基于WSN的實(shí)驗(yàn)室用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許 郡, 于 標(biāo)

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚(yáng)州 225009)

實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)室做完實(shí)驗(yàn)后,時有忘記關(guān)斷總電源空氣開關(guān)的現(xiàn)象發(fā)生,而總電源空氣開關(guān)的負(fù)載端接有實(shí)驗(yàn)室的各類設(shè)備和儀器,這是一種不安全的現(xiàn)象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是近幾十年來發(fā)展起來的一種網(wǎng)絡(luò),兼有通信、環(huán)境參數(shù)檢測功能,組網(wǎng)靈活[1]。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)驗(yàn)室安全用電管理,是一種嘗試,目前不多見,國內(nèi)外也有一些應(yīng)用研究。借助WSN的數(shù)據(jù)傳輸與環(huán)境物理量檢測的功能[2],設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室用電管理系統(tǒng),以消除可能的用電不安全隱患。

1 實(shí)驗(yàn)室WSN的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)室用電管理功能是實(shí)驗(yàn)室安全管理的功能之一,實(shí)驗(yàn)室安全管理要求對實(shí)驗(yàn)室多個環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測,并傳送這些參數(shù)至上位機(jī)。使用可充電電池為傳感器節(jié)點(diǎn)供電是可行的,系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室工作人員的維護(hù)下可長期運(yùn)行。每個實(shí)驗(yàn)室的用電管理系統(tǒng)作為一個局部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn),定義為該測量區(qū)的簇頭節(jié)點(diǎn)[3]。以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的其它環(huán)境參數(shù)檢測節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。以一個簇頭節(jié)點(diǎn)和5個子節(jié)點(diǎn)形成了1對5的局部無線傳感器網(wǎng)絡(luò),是一種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信規(guī)定為,簇頭是其它節(jié)點(diǎn)的上位節(jié)點(diǎn),其它5個子節(jié)點(diǎn)為下位節(jié)點(diǎn),簇頭節(jié)點(diǎn)完成本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有數(shù)據(jù)的上傳與下傳。

考慮數(shù)據(jù)的正確性與系統(tǒng)的性能要求確定如下數(shù)據(jù)幀定義:第一個字節(jié)為數(shù)據(jù)屬性字節(jié),第二個字節(jié)為主節(jié)點(diǎn)序號,即實(shí)驗(yàn)室編號0～31。第三個字節(jié)為主節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)編號。第一個字節(jié)定義F1上行命令、F2下行命令。第二個字節(jié)定義0～31,表示有32個實(shí)驗(yàn)室。第三個字節(jié)定義0～6,依次表示教師工號、火警、空氣質(zhì)量、防盜、防淹水、溫度、濕度。

從實(shí)際應(yīng)用情況出發(fā),該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)的節(jié)點(diǎn)數(shù)共36個,數(shù)量不多,且傳感器節(jié)點(diǎn)布置有序,用于一個學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室安全檢測管理,一般情況下數(shù)量已夠用,也方便擴(kuò)展。為減少程序的復(fù)雜性,提高組網(wǎng)的成功率與網(wǎng)絡(luò)可靠性,不使用由0層節(jié)點(diǎn)控制下的自動組網(wǎng)方法組網(wǎng),而采用PCB板跳線的方法,用撥碼開關(guān)設(shè)置各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址,各節(jié)點(diǎn)上電后自動讀取本節(jié)點(diǎn)跳線數(shù)據(jù)后,換算成其通信信道地址,完成無線通信模塊的配置。

2 實(shí)驗(yàn)室用電管理系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

采用實(shí)時多任務(wù)應(yīng)用電路,考慮到實(shí)驗(yàn)時間計(jì)時與無線數(shù)據(jù)實(shí)時收發(fā)的雙任務(wù)要求,同時執(zhí)行這兩個任務(wù)會產(chǎn)生沖突,所以選擇雙MU的基本架構(gòu)[5]。

2.1 實(shí)驗(yàn)室主節(jié)點(diǎn)電路

主節(jié)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室的簇頭節(jié)點(diǎn),也是對實(shí)驗(yàn)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)定正確通斷電進(jìn)行管理的應(yīng)用系統(tǒng)的一部分,主節(jié)點(diǎn)使用可將未能正確通斷電的使用者工號記錄下來,并發(fā)送至數(shù)據(jù)終端供查詢。主節(jié)點(diǎn)選用STC89C54RD+單片機(jī),圖1為實(shí)驗(yàn)室安全檢測管理主節(jié)點(diǎn)電路。

2.2 計(jì)時與地址設(shè)置電路

由于只完成計(jì)時脈沖發(fā)生與本機(jī)地址設(shè)置的功能,硬件要求不高,所以MCU選用AT89C2051單片機(jī),其性能與功能已能滿足要求。

AT89C2051的P1.2腳與主MCU單片機(jī)的P3.4腳為自定義的一線式信號傳輸線,在主節(jié)點(diǎn)上電后時,主MCU從AT89C2051獲得地址數(shù)據(jù)。AT89C2051的P1.3～P1.7用作地址數(shù)據(jù)輸入端,由撥碼開關(guān)設(shè)置。

圖1 實(shí)驗(yàn)室安全檢測管理主節(jié)點(diǎn)電路

2.3 三相交流檢測電路

本用電管理系統(tǒng)在判斷出需要進(jìn)行自動斷電操作時,需要檢測交流電源是否已切斷,若未切斷,則通過模擬漏電現(xiàn)象,利用空開自身的漏電保護(hù)功能自行跳閘,實(shí)現(xiàn)定時斷電的保護(hù)功能。

2.3.1 三相交流電有無的檢測

三相交流電有無的檢測要求靈敏準(zhǔn)確,功耗小,不破壞三相電路的平衡,安全和簡便有效。有兩種三相交流電有無的檢測電路,均具有較好的性能。原理不同,但都保證了不破壞三相電路的平衡,靈敏準(zhǔn)確,功耗小,安全可靠[6]。

圖2中由D1～D6整流二極管組成三相全波整流電路,輸出整流電壓為2.34U2cosα,不控整流時,即α角為0,U2=514.8V,R1取用100kΩ,耐壓600V的電阻。發(fā)光二極管的電流約5mA左右,此處可采用光耦,或光電開關(guān)。從光電接收三極管T的集電極輸出信號,高電平表示三相交流電源已切斷,反之則未切斷。

圖2 整流型三相電源檢測電路

圖3是交流負(fù)載型三相電源檢測電路,由光耦D1～D6構(gòu)成三相星型負(fù)載接法,一方面降低對負(fù)載電阻耐壓的要求,一方面三相負(fù)載也是平衡的。

圖3 交流負(fù)載型三相電源檢測電路

Q9光電接收管輸出信號sinagl,高電平表示三相交流電源未切斷,反之則已切斷。電阻R11～R13取值均為44kΩ,選用型號為HV1/4W,最高工作電壓700V,最高過負(fù)荷電壓900V,耐電壓500V,玻璃釉高壓電阻。光電收發(fā)對管選用PT5A850DC/IR5A940AC,發(fā)射功率強(qiáng)，受光角度勻均,批量一致性好,性能穩(wěn)定,耐1000mA電流脈沖,抗光干擾強(qiáng),有效過濾強(qiáng)光下環(huán)境光干擾,對射接收距離遠(yuǎn),精確度高,能識別各類微細(xì)物體檢測信號。

2.3.2 交流電漏電模擬電路

漏電模擬電路是為了人為制造漏電事故,利用三相電源空氣開關(guān)自身的漏電保護(hù)跳閘功能實(shí)現(xiàn)自動斷電的目的。方法簡單有效,無需對原有供電設(shè)備做較大的改動就能實(shí)現(xiàn)程控?cái)嚯姽δ堋?/p>

圖4是模擬交流電漏電電路,模擬單相對大地短路,由繼電器控制漏電模擬電阻R10接地實(shí)現(xiàn)。按有效電流計(jì)算漏電流,模擬漏電電流30.137mA。一般空氣開關(guān)的漏電動作電流達(dá)30mA,及15mA以上時就能跳閘斷電。主節(jié)點(diǎn)電路上電時,CONL控制信號為低電平,繼電器失電,漏電模擬電阻R10不接地。當(dāng)需要斷電時,CONL控制信號為高電平,繼電器得電,漏電模擬電阻R10由K1常開接點(diǎn)接地,使三相電源進(jìn)線控制開關(guān)跳閘斷電。Q8選用小功率三極管9013,其額定工作電流可達(dá)500mA。

直流繼電器選用JQ-3FF-S-H型,工作電壓12VDC,負(fù)載10A,250VAC,線圈功率0.36W,額定電流30mA,常開型觸點(diǎn)形式,電流型。本設(shè)計(jì)選用交流負(fù)載型三相電源檢測電路。

圖4 交流電漏電模擬電路

3 實(shí)驗(yàn)室用電管理系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室用電管理系統(tǒng)對程序的功能有如下要求:實(shí)驗(yàn)教師工號建庫、實(shí)驗(yàn)教師工號輸入、實(shí)驗(yàn)時長控制、未及時斷電判斷與處理。程序設(shè)計(jì)硬件背景以實(shí)驗(yàn)室主節(jié)點(diǎn)為背景,以實(shí)用、功能有效為原則進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。圖5是實(shí)驗(yàn)室用電管理系統(tǒng)主程序流程圖。

4 用電管理系統(tǒng)軟硬件調(diào)試

對軟硬件相結(jié)合的嵌入式應(yīng)用,在進(jìn)行軟件調(diào)試,硬件調(diào)試及軟硬件聯(lián)調(diào)時,常出現(xiàn)預(yù)期的功能調(diào)試不能通過,不能很快判斷是軟件問題,或是硬件問題,還是軟硬件配合的問題,特別是多人合作時,更容易認(rèn)為自己的工作是正確的,問題是別人的,這一現(xiàn)象的出現(xiàn)延誤了項(xiàng)目的進(jìn)程,需要一個正確的測試方法與流程。為保證本設(shè)計(jì)軟硬件測試工作順利有效,采取程序模塊化設(shè)計(jì),硬件統(tǒng)一設(shè)計(jì),先設(shè)計(jì)好硬件,確定硬件正確有效后,定型硬件設(shè)計(jì)。

4.1 主節(jié)點(diǎn)的硬件調(diào)試

對于主節(jié)點(diǎn)電路,先觀察電路板上元件焊接的質(zhì)量是否良好,PCB板上印制導(dǎo)線是否正確,有無斷線,短接。然后通電,用萬用表測量電源電壓是否正確。

4.2 用電管理程序調(diào)試

4.2.1 主MCU與從MCU配合的功能程序

對于主MCU芯片、LED數(shù)碼管顯示電路,K1～K3按鍵的硬件功能及基本的人機(jī)通信程序測試,可編寫顯示通用程序與按鍵應(yīng)用程序進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)。由于這一塊的軟硬件功能相對簡單,調(diào)試較順利。對從MCU與主MCU的通信調(diào)試,編一段測試程序,將接收到的主機(jī)地址顯示在LED數(shù)碼管上,通過示波器觀察CTC0端的信號波形,可測試兩機(jī)間的通信正確性。

4.2.2 ZLG500B模塊應(yīng)用程序

對射頻卡讀卡模塊的測試,分三步進(jìn)行,第一步是測試讀卡程序是否與ZLG500B配合正常,卡號顯示在LED數(shù)碼管上,觀察讀卡功能是否正常。第二步是讀卡功能正常可靠后,測試教工號輸入與存儲是否正常。第三步是測試密碼設(shè)置與存儲是否正常。

4.2.3 定時與時控程序功能

編制主機(jī)測試程序,從機(jī)發(fā)一個脈沖信號,主機(jī)計(jì)數(shù)并顯示在LED數(shù)碼管上,首先測試脈沖與計(jì)時程序的正確性。對繼電器的控制功能的測試,設(shè)一預(yù)定計(jì)數(shù)值,計(jì)數(shù)到,控制直流繼電器通電,驗(yàn)證這種時控電路的功能是否正確。

4.2.4 教師信息查核程序

教師信息的查核有RFID卡號的查核、教師工號的查核、密碼的查核三種情況。分別用于新教師信息的入庫,老教師信息的核對,刷卡與手動輸入工號情況下的教師工號的查核。該程序設(shè)計(jì)的教師信息最多有60條信息,從EEPROM調(diào)入STC89C54RD+單片機(jī)的外RAM中,從0000H開始,共占用1020個RAM單元,存儲結(jié)構(gòu)為每個教師信息占17個單元,4B+7B+6B為卡號+工號+密碼。當(dāng)前教師信息存放在60H～70H單元內(nèi),一旦有輸入操作,工號將保存在64H～6AH單元內(nèi)。

調(diào)試方法為:程序設(shè)置教師信息庫中已有的工號至64H～6AH單元內(nèi),調(diào)用教師信息查核子程序,觀察LED顯示的工號信息是否正確。這樣可調(diào)試出教師信息查核子程序的邏輯正確性,可先查第一個工號,即0004H～000AH單元的工號,正確后,再查核其他任一個教師工號,驗(yàn)證其查詢數(shù)據(jù)指針計(jì)算是否正確。

5 結(jié)論

基于星型層次結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室安全用電管理系統(tǒng)是有效可行的,其通信技術(shù)成熟,檢測電路可靠,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靈活擴(kuò)展。能正確上下傳輸數(shù)據(jù),報(bào)警數(shù)據(jù)能可靠上傳至數(shù)據(jù)終端。該用電管理系統(tǒng)能滿足一般高校實(shí)驗(yàn)室的使用,組網(wǎng)靈活,實(shí)用價值高。是提升實(shí)驗(yàn)室信息化與智能化管理的有效途徑之一。