活中扮演著不可或缺的角色。電源作為電子設備的核心，承擔著為電子設備提供動力的作用，其可靠性直接關系著電子設備的正常運轉。隨著電子設備的迅速發展，其功能作用也在不斷地豐富，與此同時，其電路結構也變得相對復雜，對提供源動力的電源要求更高，因此，電源的供電質量和可靠性需要得到提升和保證[1]。為了保證電源和電子設備的正常運行，對電源的運行狀態進行實時監控必不可少。

傳統的電源監控系統，大多采用在電源電路設計中加入傳感器的方法來實現，這種方法最大的缺點在于：整個系統的實時響應和診斷準確率完全取決于傳感器的靈敏度，而且電路設計較為復雜。先進的通信網絡技術已經逐步被應用到電源監控系統中實現無線通信網絡傳感，提升監控系統的性能。本文基于貝葉斯網絡理論為基礎，建立了一種無線傳感網絡，作為數據信息采集終端，設計一套完整的電源監控系統，可以簡化電路設計、提高實時響應以及預防故障的準確性。

1 系統的整體設計

從功能上講，電源監控系統主要由三大部分組成：上位機監控系統，網絡傳輸和數據采集。基于貝葉斯網絡的電源監控系統的整體結構原理如圖1所示。

數據采集/處理作為整體系統的前置單元，由測量電路和中央處理系統組成，完成對電源工作狀態信號的采集、數據的分析和處理等功能。對電源工作狀態的集中監控是由上位機系統承擔，主要負責與各個協調器節點進行通信，進而獲取各個終端節點所傳遞的電源工作狀態信息，利用相應的界面顯示觀察數據信息，當超出規定的閾值時發出預警等，進而對各終端節點進行實時控制，及時避免事故發生。

圖1 系統整體結構原理圖

目前，上位機系統廣泛采用RS-232和RS-485兩種標準串行通信總線。相比之下，前者具有成本低、實現簡單等優點，但只適用于點對點之間的通信，且抗干擾能力差；后者除了具有成本低、電路設計簡單等優點，還可以實現多點間的長距離通信[2]。本系統中上位機與各個協調器節點之間選用RS-485進行通信，能夠為電源監控系統提供可靠的通信傳輸網絡。

2 貝葉斯網絡模型的設計

貝葉斯網絡最早由J.Pearl于1988年提出，是一種基于概率分析的不確定表達，主要用于解決人工智能的不確定性[3]，即從所發生的現象出發，基于概率分析理論反推導致現象發生的各原因可能發生的概率大小，將因果關系轉換為概率關系，形成有向無環圖，圖中的各節點代表各變量，有向線段代表各變量之間的關系，而關系強度由變量節點與其父節點之間的條件概率大小來表征。

基于貝葉斯網絡定理，進行概率推理，數學表達式如下：

式中：P(A)和P(B)分別為事件A、B的先驗概率；P(A|B)為B事件發生后A事件發生的概率；P(B|A)為A事件發生后B事件發生的概率。

為了便于討論分析，通常可以將系統劃分為子系統、組件、部件、元件等層次。結合邏輯分析和基于概率分析，可以分析獲得電源監控系統中的各個部件、組件與系統之間的因果關系和概率關系，進而建立電源監控系統的貝葉斯網絡。

圖2中，電源設備、整流器和減速時間變小是會導致電源設備發生故障的3個原因，欠電壓和過電壓可以作為中間節點，能夠被工作人員直觀地觀測到。形成的有向無環圖代表了它們之間的因果關系，而因果關系的強弱則由節點與父節點之間的條件概率所表示，如表1所示。

圖2 引起電源故障發生原因的貝葉斯網絡

表1 弓起電源故障發生原醫的概率關系

3 電源監控系統的硬件電路設計

硬件電路作為電源監控功能的基礎，設計結果將直接關系電源監控功能的實現，甚至決定電源監控系統的可靠性。從電源監控系統的功能要求出發，硬件電路主要應具備以下幾個方面的功能。

(1)中央處理器：需要對電源狀態采集信號進行A/D轉換，并完成對數據的處理/分析，最后進行顯示界面的設計，使工作人員可以直觀地觀察數據結果。此外，還應完成與上位機系統之間的通信，將電源信息有效地傳遞到監控系統，保證能夠及時地做出故障預警和防范。本文采用STM32F103VCT6作為中央處理器。

(2)信號采集：由于不同種類的電源設備所對應的被監控信息并不完全相同，為了保證通用性，要求能夠對交/直流電壓信號和交/直流電流信號均進行檢測。

(3)網絡通信：主要負責將中央處理器發出的信號有效地傳遞到監控終端，并要求具有多點間的通信功能。

3.1 信號采集

交流信號采集部分包括交流電壓采集和交流電流采集以及頻率檢測三部分。電壓信號可以通過模數轉換器直接進行采樣，采集電路如圖3(a)所示。對于電流信號的采集，一般需要轉換為電壓信號后進行采樣，最常用的是電流互感器，其工作原理如圖3(b)所示。對于交流信號還需要對其頻率進行檢測，硬件測量電路的原理如圖3(c)所示。

圖3 交流信號采集

直流信號采集需要分別設計電壓和電流的采樣電路。利用運算放大器組成的差分放大電路可以實現對直流電壓信號的采集，其原理如圖4(a)所示。然而，對直流電流信號最簡單有效的采集方法是結合電阻與運算，其原理如圖4(b)所示。

圖4 直流信號采集

3.2 網絡通信

STM32F103VCT6一般包含5個接口，而RS-485的作用是將中央處理器發出的信號轉換為差分信號，才能夠在總線上進行信號傳遞，同時也需要將總線網絡中的信號轉換為中央處理器所能接受的信號，才能實現信號之間的網絡通信。本文選用SN75176作為網絡通信芯片，內部包含差分信號驅動器和接收器，主要應用于多節點總線通信，其原理如圖5所示。

圖5 網絡通信模塊的電路設計

4 總結

本文基于貝葉斯網絡無線網絡傳感技術，進行了電源監控系統的設計，首先，從功能上將電源監控系統分為上位機監控系統、網絡傳輸和數據采集三大部分，對每一部分的功能做了詳細的分析；其次，基于貝葉斯定理，推理分析了可能引起電源故障的各原因發生的概率大小以及之間的因果關系和概率關系，對各種可能引起電源故障的原因建立了貝葉斯網絡；最后，對上位機監控系統、網絡傳輸和數據采集三大部分進行了硬件電路設計。完成了基于貝葉斯網絡的電源監控系統的完整設計，該系統可以簡化電路設計、提高實時響應和預防故障的準確性。

[1]王京順.分布式電源監控系統的設計與實現[D].天津：天津大學，2007.

[2]龔義建.串行通訊接口RS-232/RS-485的應用與轉換[J].計算機與數字工程，2003，31(5)：58-61.

[3]史忠植.知識發現[M].北京：清華大學出版社，2002.