引言

開放性實驗室管理是教育信息化的重要內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的新途徑。電源管理系統(tǒng)是開放實驗室管理中過程控制的重要環(huán)節(jié)，基于智能卡和 IP 核電源控制技術的電源管理方案是目前流行的解決方案，在諸如萬欣開放性實驗室管理系統(tǒng)等系統(tǒng)中獲得了廣泛應用。但該類系統(tǒng)對電源使用過程中的參數(shù)缺乏監(jiān)管，因此，對實驗臺中因用電造成的故障缺乏過程監(jiān)控。針對開放實驗室電源精細管理中出現(xiàn)的上述問題，本文提出了一種基于 ZigBee、RFID、GSM 及計算機軟件技術等物聯(lián)網(wǎng)核心技術的解決方案。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由遠程監(jiān)控中心和實驗室現(xiàn)場控制單元兩部分組成，圖 1 所示是開放實驗室電源管理系統(tǒng)的整個系統(tǒng)組成框圖。其中遠程監(jiān)控中心主要由服務器、數(shù)據(jù)庫、應用軟件和支持 TCP/IP 和 GSM 的桌面主機組成。應用軟件主要負責實驗預約、排班、報表和數(shù)據(jù)維護；桌面主機可支持多種方式與實驗室現(xiàn)場控制單元通訊，負責信息的傳輸，并通過開放的接口與開放實驗室管理系統(tǒng)的其它子系統(tǒng)進行通訊。實驗室現(xiàn)場控制單元由客戶端壁掛式主機及照明、實驗臺、空調(diào)等三類受控對象的電源控制器組成。客戶端壁掛式主機內(nèi)置 RFID刷卡模塊、CC2430 通訊模塊、GSM 通訊模塊以及以太網(wǎng)通訊模塊，并通過 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡與電源控制器通訊，負責 ZigBee 無線網(wǎng)絡的發(fā)起、路由維護以及數(shù)據(jù)的上傳、指令的下發(fā)等。電源控制器內(nèi)置 CC2430 通訊模塊、傳感器模塊、信號采集模塊、電源控制模塊，可以負責指令接收、狀態(tài)反饋和現(xiàn)場電源控制等功能。

圖1 開放實驗室電源管理系統(tǒng)的組成

2 系統(tǒng)主要模塊的硬件設計

2.1 客戶端壁掛式主機

客戶端壁掛式主機由嵌入式主機、RFID 讀卡裝置、ZigBee 和 GPRS 通訊模塊、LNK304 電源系統(tǒng)構(gòu)成。嵌入式主機采用 OK2440-IV 型開發(fā)板，通過 USB 接口連接 RFID讀卡裝置，并通過兩個串口連接 ZigBee 和 GSM 模塊。支持 GSM 通訊是為了方便遠程短信控制，以解決實驗室運行過程中忘記關電后的遠程關電。

2.2 照明燈電源控制

照明燈電源控制不需要刷卡授權，但需根據(jù)教室人員流動情況及監(jiān)控中心控制指令來控制燈的亮、滅及參數(shù)的檢測和上報。針對實驗室照明用的熒光燈，本系統(tǒng)設計了專門的用戶接口板和一個獨立的可調(diào)電感鎮(zhèn)流器，以實現(xiàn)無級亮度調(diào)節(jié)和開關控制。圖 2 所示是照明燈電源控制器的電路結(jié)構(gòu)。照明燈電源控制器主要由基礎電源、電流電壓檢測電路、熱釋電紅外傳感器電路、CC2430 控制及通訊模塊組成。其中CC2430 內(nèi)部包含多路模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以方便地實現(xiàn)電壓、電流和光強檢測。

圖 2 普通日光燈調(diào)光子系統(tǒng)組成框圖

常用的熒光燈亮度調(diào)節(jié)不能用一般的調(diào)壓電路來實現(xiàn)，否則，隨著燈管兩端電壓的降低，燈絲溫度也會降低，熒光燈將無法啟動。根據(jù)熒光燈的工作原理可知，電感鎮(zhèn)流器實質(zhì)是一個 LC 振蕩電路，諧振時的總電阻 R=L/rC(r 為 L 的直流電阻 )，R 將隨 L 成正比變化。因此，可以在電感鎮(zhèn)流器內(nèi)部電感 L 的一端串接由線圈和磁棒來組成可變電感 L1，并由步進電機驅(qū)動螺桿使固定在線圈骨架上的螺母沿螺桿移動，從而使線圈沿磁棒移動來改變電感，以達到改變熒光燈亮度的目的。在圖 2 中，51 單片機調(diào)光模塊用于控制步進電機的轉(zhuǎn)角，以改變電感；此外，還可控制鎮(zhèn)流器的通斷，以實現(xiàn)開、關燈控制。

2.3 實驗臺及空調(diào)電源控制

實驗臺電源控制器是系統(tǒng)控制的末端 , 也是決定學生是否能進行實驗的最后環(huán)節(jié)?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖 3 所示，由用戶接口板和多路電源插座組成。用戶接口板用于電壓電流檢測及無線通訊 ；多路電源插座是電源控制器的核心，由 51 單片機通過光耦隔離來控制繼電器實現(xiàn) ；DS1302 時鐘電路用于同步時間，也可用于付費用電情況。

圖 3 實驗臺電源控制器

空調(diào)電源控制器與實驗臺電源控制器電路類似，但因入口電壓為 380 V，故需采用 3 路繼電器分別控制 U、V、W 三相的通、斷，繼電器應選用 3.3 V/10 A 大功率繼電器。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件由遠程監(jiān)控中心軟件和實驗室現(xiàn)場控制單元軟件兩部分構(gòu)成，其中監(jiān)控中心應用軟件采用 B/S 架構(gòu)，監(jiān)控中心與實驗室現(xiàn)場控制單元之間則采用基于 Sockts 和 GSM的 C/S 架構(gòu)。

3.1 實驗室現(xiàn)場控制單元軟件設計

實驗室現(xiàn)場控制單元的客戶端壁掛式主機與電源控制器之間通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡來進行通信，因此，本單元的軟件主要由無線網(wǎng)絡程序、電源控制器中 51 單片機控制程序、客戶端嵌入式程序三部分組成。

3.1.1 無線網(wǎng)絡的組建

本系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡基于 Z-Stack 協(xié)議棧完成，采用星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信格式如表 1 所列。其中Shortaddr 用于表征終端節(jié)點地址，由于無線網(wǎng)絡終端節(jié)點地址是動態(tài)分配的，因此，如何實現(xiàn)該短地址與具體終端的綁定是必須解決的問題。本系統(tǒng)采用類似 GSM 手機向網(wǎng)絡注冊的方式，各終端節(jié)點的 51 單片機模塊每隔 180 s( 實驗測試，在一間有 50 個終端節(jié)點同時工作的教室，采用180 s 的間隔注冊與采用 60 s 間隔注冊對比時，協(xié)調(diào)器上消息的碰撞率能降低80%) 向與之相連的 CC2430 發(fā)送預設的節(jié)點編號，然后通過無線網(wǎng)向協(xié)調(diào)器注冊，由協(xié)調(diào)器執(zhí)行動態(tài)短地址與具體終端節(jié)點的綁定。在表 1 所列的上行鏈路中，照明燈電源控制器不會上傳 Time，實驗臺電源控制器不會上傳 HW 和 GM，其相應位置均默認填充 0。

表 1 無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀格式

3.1.2 無線節(jié)點狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與電源控制器狀態(tài)控制

Z-Stack 采用輪詢及優(yōu)先級控制方式實現(xiàn)任務調(diào)度，CC2430 在 P0 口提供有多路 A/D 通道，可方便地處理電源控制器的光強采集、電壓采集、電流采集和熱釋電紅外傳感器信息采集。這里以電壓為例，模擬輸入端連接到 CC2430 的P0.0 口，在協(xié)議棧中由下述語句實現(xiàn)信號采集 (0x00 表示通道號，HAL_ADC_RESOLUTION_14 表示分辨率為 14 位 ) ：

Upload_Msg[6]=(uint8)(HalAdcRead(0x00, HAL_ADC_RESOLUTION_14)<<8);

Upload_Msg[7]=(uint8)HalAdcRead(0x00, HAL_ADC_RESOLUTION_14);

電源控制器狀態(tài)控制由協(xié)調(diào)器在下行鏈路的 CMD(2B)中指明，當 CC2430 終端節(jié)點 (Endpoint) 解析出 CMD 后，通過串口發(fā)送到對應的 51 單片機模塊，由 51 單片機控制步進或驅(qū)動繼電器，改變電源控制器的控制狀態(tài)。串口波特率設置為 57600 波特，以滿足使用 11.059 2 MHz 晶振的單片機模塊與 CC2430 通訊模塊通訊。CC2430 節(jié)點中，串口注冊 由 函 數(shù) SPIMgr_RegisterTaskID(Car_Dispatch_TaskID) 實現(xiàn)，接收處理函數(shù)在協(xié)議棧 MT 層 SPIMgr.c 中由 uartConfig.callBackFunc= SPIMgr_ProcessZToolData 指明回調(diào)函數(shù)。

3.1.3 客戶端壁掛式主機軟件

客戶端壁掛式主機運行于 Windows CE 5.0 操作系統(tǒng)環(huán)境，采用 C/S 三層架構(gòu)設計，基于 C# 進行軟件開發(fā)。數(shù)據(jù)訪問層主要包括 PduEncodeDecode.cs( 短信 Unicode 編碼類 )、ClassRoom.cs( 教 室 類 )、Lamps( 照 明 燈 類 )、Experimental_Station.cs( 實驗臺類 )、Air_Conditioner.cs( 空調(diào)類 )、Telephone.cs( 電話號碼類 )，主要完成短信編解碼和照明燈、實驗臺、空調(diào)等的定義功能。邏輯控制層主要包括 SMShelper.cs( 短信類 )，用于完成短信的操作；另外，為了支持網(wǎng)絡通信，還需用到 C#的 Sockets 相關類，以完成 TCP/IP 網(wǎng)絡通信功能。

3.2 遠程監(jiān)控中心軟件設計

遠程監(jiān)控中心軟件主要由兩部分構(gòu)成，一是運行在服務器端桌面主機上的、支持實驗室現(xiàn)場控制單元的 Server 軟件，二是運行在服務器上的、基于 B/S 架構(gòu)的應用軟件。前者采用短信和基于 C# 的 Sockets 通信方式與實驗室現(xiàn)場控制單元的壁掛式主機通信 ；后者則由圖 4 所示的模塊組成。

圖 4 基于 B/S 的實驗室電源管理系統(tǒng)的組成

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)已在筆者所在院校的物聯(lián)網(wǎng)技術應用中心下屬物聯(lián)網(wǎng)實驗室、科技創(chuàng)新實訓室等實驗室投入使用。實際使用證明 ：本系統(tǒng)可實現(xiàn)網(wǎng)上預約實驗，實驗室現(xiàn)場控制單元只為被授權或預約用戶開放，電流電壓可實時檢測，被授權管理員可在異地遠程控制電源設備的開關電，并支持在線或脫機查看與管控實驗室以及數(shù)據(jù)報表等功能。本系統(tǒng)的應用大大簡化了實驗室管理流程，提高了精細化過程控制管理效率。目前，項目組正在對系統(tǒng)進行完善，爭取建立與學院精品課程錄播系統(tǒng)的開放接口，加入網(wǎng)絡視頻監(jiān)控管理子系統(tǒng)，以豐富過程管理手段，形成較為完善的開放實驗室管理系統(tǒng)。

20210913_613f6024e4b91__基于WSN的開放性實驗室電源管理系統(tǒng)