ZigBee的智能電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027)

ZigBee的智能電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊鐘虎，顧永剛，翟超

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027)

0 引言

為大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)光纖定位系統(tǒng)的64個(gè)電源設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[1]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，監(jiān)控系統(tǒng)加入微機(jī)監(jiān)控，可以通過(guò)微控制器的通信功能把電源的各狀態(tài)上傳給上位機(jī)，讓上位機(jī)做出相應(yīng)處理[2-3]。為避免硬件空間設(shè)計(jì)上的壓力，數(shù)據(jù)傳送采用無(wú)線ZigBee技術(shù)。系統(tǒng)具有易于移動(dòng)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便系統(tǒng)升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)要求與方案選擇

LAMOST光纖定位裝置由4 000多個(gè)光纖單元組成，每個(gè)單元上都有2個(gè)電機(jī)。這些單元由64個(gè)電源供電。因電源的工作異常會(huì)影響到整個(gè)定位系統(tǒng)的執(zhí)行效率，所以對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是有必要的。系統(tǒng)中電源數(shù)量較多，且不易移動(dòng)、安裝，可以為每個(gè)電源設(shè)計(jì)一個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源參數(shù)的采集和控制。通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，把這些模塊的數(shù)據(jù)匯總到一個(gè)協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示，終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)電源參數(shù)的采集與電源的控制，并通過(guò)無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器通信，實(shí)現(xiàn)電源參數(shù)和上位機(jī)命令的傳送。協(xié)調(diào)器作為中間傳輸媒介，通過(guò)串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)的反饋以及上位機(jī)命令的下達(dá)。PC對(duì)數(shù)據(jù)處理并作出相應(yīng)處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備。終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)電源參數(shù)的采集、電源的控制以及與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信，其電路主要包含采樣電路、控制電源電路和無(wú)線模塊等。協(xié)調(diào)器通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備通信，其電路主要包含無(wú)線模塊和串口電路等。

1.2.1 采樣電路

采樣電路對(duì)電源的電壓和電流采集，把得到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)處理。當(dāng)電源參數(shù)超出警戒值時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送切斷電源命令，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送標(biāo)定命令時(shí)，由采樣電路采集電源參數(shù)并返回給上位機(jī)。

光纖定位系統(tǒng)正常工作情況下電源電流空載時(shí)在1.8A左右波動(dòng)，滿載在7～8A波動(dòng)。如果直接把電源線串入電路板中，由于電流較大，在電路板上布置銅線較寬，長(zhǎng)時(shí)間大電流工作可能會(huì)燒壞電路板，影響整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。霍爾傳感器的非接觸測(cè)量，可以把電源線穿過(guò)霍爾傳感器的通孔，解決了電路板的安全隱患[4]。考慮到電源安全，選取的霍爾傳感器最大電流為30A，額定電流為15A，額定輸出為0.625V。可以直接把霍爾傳感器接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口，為提高分辨率采用10位A/D轉(zhuǎn)換器，得到的電流分辨率為0.08A。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為3.3V，光纖定位系統(tǒng)正常工作時(shí)電源電壓在15V左右，電壓可以先經(jīng)過(guò)分壓電路，把電壓調(diào)整到AD采樣端口的采樣范圍，再接上電壓跟隨器，提高輸入阻抗，保證電壓的測(cè)量精度。測(cè)量用8位A/D轉(zhuǎn)換器，電壓分辨率為0.07 V，可滿足電壓的分辨率。

霍爾傳感器和分壓電阻的誤差都會(huì)影響電流和電壓的測(cè)量精度，因?qū)嶋H使用中對(duì)電壓和電流精度沒(méi)有太高要求，測(cè)量精度能滿足系統(tǒng)要求。

1.2.2 控制電源電路

控制電源電路目的是保護(hù)光纖定位裝置及其供電系統(tǒng)。當(dāng)電源工作出現(xiàn)異常，由繼電器控制關(guān)閉電源，避免后端設(shè)備與電源的工作異常，起到保護(hù)作用。電源線直接串到繼電器2個(gè)接口，電流通過(guò)繼電器內(nèi)部，不會(huì)在電路板產(chǎn)生大電流。

電源控制電路如圖2所示，單片機(jī)的PTA0端口作為控制信號(hào)控制電源的通斷。因光耦PC817驅(qū)動(dòng)能力有限，添加三極管S9013放大電流滿足繼電器的啟動(dòng)電流。當(dāng)繼電器U4關(guān)閉時(shí)，線圈電壓瞬變產(chǎn)生大電流，二極管D2起到續(xù)流作用。為避免數(shù)字電路的高頻信號(hào)干擾模擬電路，用0歐電阻R10隔離數(shù)字地與模擬地。

圖2 電源控制電路

1.2.3 無(wú)線模塊

無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)傳送功能。無(wú)線模塊采用freescale的MC13213單片機(jī)作為主芯片，該單片機(jī)是由一個(gè)8位單片機(jī)MC9S08GB60和無(wú)線收發(fā)器MC13192封裝在一起，內(nèi)部使用SPI通訊。其采用的無(wú)線ZigBee技術(shù)，其物理層的數(shù)據(jù)傳輸速度為250kb/s[5]，能滿足協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備之間通信速度的要求。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)絡(luò)和mesh網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)相對(duì)mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于搭建，且滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的星型網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和64個(gè)終端設(shè)備組成。協(xié)調(diào)器與64個(gè)終端設(shè)備雙向通信，終端設(shè)備之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

1.3.1 PAN協(xié)調(diào)器軟件流程

圖3 協(xié)調(diào)器軟件流程

協(xié)調(diào)器作為上位機(jī)與終端設(shè)備的通訊橋梁，起到數(shù)據(jù)匯總與傳達(dá)的功能，是通過(guò)串口接收和發(fā)送上位機(jī)數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)和命令。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖3所示，單片機(jī)上電后對(duì)PAN協(xié)調(diào)器初始化，包括無(wú)線模塊和串口的設(shè)置。此時(shí)收發(fā)器處于接收狀態(tài)，進(jìn)行等待。當(dāng)接收到PC的串口數(shù)據(jù)后，收發(fā)器被設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)，協(xié)調(diào)器發(fā)送PC傳遞的數(shù)據(jù)給終端設(shè)備。當(dāng)發(fā)送完數(shù)據(jù)后設(shè)置收發(fā)器為接收狀態(tài)，等待終端設(shè)備數(shù)據(jù)返回。當(dāng)有數(shù)據(jù)返回時(shí)，觸發(fā)無(wú)線中斷，通過(guò)串口把返回的數(shù)據(jù)傳給PC。

1.3.2 終端設(shè)備軟件流程

圖4 終端設(shè)備軟件流程

終端設(shè)備的功能有電源參數(shù)的采集、電源的控制和與PAN協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳送，其具體實(shí)現(xiàn)包含AD采樣、發(fā)送電源控制信號(hào)和寫入Flash標(biāo)定值等。終端設(shè)備的工作流程如圖4所示，終端設(shè)備的單片機(jī)初始化后進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)中斷產(chǎn)生后，根據(jù)接收命令，協(xié)調(diào)器執(zhí)行相應(yīng)操作。由于傳感器的精度與溫差等原因，正式監(jiān)控之前要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，可通過(guò)上位機(jī)把標(biāo)定過(guò)后的值寫入單片機(jī)的flash中，為以后采樣提供修正。為了安全起見(jiàn)，可以由上位機(jī)直接下達(dá)命令關(guān)閉電源，也可以由終端設(shè)備自行關(guān)斷，這取決于終端設(shè)備單片機(jī)flash中的值，可以預(yù)先設(shè)置。

1.3.3 上位機(jī)程序

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)的操作，包括設(shè)置串口、對(duì)下位機(jī)發(fā)送命令、保存數(shù)據(jù)、標(biāo)定和警戒等功能。標(biāo)定時(shí)上位機(jī)通過(guò)發(fā)送采樣命令，把返回得到的采樣數(shù)據(jù)與電流鉗和萬(wàn)用表所測(cè)數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行處理，計(jì)算出的標(biāo)定值發(fā)送給終端設(shè)備并存入flash，為以后采樣提供修正。對(duì)電源的保護(hù)可以通過(guò)設(shè)置警戒值來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，警戒值的設(shè)置應(yīng)略高于正常值。采用VC++設(shè)計(jì)的電源監(jiān)控系統(tǒng)的軟件界面[6]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，研究搭建一套簡(jiǎn)易系統(tǒng)，由1個(gè)協(xié)調(diào)器和2個(gè)終端設(shè)備組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程選取64個(gè)電源中的2個(gè)電源進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)置電機(jī)工作流程為正轉(zhuǎn)，停止，再反轉(zhuǎn)，給2組電機(jī)供給不同脈沖，得到測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5所示。當(dāng)電壓值穩(wěn)定在15V左右，空載電流為1.8A，滿載電流為7～8A,且滿載時(shí)，電壓會(huì)略微下降,符合電源正常工作情況。

以往工作條件所得數(shù)據(jù)為正常狀態(tài)電流8A左右，空載電流1.8A左右。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出數(shù)據(jù)基本吻合。因所做實(shí)驗(yàn)并未出現(xiàn)電源參數(shù)異常，通過(guò)人為加載負(fù)載模擬電機(jī)的異常工作，當(dāng)電流超過(guò)警戒值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出關(guān)閉電源信號(hào)，繼電器切斷電源，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

圖5 數(shù)據(jù)采集處理

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)是對(duì)多個(gè)電源實(shí)時(shí)監(jiān)控，不改變光纖定位裝置供電系統(tǒng)，采用無(wú)線ZigBee技術(shù)解決了系統(tǒng)空間布線困難的問(wèn)題。電源監(jiān)控功能很好地預(yù)防了電源的異常工作，有效地保護(hù)了整個(gè)系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采樣標(biāo)定的方法，減小了傳感器和環(huán)境等因素所造成測(cè)量誤差。數(shù)據(jù)的保存有利于后續(xù)查看和處理。系統(tǒng)驗(yàn)證了對(duì)2個(gè)電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要功能基本實(shí)現(xiàn)，將在此基礎(chǔ)搭建64個(gè)電源的完整監(jiān)控系統(tǒng)。

[1] 劉志剛,江暉,謝志林.LAMOST光纖定位裝置參數(shù)設(shè)置[J].光學(xué)技術(shù)，2010(3)：239-243.

[2] 徐璜.基于MSP430F149單片機(jī)的電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[3] 黃國(guó)兵,楊國(guó)軍.無(wú)人值守開(kāi)關(guān)電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2006(3)：110-113.

[4] 郭軍,劉和平,劉平.基于大電流檢測(cè)的霍爾傳感器應(yīng)用[J].應(yīng)用技術(shù)，2011(5)：142-145.

[5] 呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開(kāi)發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6] 孫鑫.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

Design of Intelligent Power Monitoring System Based on ZigBee

XIONGZhonghu,GUYonggang,ZHAIChao

(School of Engineering Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)

針對(duì)大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)光纖定位系統(tǒng)的供電電源設(shè)計(jì)一套監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)包括終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)。終端設(shè)備的功能有對(duì)電源運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集和電源的通斷控制。協(xié)調(diào)器作為通訊橋梁，負(fù)責(zé)與上位機(jī)和終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送。上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理并發(fā)送相應(yīng)命令。因協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備采用無(wú)線ZigBee技術(shù)進(jìn)行通訊，解決了硬件空間上的壓力，此外系統(tǒng)還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。搭建的驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該方案的可行性。

電源；ZigBee；監(jiān)控

For power supply of optical fiber positioning device of Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopy Telescope (LAMOST) design a power monitoring system,which includes terminal equipment,coordinator and PC.The terminal achieve data collection and on-off power.Coordinator as a communications bridge for data transfer with the host computer and terminal equipment.PC process data acquisition and send commands.Due to coordination with terminal equipment to communicate using wireless zigbee technology to solve the pressure on the hardware space,in addition to the system there is a simple structure,easy to move and so on.Authentication system built on experiments to verify the feasibility of the program.

power,ZigBee;monitoring

2014-04-01

TL503.5

A

1001-2257(2014)08-0059-03

熊鐘虎(1988-)，男，江西九江人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線ZigBee技術(shù);顧永剛(1983-)，男，江蘇張家港人，工程師，研究方向?yàn)榫軠y(cè)量與虛擬機(jī)技術(shù);翟超(1968-)，男，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化設(shè)計(jì)、測(cè)控技術(shù)與幾何測(cè)量新方法等。