基于ZigBee的实验室电源管理系统

2021-02-25余鹏程周月乔田相鹏

物联网技术 2021年2期

余鹏程，钱楷，周月乔，田相鹏

（湖北民族大学信息工程学院，湖北恩施 445000）

0 引言

对于科研设备的管理往往存在电源无关断或对设备的使用信息无记录的情况，如何高效发挥现有设备的利用率，提高能量效率，成为亟待解决的问题[1-4]。因此，对科研设备实行智能化管理有着重要的研究意义。

基于ZigBee的电源管理技术在生活应用领域的研究正在不断深入。例如曾宝国等实时采集实验室电源的电压、电流参数，并逆向上报监控中心。监控中心可根据上报数据判断电源的工作情况进行状态控制[5]。尹小曼等对室内环境嵌入式监测器进行设计，完成Linux操作系统的移植和用户交互图形界面的功能测试，能够有效进行家居环境的动态监测[6]。王海林等为解决学生上课与实验时间的矛盾、高校实验室存在设备利用率不高的情况，通过扩频技术对智能卡进行管理，能够及时关断实验室设备[7]。综合上述研究来看，对于科研设备的管理还存在智能化程度不高，管理不及时等现象，可以从控制器的效率方面着手进行优化，进一步提高利用率。

本文设计了一套基于ZigBee技术的科研设备用电智能管理系统，以提高能源的利用效率和设备的智能化管理水平，各节点之间采用自组网技术，通过继电器控制开断，利用串口将收集到的信息显示到串口屏，由此完成人工智能管理。

1 实验室电源管理系统总体方案

本项目通过采用无线传感器网络技术设计实验室科研设备用电智能监控网络。与汇聚节点、网关节点以及上位机管理软件构建实验室设备用电智能管理系统，能有效提升实验室科研设备用电的智能化管理水平。

在信息采集端，选用RFID射频卡完成对人员信息的采集，当用户读入ID卡时，ID卡上的信息便会由门禁系统通过串口发送给ZigBee的终端。终端将利用ZigBee无线发送的优势，将ID卡的信息发送给ZigBee协调器节点[8-11]，之后协调器将信息发送给STM32，在STM32中编写一个小型数据库[12]，若数据库中有此卡的信息，便会下发打开继电器开关命令，闪存当前ID卡信息，并记录当前时间。当设备使用结束后，学生二次靠卡，STM32返回关闭信息，断开继电器开关，同时记录结束时间。实验室[13]科研设备智能开关控制系统总体设计如图1所示。

我们选用ZigBee通信，不仅减少了布线的成本投入，又降低了维护的难度，增强了通信的灵活性，而且用于监测的无线传感器网络节点的廉价性使得对每台用电设备的用电量进行智能监控[14-15]成为可能。无线传感器网络的自组织特性使新的节点可以随时加入网络，且无效节点可以随时删除而不会对原有通信系统造成影响。

2 系统的硬件设计

2.1 系统主控电路

图2所示为STM32开发板与相关外围模块的接口电路，具有如下功能。

（1）从串口接收协调器发送的信号，并将信号与片内的数据库对比，从而下发命令回调给协调器，进而控制继电器的开合。

（2）利用串口将收集的信息显示到串口屏上，实现信息的可视化。STM32F429IG网关外围电路主要包括晶振电路、复位电路与协调器的接口电路以及电源供电电路。复位电路采用阻容复位电路，晶振电路采用典型的无源晶振电路，其他接口则只需与外接模块电路相连接即可。

图1 系统总体方案设计

图2 STM32开发板外接电路

端口PA9和PA10为串口1的收发引脚，实现其与协调器的信息传送，PB10与PB11是STM32与串口屏的连接引脚，实现信息的可视化。STM32芯片需要2个晶振，一个为25 MHz，另一个为32.768 kHz，以此提供系统时钟信号，并与时钟保持一致。VDD口外接电源电路，由于芯片工作电压为3.3 V，因此电源电路通过CJA/117B将5 V电压转换为3.3 V，使芯片正常工作。

2.2 ZigBee终端设备继电器开关电路

电源的开合通过继电器[13]实现，当终端收到数据库的回调命令后，通过继电器进行电源管理。图3所示为继电器开关电路，CC2530通过P0_7口输出，选用MOS管控制开关继电器的关合。当输出口为高电平时，MOS管导通，线圈中有电流导致继电器吸合；当输出口为低电平时，MOS管截止，相当于断开状态，线圈中无电流或电流不足以吸合继电器开关。在线圈回路中加一个二极管D1，防止MOS管的集电极承受瞬间高压而损坏。

图3 继电器开关电路

3 系统软件设计

图4所示为系统主程序。当STM32串口收到信息后会将信息与片内自写数据库进行比对，当串口信息比对成功后，STM32一方面将信息送往串口屏显示，另一方面将继续判断刷卡次数是否为1，若为第一次刷卡则发送开继电器命令，反之则发送关闭命令。

STM32串口端的信息由ZigBee无线传输，首先声明一个串口回调函数，实现相关功能：终端串口接收读卡器上传的数据信息，当串口收到数据之后存在串口缓存区，按照数据库协议的格式打包存储，并运用无线发送函数点播出去。

数据并非逐个发送或接收，而是将所得到的数据以约定的格式打包之后发送出去，我们将此数据包称为心跳包。其格式为：魔法树，4 B（韦根信息）；DRC，1 B（校验）；Cmdid，指令类型；DeviceID，2 B（APP层设备地址）；Switch State，1 B（开关状态）。

在终端无线发送函数当中，先将魔法树中的信息赋给无线发送缓存区，将指令类型数据、设备地址、开关状态的相应消息赋给每一字节。本文约定的协议为20 B，当设备数量增多时以便留有一定裕度，当其未达到20 B时，自动填充字节数据位0x20，完成数据的打包。打包之后调用ZigBee协议栈中的无线发送函数上传协调器。