实验设备运行状况监测系统的设计与实现

    随着教育体制的改革，高等学校对教学设施经费投入的比重也越来越重。高等学校的仪器设备作为教学、科研和科技开发的一个最基本硬件条件，在一定程度上反映了学校教学质量、科研水平、管理水平，也从侧面反映出了学校的实力，实验室硬件装备已成为高校竞争力建设的新重点。随之而来的问题是，投入了大量教育经费购买的实验设备，却被长时间闲置，未能达到预期目的。
    高等学校实验设备作为一种教育资源，理应发挥其应有的作用，如何提高设备利用率，成为倍受各级教育部门重视的一大问题。提高设备利用率需要多方面的共同努力，包括加强实验室技术管理队伍的建设、合理规划实验室结构形式、引入现代化管理理念、强化设备购置计划管理、建立科学的评价体系等方面，这些都是理论方面的探索，有必要从管理方面寻求一种可实际操作的方法。

1 系统总体设计
1．1 需求概述
    实验室设备运行状况监测系统以上层管理者的角度出发，旨在监督设备使用情况。提高学校科研实力是学校购置设备的重要目的之一，学校鼓励教师、学生使用实验室设备，因此有了“开放式实验室”一词。由于担心设备的损坏、丢失等现象发生，通过加强培训管理，虽然可以大大降低这些现象的发生，但设备管理人员仍希望尽可能少使用设备，如此一来，就与购置设备的初衷有所出入。作为管理者，想了解设备使用情况，只能通过汇报工作时了解一些信息，不能如实反映事实。因此，有必要开发实验设备运行状况监测系统，通过事实数据来获知设备使用情况。现在几乎所有的实验设备都离不开电，因此，系统基于监测设备待机、运行、关闭时不同的电流值，而达到监测设备使用情况的目的。
1．2 系统设计
    系统主要分为3部分，包括电流监测模块、中位机、上位机。电流监测模块通过电流互感器将大电流变换为可处理的小电流，然后经由控制器转换为数字量，再通过Zigbee模块将数据发送至中位机，理论上可以监测上万台用电设备；中位机起中转数据的作用，因为Zigbee传输距离有限，所以，在收到数据后，改由485有线方式将数据发往上位机。485总线可连接上百个负载，而且传输距离可达上千米。上位机建立各个设备的使用状况信息表，并制作报表。上位机通过485集线器可连接数十个实验室的中位机，监测每个实验室的上百台设备。如图1所示，为系统的总体框架图。

1．3 关键技术论证
    1)电流监测  给每个实验设备的用电回路安装电流互感器，通过采集传感器感应电流大小，即可知道设备的使用情况。电流互感器是根据电磁感应原理制成的，由闭合铁芯和绕组组成，可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流。在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要变换为比较统一的电流，另外线路上的电压多都比较高，直接测量比较危险，电流互感器起到变流和电器隔离的作用。图2为电流互感器原理图。通过测量二次回路电流大小，可间接计算出一次回路电流大小，亦即设备用电电流。

    2)数据传输  系统结合多种传输方式，按照预先制定的协议，共同完成设备电流数据到上位机管理系统的传递。包括电流监测模块通过Zigbee模块将数据发送到和中位机相连的Zigbee模块，中位机再通过485总线将数据发送到管理系统。
    3)特殊情况处理  系统的3部分都需要用电，因此，若电流监测模块、中位机、管理系统之一未工作，则系统不能处理实时数据。为了避免数据遗漏，电流监测模块在设计时充分考虑此种情况，设计了时钟电路和存储器，当中位机或上位机未工作时，电流监测模块将带有时间标识的数据存储在EEPROM中，当中位机和上位机下次供电工作时，电流监测模块再将数据发送至上位机。电流监测模块供电依赖于设备供电电流，因此，正常情况下，设备工作时，电流监测模块也必然工作。
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2 硬件实现
    硬件作为实现系统功能的载体之一，具有重要作用，主要包括控制器、数据采集模块、外围电路、通信接口，硬件框图如图3所示。

2．1 控制器
    电流监测模块的最大特点是性价比高，这源于价格低廉，功能齐全的微控制器-STC12C5A60S2。它提供2路串行通信接口，8路高速的10位A／D，单条指令最快执行速度达4μs，并且兼容传统控制器指令系统。控制器的这些特点不但大大简化了电流监测模块的电路复杂性、增强了监测模块的灵活性，而且提高了其可靠性。控制器管脚及外围电路接口如图4所示。

2．2 数据采集
    数据采集是指采集设备用电电流大小。电流互感器将流过设备的大电流变换为5～20 mA小电流后，调节所连接的负载，可转换为0～5 V电压信号。设备在开机、关机状态时，电流不同，每种状态对应特定电压阈值。阈值判断有两种方式：比较器、A／D转换。
    1)比较器  比较器为常见的集成运算放大器LM324。同相端连接负载两端的电压信号，反相端连接参考电压，当同相端输入电压大于反相端电压时，运算放大器输出端CMP为高电平，反之输出端CMP为低电平，控制器通过采集运算放大器输出CMP，判断设备工作状况。可以通过调整R1，R2阻值，改变参考电压大小，适应不同设备的工作状态，一般用滑动变阻器代替R1，R2。图5所示为比较器方式下的原理图。

    2)A／D转换  A／D转换和比较器方式原理上一样，都是获取转换后的直流电压(转换详见外围电路一节)大小。二者区别在于比较器方式是通过输出的高低电平判断设备工作情况，不需了解确切的电压值，A／D方式则将电压转换为数字量，然后和阈值比较，做出判断。
    从上面可以看出，两种方式都可以实现设备工作状态的判断，但比较器方式明显不具备通用性；当更换设备时，根据分压计算R1，R2后，才能调节，而且可调电阻寿命有限；电流波动时，比较器输出电平频繁改变。A／D转换的方式则比较灵活，更换设备后，可重新下载电流阈值(不是整个程序)。因此，系统采用A／D方式采集数据。

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2．3 外围电路
    外围电路也是系统的重要组成部分，主要包括峰值检波、实时时钟、存储器。
    1)峰值检波
    由于电流互感器输出信号为交流信号，不管采用何种方式采集数据，都需要将其转换为直流信号，峰值检波就是解决将交流信号转换为直流信号的电路，且交流信号峰值电压和转换后的直流信号电压相同。电压采集完毕后，对电容放电，进行下一次峰值检波。其原理是利用二极管的单向导电性以及电容储能作用。图6所示为峰值检波原理图。

    由于电流互感器输出为交流信号，如果运放大器放采用单极性电源供电，峰值检波效果不好，因此，采用正负9 V供电。此外，运放放大器采用9 V供电，还可以避免因输入信号过大而饱和。二级运放输出连接5 V稳压管，防止电压过大，烧毁单片机A／D管脚。
    2)实时时钟和存储器
    当中位机或者上位机未工作时，电流监测模块需要将相关数据暂存起来，在中位机和上位机下次上电工作时，再发送数据。因此，电流监测模块需要存储带有时间标识的数据，系统分别采用AT24C02和DS1302作为存储器和时钟芯片。图7为实时时钟和存储器电路，图中Bat为电池，在设备断电时给时钟供电，保证时间的持续性。

2．4 通信接口
    系统把从电流检测模块所采集的数据发送给上位机管理系统，需通过Zigbee和485总线两种通信方式。系统所采用的Zigbee数据接口为TTL型UART，可以和控制器直接相连，因此不再详细介绍。485作为一种总线标准，具有传输距离远，可挂接多个负载的特点，但相比于UAR T，外围电路也稍显复杂。图8为485总线接口原理图。中位机数据发送端转换为485电平后，连接图中A、B引脚。

3 软件及协议设计
    软件作为系统的灵魂，直接关系着系统的可靠性、高效性、易用性，实验设备运行状况监测系统软件包括控制器程序设计，中位机程序设计，以及上位机管理系统设计。中位机作为数据转发单元，只需将收到数据按照数据包目的地进行转发即可。
3．1 软件设计
    1)控制器程序  控制器主要负责数据采集、数据处理、数据存储、时钟校正、数据发送等功能。产生定时中断后，控制器调用A／D转换程序采集电压信号，并根据中位机或上位机运行状态决定直接发送还是存储起来(调用IIC写程序)，等待时机发送(调用IIC读程序)。产生串口中断后，控制器首先解析数据包内容，根据标识码判断需要校正时间，更新设备不同状况下电流(转换后为电压)的阈值，或是获知管理系统的运行状态。
    2)管理系统  管理系统亦即运行于上位机上的软件，基于Visual Basic程序开发平台，负责数据接收，设备管理，报表生成等功能。管理系统可以实时的显示设备当前运行状态，也可以了解一段时间内设备运行状态时，查看历史数据或给电流监测模块发送命令更新数据。管理系统在数据库中为每个实验室建立一张数据表，存储设备的状态信息。系统收到数据后，判定属于哪个实验室，然后存入相应的数据表中，并判断是历史数据还是实时数据，如果是实时数据则会通过状态显示区不同颜色指示设备状态。系统还可以定期对数据做报表，方便相关人员查看。管理系统如图9所示。

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3．2 协议设计
    协议是衔接下位机、上位机软件的支架，只有遵循协议，进入通信链路的数据，才可以被识别并响应。协议具体如下。
    1)电流监测模块通过中位机向管理系统发送的数据包。共有3种类型：电流监测模块发送数据时，而中位机或上位机未工作时发送的数据包A；电流监测模块实时发送数据的数据包B；对管理系统的确认数据包C。长度为20字节、8字节和7字节，分别如表1，表2，表3所示。

    其中标识码用来区分数据包类型，目的地址为管理系统编址，源地址用来区分某个实验室的某个设备，设备状态包括运行、待机、关机3种状态，开始时间和结束时间为设备处于某一种状态的起止时间，校验为整个数据包的某种运算，用于发现传输过程中是否发生错误。
    2)管理系统通过中位机向电流监测模块发送的数据。共有3种类型数据包管理系统每次运行后告知设备可以实时发送数据的数据包D；管理系统向监电流监测模块发送的时间校正数据包E；阈值下载数据包F。长度为7字节、13字节和8字节，分别如表4，表5，表6所示。

    标识码、目的地址、源地址、校验和上述含义相同。当前时间字段为管理系统时间，将其下发给各电路监测模块作为标准。

4 结束语
    文中从可行性、控制器选择、硬件方案、软件设计及协议设计等方面系统地对“实验设备运行状况监测系统”进行了分析并实现，最终达到了监测实验室设备运行、关闭状态的目的。经过测试，不管实时监测还是断电后再发送数据都未发生遗漏现象，很好地监督了设备使用情况，也对高校设备管理提供了一种新思路，对提高设备利用率有很大的帮助。