戴俨炯

（长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124）

0 引 言

近年来，随着国家对高等教育的重视程度不断加深，高校大型仪器设备的数量和质量都得到显著提升。大型仪器设备成为专业升级与数字化改造的重要支撑，是高校办学水平和综合实力的重要体现。与此同时，很多大型设备存在重复购置、使用率不高、维护成本高等问题[1]。2015年，国务院印发《关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》，旨在有效推动高校大型仪器设备的开放共享，优化资源配置[2,3]。目前，共享设备具体实施过程中存在成本核算、使用授权与管理、使用监控以及安全风险防范等方面的问题，设备开放共享程度并不高。

针对大型共享设备监管难、监控管理成本高、共享安全风险较大的问题，本文提出利用华为Ocean Connect物联网平台的接入无关、高可靠性、高安全性、弹性伸缩以及能力开放等特点设计一款智能电源线，实现对大型设备的使用进行监管、授权。通过数据平台进行数据分析与挖掘，合理调配资源并与其他共享平台进行数据互联互通，实现资源利用最大化。

1 系统整体设计

现有电源控制器不够智能、便捷，难以实现远程控制，并且受环境等因素的影响，使用过程中需要人工实时操作。根据大型设备管理的特点，本系统可以实现远程授权与控制、使用时间记录、异常报警与断电等功能，同时还能针对特定设备的具体参数进行二次开发，实现对设备使用情况的深度监控和分析。物联网电源线系统框架如图1所示。

微处理器通过处理物联网模块的命令与数据控制继电器的开断，数据由窄带物联网（Narrow Band Internet of Thing，NB-IoT）通信模块上传至Ocean Connect平台。电能检测模块主要采集供电数据，包括供电时长、电流以及功率等。

2 硬件电路设计

本系统采用STM32L433RBT6作为主控制芯片，该芯片是基于ARM Cortex-M4内核的微处理器，具有超低功耗、高性能的特点。其自带单精度浮点运算器，在80 MHz频率下能达到100 DMIPS。与此同时，具备自适应实时存储器加速器，让CPU调用存储器更高效。芯片使用柔性电源控制技术，能够对功耗进行灵活管理，在保障性能的同时最大程度降低能耗。

2.1 系统电源电路设计

智能电源线的电源电路由变压器、整流桥、LM2596S以及ME1117A等核心元件组成，能够提供系统需要的12 V、5 V、3.3 V直流电源。电源电路对220 V市电进行降压、整流、滤波以及稳压处理，最终输出稳定的直流12 V电源。直流12 V电源为系统电源开关控制的驱动电源，经降压得到的直流5 V电源、直流3.3 V电源为系统各类芯片的供电电源。智能电源线电源电路如图2所示。

2.2 电源线控制电路设计

通过对电源线的接通与关断，控制仪器设备的电源。电源线输入至输出中间接入继电器和继电器驱动电路进行控制，当用户获得设备使用授权时，继电器K1、K2接通，电源线正常供电，用户可以正常使用设备。电源线控制电路如图3所示。

选用杭州中科微电子有限公司设计生产的AT8548作为驱动芯片，利用AT8548驱动2路继电器，来控制电源线的市电输出。AT8548具有4个控制端，其中IN2、IN4并联后接地，IN1、IN3并联后接处理器。当IN1、IN3为低电平时，AT8548芯片无输出，继电器K1、K2不闭合；当IN1、IN3为高电平时，AT8548的OUT1、OUT3有输出，继电器K1、K2闭合，L-OUT和N-OUT接通，智能电源线正常供电。

2.3 电源线电能测量电路设计

选用BL0937单相电能计量芯片，其具有宽量程、多功能等特点，适用于简易单相辅助电能监控场景[4]。BL0937芯片内含2路高精度模数转换器（Analogueto-Digital Conversion，ADC），能够提供参考电压，并进行电源管理。

此外，本系统选用0.001 Ω的锰铜合金电阻组成采样电路。锰铜合金电阻具有低热电势、低电感系数的特点，可以很好地减少温度变化和感性电路带来的误差，提高采样精度。待测电流流过采样电阻R5，将电流信号转换为电压信号，该信号从测量回路经IN和IP管脚进入芯片内部高精度ADC。芯片多集电极倒相器注入端最大差分电压为±200 mV，输入端电压的有效值为93.5 mV，电路设计满足要求。

BL0937与STM32L433RBT6的连接电路非常简单，CF、CF1、SEL直接接入到主控芯片的管脚，CF引脚作为有功功率高频脉冲输出端，输出周期为38 μs的固定脉宽，输出频率与功率值成正比。CF1引脚为电流、电压有效值输出脚，通过STM32L433RBT6操作SEL引脚，可以实现电流和电压有效值的交替测量，引脚输出脉宽为固定值38 μs，输出频率与电流、电压有效值成正比。BL0937还具有电源电压监测电路，能进行掉电和过流检测。电源线电能测量电路如图4所示。

2.4 NB-IoT通信电路设计

NB-IoT技术具有低功耗、覆盖广、低成本等特点，本设计选择BC35-G模组的NB-IoT无线通信模块，支持B1、B3、B8等主流频段，能最大限度地满足终端设备的要求。BC35-G在设计上兼容全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）、通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）系列的M35模块，方便客户快速、灵活地进行产品设计和升级。

2.5 系统显示电路设计

考虑便携性、功耗等因素，选用有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）显示屏模块，具有能耗低、接口简单等特点，能够满足系统设计要求。该模块采用集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，I2C），地址可选。模块内有稳压芯片，可靠性较高，支持3.3～5 V供电，能够满足系统数据显示和简单的人机交互需求。

3 系统程序设计

终端设备软件设计是实现系统控制功能的重要环节，本设计使用LiteOS嵌入式操作系统。系统主程序流程如图5所示，主要任务包括感知层数据采集、数据上报、命令接收处理等。

BC35-G模组支持省电模式（Power Save Mode，PSM）、不连续接收（Discontinuous Reception，DRX）模式以及扩展不连续接收（extended Discontinuous Reception，eDRX）模式[5]。由于本设计对数据实时性要求高、对功耗要求低，因此采用DRX模式，保障设备大部分时间处于在线状态，实时接收云平台下行数据。通信模组在整个系统中作为信息交互的桥梁，连接感知控制层终端设备与物联网云平台。

4 结 论

基于华为Ocean Connect平台提出智能电源线设计方案，该方案可以实现大型设备的远程智能管理，让普通设备接入Ocean Connect平台，提高设备管理效能。投入实际使用后，可以利用感知层充分采集设备的各项数据，在Ocean Connect平台层对数据进行分析、挖掘，实现资源的合理调配，提高资源利用率。