基于 ZigBee 的實驗室電源管理系統(tǒng)

余鵬程，錢 楷，周月喬，田相鵬

（湖北民族大學 信息工程學院，湖北 恩施 445000）

摘 要 ：針對科研設備管理難度較大的現(xiàn)象，為改善設備性能，提高利用率，設計了一套基于 ZigBee 的實驗室電源管理系統(tǒng)，通過射頻卡完成人員信息的采集，由數(shù)據(jù)庫進行信息管理，繼電器完成設備的開關控制。測試表明， 該系統(tǒng)能夠準確完成設備的開關管理，且串口屏的設計也實現(xiàn)了實驗室設備的可視化管理，相較于已有方案，其系統(tǒng)結構簡單，成本低廉，能耗低，具有較好的應用前景。

關鍵詞 ：ZigBee ；實驗室電源管理 ；智能化 ；STM32 ；繼電器 ；通信

中圖分類號 ：TP391.44 文獻標識碼 ：A 文章編號 ：2095-1302（2021）02-0035-04

引 言

對于科研設備的管理往往存在電源無關斷或?qū)υO備的使用信息無記錄的情況，如何高效發(fā)揮現(xiàn)有設備的利用率，提高能量效率，成為亟待解決的問題 [1-4]。因此，對科研設備實行智能化管理有著重要的研究意義。

基于 ZigBee 的電源管理技術在生活應用領域的研究正在不斷深入。例如曾寶國等實時采集實驗室電源的電壓、電流參數(shù)，并逆向上報監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可根據(jù)上報數(shù)據(jù)判斷電源的工作情況進行狀態(tài)控制 [5]。尹小曼等對室內(nèi)環(huán)境嵌入式監(jiān)測器進行設計，完成 Linux 操作系統(tǒng)的移植和用戶交互圖形界面的功能測試，能夠有效進行家居環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測 [6]。王海林等為解決學生上課與實驗時間的矛盾、高校實驗室存在設備利用率不高的情況，通過擴頻技術對智能卡進行管理，能夠及時關斷實驗室設備 [7]。綜合上述研究來看， 對于科研設備的管理還存在智能化程度不高，管理不及時等現(xiàn)象，可以從控制器的效率方面著手進行優(yōu)化，進一步提高利用率。

本文設計了一套基于 ZigBee 技術的科研設備用電智能管理系統(tǒng)，以提高能源的利用效率和設備的智能化管理水平， 各節(jié)點之間采用自組網(wǎng)技術，通過繼電器控制開斷，利用串口將收集到的信息顯示到串口屏，由此完成人工智能管理。

實驗室電源管理系統(tǒng)總體方案

本項目通過采用無線傳感器網(wǎng)絡技術設計實驗室科研設備用電智能監(jiān)控網(wǎng)絡。與匯聚節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點以及上位機管

收稿日期：2020-08-25 修回日期：2020-09-28

基金項目：國家自然科學基金（616650 02）；國家自然科學基金

（61483014）；湖北省“雙一流”建設專項資金（2019）

理軟件構建實驗室設備用電智能管理系統(tǒng)，能有效提升實驗室科研設備用電的智能化管理水平。

在信息采集端，選用 RFID 射頻卡完成對人員信息的采集，當用戶讀入 ID 卡時，ID 卡上的信息便會由門禁系統(tǒng)通過串口發(fā)送給 ZigBee 的終端。終端將利用 ZigBee 無線發(fā)送的優(yōu)勢，將 ID 卡的信息發(fā)送給 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點 [8-11]，之后協(xié)調(diào)器將信息發(fā)送給 STM32，在 STM32 中編寫一個小型數(shù)據(jù)庫 [12]，若數(shù)據(jù)庫中有此卡的信息，便會下發(fā)打開繼電器開關命令，閃存當前 ID 卡信息，并記錄當前時間。當設備使用結束后，學生二次靠卡，STM32 返回關閉信息，斷開繼電器開關，同時記錄結束時間。實驗室 [13] 科研設備智能開

關控制系統(tǒng)總體設計如圖 1 所示。

我們選用 ZigBee 通信，不僅減少了布線的成本投入， 又降低了維護的難度，增強了通信的靈活性，而且用于監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的廉價性使得對每臺用電設備的用電量進行智能監(jiān)控 [14-15] 成為可能。無線傳感器網(wǎng)絡的自組織特性使新的節(jié)點可以隨時加入網(wǎng)絡，且無效節(jié)點可以隨時刪除而不會對原有通信系統(tǒng)造成影響。

系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)主控電路

圖 2 所示為 STM32 開發(fā)板與相關外圍模塊的接口電路， 具有如下功能。

從串口接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的信號，并將信號與片內(nèi)的數(shù)據(jù)庫對比，從而下發(fā)命令回調(diào)給協(xié)調(diào)器，進而控制繼電器的開合。

利用串口將收集的信息顯示到串口屏上，實現(xiàn)信息的可視化。STM32F429IG 網(wǎng)關外圍電路主要包括晶振電路、復位電路與協(xié)調(diào)器的接口電路以及電源供電電路。復位電路

采用阻容復位電路，晶振電路采用典型的無源晶振電路，其 他接口則只需與外接模塊電路相連接即可。

圖 1 系統(tǒng)總體方案設計

管截止，相當于斷開狀態(tài)，線圈中無電流或電流不足以吸合繼電器開關。在線圈回路中加一個二極管 D1，防止 MOS 管的集電極承受瞬間高壓而損壞。

系統(tǒng)軟件設計

圖 3 繼電器開關電路

圖 2 STM32 開發(fā)板外接電路

端口 PA9 和 PA10 為串口 1 的收發(fā)引腳，實現(xiàn)其與協(xié)調(diào)器的信息傳送，PB10 與 PB11 是 STM32 與串口屏的連接引腳，實現(xiàn)信息的可視化。STM32 芯片需要 2 個晶振，一個為25 MHz，另一個為 32.768 kHz，以此提供系統(tǒng)時鐘信號，并與時鐘保持一致。VDD 口外接電源電路，由于芯片工作電壓為 3.3 V，因此電源電路通過CJA/117B 將 5 V 電壓轉換為

3.3 V，使芯片正常工作。

2.2 ZigBee 終端設備繼電器開關電路

電源的開合通過繼電器 [13] 實現(xiàn)，當終端收到數(shù)據(jù)庫的

回調(diào)命令后，通過繼電器進行電源管理。圖 3 所示為繼電器開關電路，CC2530 通過 P0_7 口輸出，選用 MOS 管控制開關繼電器的關合。當輸出口為高電平時，MOS 管導通，線圈中有電流導致繼電器吸合 ；當輸出口為低電平時，MOS

圖 4 所示為系統(tǒng)主程序。當 STM32 串口收到信息后會將信息與片內(nèi)自寫數(shù)據(jù)庫進行比對，當串口信息比對成功后， STM32 一方面將信息送往串口屏顯示，另一方面將繼續(xù)判斷刷卡次數(shù)是否為 1，若為第一次刷卡則發(fā)送開繼電器命令， 反之則發(fā)送關閉命令。

STM32 串口端的信息由 ZigBee 無線傳輸，首先聲明一個串口回調(diào)函數(shù)，實現(xiàn)相關功能 ：終端串口接收讀卡器上傳的數(shù)據(jù)信息，當串口收到數(shù)據(jù)之后存在串口緩存區(qū)，按照數(shù)據(jù)庫協(xié)議的格式打包存儲，并運用無線發(fā)送函數(shù)點播出去。

數(shù)據(jù)并非逐個發(fā)送或接收，而是將所得到的數(shù)據(jù)以約定的格式打包之后發(fā)送出去， 我們將此數(shù)據(jù)包稱為心跳包。其格式為 ：魔法樹，4 B（韋根信息）；DRC，1 B（校驗）；Cmdid，指令類型 ；DeviceID，2 B（APP 層設備地址）； Switch State，1 B（開關狀態(tài)）。

在終端無線發(fā)送函數(shù)當中，先將魔法樹中的信息賦給無線發(fā)送緩存區(qū)，將指令類型數(shù)據(jù)、設備地址、開關狀態(tài)的相

應消息賦給每一字節(jié)。本文約定的協(xié)議為 20 B，當設備數(shù)量增多時以便留有一定裕度，當其未達到 20 B 時，自動填充字節(jié)數(shù)據(jù)位 0x20，完成數(shù)據(jù)的打包。打包之后調(diào)用 ZigBee 協(xié)議棧中的無線發(fā)送函數(shù)上傳協(xié)調(diào)器。

圖 4 系統(tǒng)主程序

若終端子節(jié)點收到無線數(shù)據(jù)，則首先按照心跳包協(xié)議拆分數(shù)據(jù)包。具體拆分過程如下 ：

if(Endpoit_af_Rxbuff[0] == magicnum[0]&&Endpoit_af_Rxbuff[1]

== magicnum[1]&&Endpoit_af_Rxbuff[2] == magicnum[2]&&Endpoit_ af_Rxbuff[3] == magicnum[3])

// 判斷數(shù)據(jù)頭是否一致

{

if(Endpoit_af_Rxbuff[7]==Endpoit_app_addr[0]&& Endpoit_af_ Rxbuff[8]==Endpoit_app_addr[1]) // 判斷是否為本終端地址

{ if(Endpoit_af_Rxbuff[5] == 3) // 打開開關指令

Switch_state = 1; // 打開開關

else if(Endpoit_af_Rxbuff[5] == 4) // 關閉開關指令

Switch_state = 0; // 關閉開關

else if(Endpoit_af_Rxbuff[5] == 5) // 服務器查詢開關狀態(tài)

SampleApp_Send_P2P_Message();

// 終端更改開關狀態(tài)后上傳當前的開關狀態(tài)

HalUARTWrite(MY_DEFINE_UART_PORT, Endpoit_af_Rxbuff, pkt->cmd.DataLength);

表 1 通信協(xié)議頭

指令類型見表 2 所列。

表 2 通信協(xié)議相關指令

實驗結果

基于 ZigBee 的實驗室電源管理系統(tǒng)實物搭建效果如圖 5 所示。系統(tǒng)上電后，終端設備 LED 燈全亮，ZigBee 節(jié)點自動組網(wǎng)，幾秒之后，LED1 熄滅，表示組網(wǎng)成功。終端設備刷入 ID 卡信息之后，串口屏正確顯示 ID 卡上信息并記錄刷卡時間，二次刷卡之后顯示結束時間，如圖 6 所示。

圖 5 系統(tǒng)實物搭載模型

// 串口輸出接收到的數(shù)據(jù)

HalLedBlink(HAL_LED_1, 3, 50, 200);

// 終端收到協(xié)調(diào)器廣播數(shù)據(jù)后 LED1 閃爍 3 次

數(shù)據(jù)包格式即服務器端約定了通信協(xié)議后， 不同設備之間通過此協(xié)議來完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。定義協(xié)議頭見表 1

結 語

圖 6 系統(tǒng)串口屏顯示

所列。 針對科研設備利用率低，管理困難等問題所搭建的實驗

室智能管理系統(tǒng)，充分利用 ZigBee 無線傳輸?shù)膬?yōu)點，數(shù)據(jù)信息可以有效收發(fā)。測試結果表明，所設計的電源管理系統(tǒng)能夠及時關斷電路節(jié)約能耗、提高設備利用率，達到了預期的設計效果。本文設計的系統(tǒng)切實可行，具有廣闊的應用前景。

注：本文通訊作者為錢楷。

參 考 文 獻

郭金銘，鄒剛偉，胡斌杰，等 . 基于 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡定位技術研究 [J]. 移動通信，2013，37（18）：74-79.

李輝，張曉光，高頂，等 . 基于 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡在礦井安全監(jiān)測中的應用 [J]. 儀表技術與傳感器，2008，45（4）：33- 35.

季寶杰，鄒彩虹，王永田 . 基于單片機的溫室自動控制系統(tǒng)設計

[J]. 計算機測量與控制，2007，15（1）：73-75.

ROHOKALE V M，PRASAD N R，PRASAD R. A cooperative Internet of Things（IoT）for rural healthcare monitoring and control [C]// 2011 2nd International Conference on Wireless Communication， Vehicular Technology，Information Theory and Aerospace & Electronic Systems Technology. Chennai，India：[s.n.]，2011：1-6.

曾寶國，曾妍 . 基于 WSN 的開放性實驗室電源管理系統(tǒng) [J]. 物

聯(lián)網(wǎng)技術，2012，2（6）：56-58

尹小曼，馬俊，陳博行，等 . 基于 ZigBee 技術的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn) [J]. 自動化與儀器儀表，2019，38（3）：96- 99.

王海林，管超，張蔚濤，等 . 基于智能卡和擴頻技術的實驗室電源管理系統(tǒng) [J]. 實驗技術與管理，1997，14（2）：40-44.

關學忠，劉鵬，唐磊，等 . 基于 ZigBee 的智能家居系統(tǒng)的設計 [J].

自動化技術與應用，2011，30（11）：36-38.

周游，方濱，王普 . 基于 ZigBee 技術的智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng) [J].

電子技術應用，2005，31（9）：37-40.

高峰，俞立，張文安，等 . 基于無線傳感器網(wǎng)絡的作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（2）：107- 112.

張世杰 . 實驗室開放管理關鍵技術研究與開發(fā) [D]. 北京：北京郵電大學，2017.

楊龍，于濱紅 . 固態(tài)繼電器在 89C51 單片機控制系統(tǒng)中的應用

[J]. 電測與儀表，1999，36（5）：52-53.

張敏，董學勵 .ZigBee 無線網(wǎng)絡在開放實驗室電源控制中的應用

[J]. 科學技術與工程，2012，12（8）：1920-1922.

賀登天，甘重斗，夏春水 . 基于單片機控制的智能開關的設計與實現(xiàn) [J]. 甘肅科技，2007，23（6）：41-44.

張曉晨 . 消防設備電源控制系統(tǒng)分析 [J]. 中國科技信息，2018，30（2）：54-55.

作者簡介：余鵬程（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為電氣工程與自動控制。 錢 楷（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向為電子信息、光纖傳感。