摘要：針對高校設備利用率低的現象，提出了一種基于電流監(jiān)測的實驗設備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)實現方法。系統(tǒng)以STC12C5A60S2為電流監(jiān)測模塊控制器，結合Zigbee和485總線通信方式，將實驗設備運行狀況的信息進行集中管理，以較小的代價，大大簡化了監(jiān)督實驗設備使用情況的工作流程，給管理人員提供了極大的便利。經過測試表明，該系統(tǒng)可以運行正常、穩(wěn)定，可以適應斷電等情況，完全滿足設計需求，具有較高的推廣應用價值。
關鍵詞：實驗室；設備管理；電流互感器；峰值檢波

    隨著教育體制的改革，高等學校對教學設施經費投入的比重也越來越重。高等學校的儀器設備作為教學、科研和科技開發(fā)的一個最基本硬件條件，在一定程度上反映了學校教學質量、科研水平、管理水平，也從側面反映出了學校的實力，實驗室硬件裝備已成為高校競爭力建設的新重點。隨之而來的問題是，投入了大量教育經費購買的實驗設備，卻被長時間閑置，未能達到預期目的。
    高等學校實驗設備作為一種教育資源，理應發(fā)揮其應有的作用，如何提高設備利用率，成為倍受各級教育部門重視的一大問題。提高設備利用率需要多方面的共同努力，包括加強實驗室技術管理隊伍的建設、合理規(guī)劃實驗室結構形式、引入現代化管理理念、強化設備購置計劃管理、建立科學的評價體系等方面，這些都是理論方面的探索，有必要從管理方面尋求一種可實際操作的方法。

1 系統(tǒng)總體設計
1．1 需求概述
    實驗室設備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)以上層管理者的角度出發(fā)，旨在監(jiān)督設備使用情況。提高學?？蒲袑嵙κ菍W校購置設備的重要目的之一，學校鼓勵教師、學生使用實驗室設備，因此有了“開放式實驗室”一詞。由于擔心設備的損壞、丟失等現象發(fā)生，通過加強培訓管理，雖然可以大大降低這些現象的發(fā)生，但設備管理人員仍希望盡可能少使用設備，如此一來，就與購置設備的初衷有所出入。作為管理者，想了解設備使用情況，只能通過匯報工作時了解一些信息，不能如實反映事實。因此，有必要開發(fā)實驗設備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)，通過事實數據來獲知設備使用情況?，F在幾乎所有的實驗設備都離不開電，因此，系統(tǒng)基于監(jiān)測設備待機、運行、關閉時不同的電流值，而達到監(jiān)測設備使用情況的目的。
1．2 系統(tǒng)設計
    系統(tǒng)主要分為3部分，包括電流監(jiān)測模塊、中位機、上位機。電流監(jiān)測模塊通過電流互感器將大電流變換為可處理的小電流，然后經由控制器轉換為數字量，再通過Zigbee模塊將數據發(fā)送至中位機，理論上可以監(jiān)測上萬臺用電設備；中位機起中轉數據的作用，因為Zigbee傳輸距離有限，所以，在收到數據后，改由485有線方式將數據發(fā)往上位機。485總線可連接上百個負載，而且傳輸距離可達上千米。上位機建立各個設備的使用狀況信息表，并制作報表。上位機通過485集線器可連接數十個實驗室的中位機，監(jiān)測每個實驗室的上百臺設備。如圖1所示，為系統(tǒng)的總體框架圖。

1．3 關鍵技術論證
    1)電流監(jiān)測  給每個實驗設備的用電回路安裝電流互感器，通過采集傳感器感應電流大小，即可知道設備的使用情況。電流互感器是根據電磁感應原理制成的，由閉合鐵芯和繞組組成，可以把數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流。在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要變換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓多都比較高，直接測量比較危險，電流互感器起到變流和電器隔離的作用。圖2為電流互感器原理圖。通過測量二次回路電流大小，可間接計算出一次回路電流大小，亦即設備用電電流。

    2)數據傳輸  系統(tǒng)結合多種傳輸方式，按照預先制定的協(xié)議，共同完成設備電流數據到上位機管理系統(tǒng)的傳遞。包括電流監(jiān)測模塊通過Zigbee模塊將數據發(fā)送到和中位機相連的Zigbee模塊，中位機再通過485總線將數據發(fā)送到管理系統(tǒng)。
    3)特殊情況處理  系統(tǒng)的3部分都需要用電，因此，若電流監(jiān)測模塊、中位機、管理系統(tǒng)之一未工作，則系統(tǒng)不能處理實時數據。為了避免數據遺漏，電流監(jiān)測模塊在設計時充分考慮此種情況，設計了時鐘電路和存儲器，當中位機或上位機未工作時，電流監(jiān)測模塊將帶有時間標識的數據存儲在EEPROM中，當中位機和上位機下次供電工作時，電流監(jiān)測模塊再將數據發(fā)送至上位機。電流監(jiān)測模塊供電依賴于設備供電電流，因此，正常情況下，設備工作時，電流監(jiān)測模塊也必然工作。

2 硬件實現
    硬件作為實現系統(tǒng)功能的載體之一，具有重要作用，主要包括控制器、數據采集模塊、外圍電路、通信接口，硬件框圖如圖3所示。

2．1 控制器
    電流監(jiān)測模塊的最大特點是性價比高，這源于價格低廉，功能齊全的微控制器-STC12C5A60S2。它提供2路串行通信接口，8路高速的10位A／D，單條指令最快執(zhí)行速度達4μs，并且兼容傳統(tǒng)控制器指令系統(tǒng)?？刂破鞯倪@些特點不但大大簡化了電流監(jiān)測模塊的電路復雜性、增強了監(jiān)測模塊的靈活性，而且提高了其可靠性。控制器管腳及外圍電路接口如圖4所示。

2．2 數據采集
    數據采集是指采集設備用電電流大小。電流互感器將流過設備的大電流變換為5～20 mA小電流后，調節(jié)所連接的負載，可轉換為0～5 V電壓信號。設備在開機、關機狀態(tài)時，電流不同，每種狀態(tài)對應特定電壓閾值。閾值判斷有兩種方式：比較器、A／D轉換。
    1)比較器  比較器為常見的集成運算放大器LM324。同相端連接負載兩端的電壓信號，反相端連接參考電壓，當同相端輸入電壓大于反相端電壓時，運算放大器輸出端CMP為高電平，反之輸出端CMP為低電平，控制器通過采集運算放大器輸出CMP，判斷設備工作狀況。可以通過調整R1，R2阻值，改變參考電壓大小，適應不同設備的工作狀態(tài)，一般用滑動變阻器代替R1，R2。圖5所示為比較器方式下的原理圖。

    2)A／D轉換  A／D轉換和比較器方式原理上一樣，都是獲取轉換后的直流電壓(轉換詳見外圍電路一節(jié))大小。二者區(qū)別在于比較器方式是通過輸出的高低電平判斷設備工作情況，不需了解確切的電壓值，A／D方式則將電壓轉換為數字量，然后和閾值比較，做出判斷。
    從上面可以看出，兩種方式都可以實現設備工作狀態(tài)的判斷，但比較器方式明顯不具備通用性；當更換設備時，根據分壓計算R1，R2后，才能調節(jié)，而且可調電阻壽命有限；電流波動時，比較器輸出電平頻繁改變。A／D轉換的方式則比較靈活，更換設備后，可重新下載電流閾值(不是整個程序)。因此，系統(tǒng)采用A／D方式采集數據。
2．3 外圍電路
    外圍電路也是系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括峰值檢波、實時時鐘、存儲器。
    1)峰值檢波
    由于電流互感器輸出信號為交流信號，不管采用何種方式采集數據，都需要將其轉換為直流信號，峰值檢波就是解決將交流信號轉換為直流信號的電路，且交流信號峰值電壓和轉換后的直流信號電壓相同。電壓采集完畢后，對電容放電，進行下一次峰值檢波。其原理是利用二極管的單向導電性以及電容儲能作用。圖6所示為峰值檢波原理圖。

    由于電流互感器輸出為交流信號，如果運放大器放采用單極性電源供電，峰值檢波效果不好，因此，采用正負9 V供電。此外，運放放大器采用9 V供電，還可以避免因輸入信號過大而飽和。二級運放輸出連接5 V穩(wěn)壓管，防止電壓過大，燒毀單片機A／D管腳。
    2)實時時鐘和存儲器
    當中位機或者上位機未工作時，電流監(jiān)測模塊需要將相關數據暫存起來，在中位機和上位機下次上電工作時，再發(fā)送數據。因此，電流監(jiān)測模塊需要存儲帶有時間標識的數據，系統(tǒng)分別采用AT24C02和DS1302作為存儲器和時鐘芯片。圖7為實時時鐘和存儲器電路，圖中Bat為電池，在設備斷電時給時鐘供電，保證時間的持續(xù)性。

2．4 通信接口
    系統(tǒng)把從電流檢測模塊所采集的數據發(fā)送給上位機管理系統(tǒng)，需通過Zigbee和485總線兩種通信方式。系統(tǒng)所采用的Zigbee數據接口為TTL型UART，可以和控制器直接相連，因此不再詳細介紹。485作為一種總線標準，具有傳輸距離遠，可掛接多個負載的特點，但相比于UAR T，外圍電路也稍顯復雜。圖8為485總線接口原理圖。中位機數據發(fā)送端轉換為485電平后，連接圖中A、B引腳。

3 軟件及協(xié)議設計
    軟件作為系統(tǒng)的靈魂，直接關系著系統(tǒng)的可靠性、高效性、易用性，實驗設備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括控制器程序設計，中位機程序設計，以及上位機管理系統(tǒng)設計。中位機作為數據轉發(fā)單元，只需將收到數據按照數據包目的地進行轉發(fā)即可。
3．1 軟件設計
    1)控制器程序  控制器主要負責數據采集、數據處理、數據存儲、時鐘校正、數據發(fā)送等功能。產生定時中斷后，控制器調用A／D轉換程序采集電壓信號，并根據中位機或上位機運行狀態(tài)決定直接發(fā)送還是存儲起來(調用IIC寫程序)，等待時機發(fā)送(調用IIC讀程序)。產生串口中斷后，控制器首先解析數據包內容，根據標識碼判斷需要校正時間，更新設備不同狀況下電流(轉換后為電壓)的閾值，或是獲知管理系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
    2)管理系統(tǒng)  管理系統(tǒng)亦即運行于上位機上的軟件，基于Visual Basic程序開發(fā)平臺，負責數據接收，設備管理，報表生成等功能。管理系統(tǒng)可以實時的顯示設備當前運行狀態(tài)，也可以了解一段時間內設備運行狀態(tài)時，查看歷史數據或給電流監(jiān)測模塊發(fā)送命令更新數據。管理系統(tǒng)在數據庫中為每個實驗室建立一張數據表，存儲設備的狀態(tài)信息。系統(tǒng)收到數據后，判定屬于哪個實驗室，然后存入相應的數據表中，并判斷是歷史數據還是實時數據，如果是實時數據則會通過狀態(tài)顯示區(qū)不同顏色指示設備狀態(tài)。系統(tǒng)還可以定期對數據做報表，方便相關人員查看。管理系統(tǒng)如圖9所示。

3．2 協(xié)議設計
    協(xié)議是銜接下位機、上位機軟件的支架，只有遵循協(xié)議，進入通信鏈路的數據，才可以被識別并響應。協(xié)議具體如下。
    1)電流監(jiān)測模塊通過中位機向管理系統(tǒng)發(fā)送的數據包。共有3種類型：電流監(jiān)測模塊發(fā)送數據時，而中位機或上位機未工作時發(fā)送的數據包A；電流監(jiān)測模塊實時發(fā)送數據的數據包B；對管理系統(tǒng)的確認數據包C。長度為20字節(jié)、8字節(jié)和7字節(jié)，分別如表1，表2，表3所示。

    其中標識碼用來區(qū)分數據包類型，目的地址為管理系統(tǒng)編址，源地址用來區(qū)分某個實驗室的某個設備，設備狀態(tài)包括運行、待機、關機3種狀態(tài)，開始時間和結束時間為設備處于某一種狀態(tài)的起止時間，校驗為整個數據包的某種運算，用于發(fā)現傳輸過程中是否發(fā)生錯誤。
    2)管理系統(tǒng)通過中位機向電流監(jiān)測模塊發(fā)送的數據。共有3種類型數據包管理系統(tǒng)每次運行后告知設備可以實時發(fā)送數據的數據包D；管理系統(tǒng)向監(jiān)電流監(jiān)測模塊發(fā)送的時間校正數據包E；閾值下載數據包F。長度為7字節(jié)、13字節(jié)和8字節(jié)，分別如表4，表5，表6所示。

    標識碼、目的地址、源地址、校驗和上述含義相同。當前時間字段為管理系統(tǒng)時間，將其下發(fā)給各電路監(jiān)測模塊作為標準。

4 結束語
    文中從可行性、控制器選擇、硬件方案、軟件設計及協(xié)議設計等方面系統(tǒng)地對“實驗設備運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)”進行了分析并實現，最終達到了監(jiān)測實驗室設備運行、關閉狀態(tài)的目的。經過測試，不管實時監(jiān)測還是斷電后再發(fā)送數據都未發(fā)生遺漏現象，很好地監(jiān)督了設備使用情況，也對高校設備管理提供了一種新思路，對提高設備利用率有很大的幫助。