基于WSN的开放性实验室电源管理系统

引言

开放性实验室管理是教育信息化的重要内容，是培养创新型人才的新途径。电源管理系统是开放实验室管理中过程控制的重要环节，基于智能卡和 IP 核电源控制技术的电源管理方案是目前流行的解决方案，在诸如万欣开放性实验室管理系统等系统中获得了广泛应用。但该类系统对电源使用过程中的参数缺乏监管，因此，对实验台中因用电造成的故障缺乏过程监控。针对开放实验室电源精细管理中出现的上述问题，本文提出了一种基于 ZigBee、RFID、GSM 及计算机软件技术等物联网核心技术的解决方案。

1 系统组成

本系统由远程监控中心和实验室现场控制单元两部分组成，图 1 所示是开放实验室电源管理系统的整个系统组成框图。其中远程监控中心主要由服务器、数据库、应用软件和支持 TCP/IP 和 GSM 的桌面主机组成。应用软件主要负责实验预约、排班、报表和数据维护；桌面主机可支持多种方式与实验室现场控制单元通讯，负责信息的传输，并通过开放的接口与开放实验室管理系统的其它子系统进行通讯。实验室现场控制单元由客户端壁挂式主机及照明、实验台、空调等三类受控对象的电源控制器组成。客户端壁挂式主机内置 RFID刷卡模块、CC2430 通讯模块、GSM 通讯模块以及以太网通讯模块，并通过 ZigBee 无线传感器网络与电源控制器通讯，负责 ZigBee 无线网络的发起、路由维护以及数据的上传、指令的下发等。电源控制器内置 CC2430 通讯模块、传感器模块、信号采集模块、电源控制模块，可以负责指令接收、状态反馈和现场电源控制等功能。

图1 开放实验室电源管理系统的组成

2 系统主要模块的硬件设计

2.1 客户端壁挂式主机

客户端壁挂式主机由嵌入式主机、RFID 读卡装置、ZigBee 和 GPRS 通讯模块、LNK304 电源系统构成。嵌入式主机采用 OK2440-IV 型开发板，通过 USB 接口连接 RFID读卡装置，并通过两个串口连接 ZigBee 和 GSM 模块。支持 GSM 通讯是为了方便远程短信控制，以解决实验室运行过程中忘记关电后的远程关电。

2.2 照明灯电源控制

照明灯电源控制不需要刷卡授权，但需根据教室人员流动情况及监控中心控制指令来控制灯的亮、灭及参数的检测和上报。针对实验室照明用的荧光灯，本系统设计了专门的用户接口板和一个独立的可调电感镇流器，以实现无级亮度调节和开关控制。图 2 所示是照明灯电源控制器的电路结构。照明灯电源控制器主要由基础电源、电流电压检测电路、热释电红外传感器电路、CC2430 控制及通讯模块组成。其中CC2430 内部包含多路模拟数字转换器，可以方便地实现电压、电流和光强检测。

图 2 普通日光灯调光子系统组成框图

常用的荧光灯亮度调节不能用一般的调压电路来实现，否则，随着灯管两端电压的降低，灯丝温度也会降低，荧光灯将无法启动。根据荧光灯的工作原理可知，电感镇流器实质是一个 LC 振荡电路，谐振时的总电阻 R=L/rC(r 为 L 的直流电阻 )，R 将随 L 成正比变化。因此，可以在电感镇流器内部电感 L 的一端串接由线圈和磁棒来组成可变电感 L1，并由步进电机驱动螺杆使固定在线圈骨架上的螺母沿螺杆移动，从而使线圈沿磁棒移动来改变电感，以达到改变荧光灯亮度的目的。在图 2 中，51 单片机调光模块用于控制步进电机的转角，以改变电感；此外，还可控制镇流器的通断，以实现开、关灯控制。

2.3 实验台及空调电源控制

实验台电源控制器是系统控制的末端 , 也是决定学生是否能进行实验的最后环节。控制器的结构如图 3 所示，由用户接口板和多路电源插座组成。用户接口板用于电压电流检测及无线通讯 ；多路电源插座是电源控制器的核心，由 51 单片机通过光耦隔离来控制继电器实现 ；DS1302 时钟电路用于同步时间，也可用于付费用电情况。

图 3 实验台电源控制器

空调电源控制器与实验台电源控制器电路类似，但因入口电压为 380 V，故需采用 3 路继电器分别控制 U、V、W 三相的通、断，继电器应选用 3.3 V/10 A 大功率继电器。

3 系统软件设计

本系统的软件由远程监控中心软件和实验室现场控制单元软件两部分构成，其中监控中心应用软件采用 B/S 架构，监控中心与实验室现场控制单元之间则采用基于 Sockts 和 GSM的 C/S 架构。

3.1 实验室现场控制单元软件设计

实验室现场控制单元的客户端壁挂式主机与电源控制器之间通过 ZigBee 无线网络来进行通信，因此，本单元的软件主要由无线网络程序、电源控制器中 51 单片机控制程序、客户端嵌入式程序三部分组成。

3.1.1 无线网络的组建

本系统的无线网络基于 Z-Stack 协议栈完成，采用星形网络拓扑结构。无线网络数据通信格式如表 1 所列。其中Shortaddr 用于表征终端节点地址，由于无线网络终端节点地址是动态分配的，因此，如何实现该短地址与具体终端的绑定是必须解决的问题。本系统采用类似 GSM 手机向网络注册的方式，各终端节点的 51 单片机模块每隔 180 s( 实验测试，在一间有 50 个终端节点同时工作的教室，采用180 s 的间隔注册与采用 60 s 间隔注册对比时，协调器上消息的碰撞率能降低80%) 向与之相连的 CC2430 发送预设的节点编号，然后通过无线网向协调器注册，由协调器执行动态短地址与具体终端节点的绑定。在表 1 所列的上行链路中，照明灯电源控制器不会上传 Time，实验台电源控制器不会上传 HW 和 GM，其相应位置均默认填充 0。

表 1 无线网络数据帧格式

3.1.2 无线节点状态数据采集与电源控制器状态控制

Z-Stack 采用轮询及优先级控制方式实现任务调度，CC2430 在 P0 口提供有多路 A/D 通道，可方便地处理电源控制器的光强采集、电压采集、电流采集和热释电红外传感器信息采集。这里以电压为例，模拟输入端连接到 CC2430 的P0.0 口，在协议栈中由下述语句实现信号采集 (0x00 表示通道号，HAL_ADC_RESOLUTION_14 表示分辨率为 14 位 ) ：

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

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

电源控制器状态控制由协调器在下行链路的 CMD(2B)中指明，当 CC2430 终端节点 (Endpoint) 解析出 CMD 后，通过串口发送到对应的 51 单片机模块，由 51 单片机控制步进或驱动继电器，改变电源控制器的控制状态。串口波特率设置为 57600 波特，以满足使用 11.059 2 MHz 晶振的单片机模块与 CC2430 通讯模块通讯。CC2430 节点中，串口注册 由 函 数 SPIMgr_RegisterTaskID(Car_Dispatch_TaskID) 实现，接收处理函数在协议栈 MT 层 SPIMgr.c 中由 uartConfig.callBackFunc= SPIMgr_ProcessZToolData 指明回调函数。

3.1.3 客户端壁挂式主机软件

客户端壁挂式主机运行于 Windows CE 5.0 操作系统环境，采用 C/S 三层架构设计，基于 C# 进行软件开发。数据访问层主要包括 PduEncodeDecode.cs( 短信 Unicode 编码类 )、ClassRoom.cs( 教 室 类 )、Lamps( 照 明 灯 类 )、Experimental_Station.cs( 实验台类 )、Air_Conditioner.cs( 空调类 )、Telephone.cs( 电话号码类 )，主要完成短信编解码和照明灯、实验台、空调等的定义功能。逻辑控制层主要包括 SMShelper.cs( 短信类 )，用于完成短信的操作；另外，为了支持网络通信，还需用到 C#的 Sockets 相关类，以完成 TCP/IP 网络通信功能。

3.2 远程监控中心软件设计

远程监控中心软件主要由两部分构成，一是运行在服务器端桌面主机上的、支持实验室现场控制单元的 Server 软件，二是运行在服务器上的、基于 B/S 架构的应用软件。前者采用短信和基于 C# 的 Sockets 通信方式与实验室现场控制单元的壁挂式主机通信 ；后者则由图 4 所示的模块组成。

图 4 基于 B/S 的实验室电源管理系统的组成

4 结 语

本系统已在笔者所在院校的物联网技术应用中心下属物联网实验室、科技创新实训室等实验室投入使用。实际使用证明 ：本系统可实现网上预约实验，实验室现场控制单元只为被授权或预约用户开放，电流电压可实时检测，被授权管理员可在异地远程控制电源设备的开关电，并支持在线或脱机查看与管控实验室以及数据报表等功能。本系统的应用大大简化了实验室管理流程，提高了精细化过程控制管理效率。目前，项目组正在对系统进行完善，争取建立与学院精品课程录播系统的开放接口，加入网络视频监控管理子系统，以丰富过程管理手段，形成较为完善的开放实验室管理系统。

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