基于 ZigBee 的實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)

余鵬程，錢(qián) 楷，周月喬，田相鵬

（湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000）

摘 要 ：針對(duì)科研設(shè)備管理難度較大的現(xiàn)象，為改善設(shè)備性能，提高利用率，設(shè)計(jì)了一套基于 ZigBee 的實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)，通過(guò)射頻卡完成人員信息的采集，由數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息管理，繼電器完成設(shè)備的開(kāi)關(guān)控制。測(cè)試表明， 該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成設(shè)備的開(kāi)關(guān)管理，且串口屏的設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的可視化管理，相較于已有方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，能耗低，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 ：ZigBee ；實(shí)驗(yàn)室電源管理 ；智能化 ；STM32 ；繼電器 ；通信

中圖分類號(hào) ：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A 文章編號(hào) ：2095-1302（2021）02-0035-04

引 言

對(duì)于科研設(shè)備的管理往往存在電源無(wú)關(guān)斷或?qū)υO(shè)備的使用信息無(wú)記錄的情況，如何高效發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的利用率，提高能量效率，成為亟待解決的問(wèn)題 [1-4]。因此，對(duì)科研設(shè)備實(shí)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(shù)在生活應(yīng)用領(lǐng)域的研究正在不斷深入。例如曾寶國(guó)等實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室電源的電壓、電流參數(shù)，并逆向上報(bào)監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可根據(jù)上報(bào)數(shù)據(jù)判斷電源的工作情況進(jìn)行狀態(tài)控制 [5]。尹小曼等對(duì)室內(nèi)環(huán)境嵌入式監(jiān)測(cè)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成 Linux 操作系統(tǒng)的移植和用戶交互圖形界面的功能測(cè)試，能夠有效進(jìn)行家居環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) [6]。王海林等為解決學(xué)生上課與實(shí)驗(yàn)時(shí)間的矛盾、高校實(shí)驗(yàn)室存在設(shè)備利用率不高的情況，通過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)智能卡進(jìn)行管理，能夠及時(shí)關(guān)斷實(shí)驗(yàn)室設(shè)備 [7]。綜合上述研究來(lái)看， 對(duì)于科研設(shè)備的管理還存在智能化程度不高，管理不及時(shí)等現(xiàn)象，可以從控制器的效率方面著手進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高利用率。

本文設(shè)計(jì)了一套基于 ZigBee 技術(shù)的科研設(shè)備用電智能管理系統(tǒng)，以提高能源的利用效率和設(shè)備的智能化管理水平， 各節(jié)點(diǎn)之間采用自組網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)繼電器控制開(kāi)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(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)總體方案

本項(xiàng)目通過(guò)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室科研設(shè)備用電智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。與匯聚節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)管

收稿日期：2020-08-25 修回日期：2020-09-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（616650 02）；國(guó)家自然科學(xué)基金

（61483014）；湖北省“雙一流”建設(shè)專項(xiàng)資金（2019）

理軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室設(shè)備用電智能管理系統(tǒng)，能有效提升實(shí)驗(yàn)室科研設(shè)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(duì)人員信息的采集，當(dāng)用戶讀入 ID 卡時(shí)，ID 卡上的信息便會(huì)由門(mén)禁系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送給 ZigBee 的終端。終端將利用 ZigBee 無(wú)線發(fā)送的優(yōu)勢(shì)，將 ID 卡的信息發(fā)送給 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) [8-11]，之后協(xié)調(diào)器將信息發(fā)送給 STM32，在 STM32 中編寫(xiě)一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫(kù) [12]，若數(shù)據(jù)庫(kù)中有此卡的信息，便會(huì)下發(fā)打開(kāi)繼電器開(kāi)關(guān)命令，閃存當(dāng)前 ID 卡信息，并記錄當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)設(shè)備使用結(jié)束后，學(xué)生二次靠卡，STM32 返回關(guān)閉信息，斷開(kāi)繼電器開(kāi)關(guān)，同時(shí)記錄結(jié)束時(shí)間。實(shí)驗(yàn)室 [13] 科研設(shè)備智能開(kāi)

關(guān)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(hù)的難度，增強(qiáng)了通信的靈活性，而且用于監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的廉價(jià)性使得對(duì)每臺(tái)用電設(shè)備的用電量進(jìn)行智能監(jiān)控 [14-15] 成為可能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性使新的節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)，且無(wú)效節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)刪除而不會(huì)對(duì)原有通信系統(tǒng)造成影響。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控電路

圖 2 所示為 STM32 開(kāi)發(fā)板與相關(guān)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(hào)，并將信號(hào)與片內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，從而下發(fā)命令回調(diào)給協(xié)調(diào)器，進(jìn)而控制繼電器的開(kāi)合。

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

采用阻容復(fù)位電路，晶振電路采用典型的無(wú)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(shè)計(jì)

管截止，相當(dāng)于斷開(kāi)狀態(tài)，線圈中無(wú)電流或電流不足以吸合繼電器開(kāi)關(guān)。在線圈回路中加一個(gè)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(shè)計(jì)

圖 3 繼電器開(kāi)關(guān)電路

圖 2 STM32 開(kāi)發(fā)板外接電路

端口 PA9 和 PA10 為串口 1 的收發(fā)引腳，實(shí)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(shí)現(xiàn)信息的可視化。STM32 芯片需要 2 個(gè)晶振，一個(gè)為25 MHz，另一個(gè)為 32.768 kHz，以此提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，并與時(shí)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(guò)CJA/117B 將 5 V 電壓轉(zhuǎn)換為

3.3 V，使芯片正常工作。

2.2 ZigBee 終端設(shè)備繼電器開(kāi)關(guān)電路

電源的開(kāi)合通過(guò)繼電器 [13] 實(shí)現(xiàn)，當(dāng)終端收到數(shù)據(jù)庫(kù)的

回調(diào)命令后，通過(guò)繼電器進(jìn)行電源管理。圖 3 所示為繼電器開(kāi)關(guān)電路，CC2530 通過(guò) P0_7 口輸出，選用 MOS 管控制開(kāi)關(guān)繼電器的關(guān)合。當(dāng)輸出口為高電平時(shí)，MOS 管導(dǎo)通，線圈中有電流導(dǎo)致繼電器吸合 ；當(dāng)輸出口為低電平時(shí)，MOS

圖 4 所示為系統(tǒng)主程序。當(dāng) STM32 串口收到信息后會(huì)將信息與片內(nèi)自寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)串口信息比對(duì)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(kāi)繼電器命令， 反之則發(fā)送關(guān)閉命令。

STM32 串口端的信息由 ZigBee 無(wú)線傳輸，首先聲明一個(gè)串口回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能 ：終端串口接收讀卡器上傳的數(shù)據(jù)信息，當(dāng)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(kù)協(xié)議的格式打包存儲(chǔ)，并運(yùn)用無(wú)線發(fā)送函數(shù)點(diǎn)播出去。

數(shù)據(jù)并非逐個(gè)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(shù)，4 B（韋根信息）；DRC，1 B（校驗(yàn)）；Cmdid，指令類型 ；DeviceID，2 B（APP 層設(shè)備地址）； Switch State，1 B（開(kāi)關(guān)狀態(tài)）。

在終端無(wú)線發(fā)送函數(shù)當(dāng)中，先將魔法樹(shù)中的信息賦給無(wú)線發(fā)送緩存區(qū)，將指令類型數(shù)據(jù)、設(shè)備地址、開(kāi)關(guān)狀態(tài)的相

應(yīng)消息賦給每一字節(jié)。本文約定的協(xié)議為 20 B，當(dāng)設(shè)備數(shù)量增多時(shí)以便留有一定裕度，當(dāng)其未達(dá)到 20 B 時(shí)，自動(dòng)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(wú)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(diǎn)收到無(wú)線數(shù)據(jù)，則首先按照心跳包協(xié)議拆分?jǐn)?shù)據(jù)包。具體拆分過(guò)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(kāi)開(kāi)關(guān)指令

Switch_state = 1; // 打開(kāi)開(kāi)關(guān)

else if(Endpoit_af_Rxbuff[5] == 4) // 關(guān)閉開(kāi)關(guān)指令

Switch_state = 0; // 關(guān)閉開(kāi)關(guān)

else if(Endpoit_af_Rxbuff[5] == 5) // 服務(wù)器查詢開(kāi)關(guān)狀態(tài)

SampleApp_Send_P2P_Message();

// 終端更改開(kāi)關(guān)狀態(tài)后上傳當(dāng)前的開(kāi)關(guān)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(jiàn)表 2 所列。

表 2 通信協(xié)議相關(guān)指令

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于 ZigBee 的實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)實(shí)物搭建效果如圖 5 所示。系統(tǒng)上電后，終端設(shè)備 LED 燈全亮，ZigBee 節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)，幾秒之后，LED1 熄滅，表示組網(wǎng)成功。終端設(shè)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(shí)間，二次刷卡之后顯示結(jié)束時(shí)間，如圖 6 所示。

圖 5 系統(tǒng)實(shí)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(wù)器端約定了通信協(xié)議后， 不同設(shè)備之間通過(guò)此協(xié)議來(lái)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。定義協(xié)議頭見(jiàn)表 1

結(jié) 語(yǔ)

圖 6 系統(tǒng)串口屏顯示

所列。 針對(duì)科研設(shè)備利用率低，管理困難等問(wèn)題所搭建的實(shí)驗(yàn)

室智能管理系統(tǒng)，充分利用 ZigBee 無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)信息可以有效收發(fā)。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電源管理系統(tǒng)能夠及時(shí)關(guān)斷電路節(jié)約能耗、提高設(shè)備利用率，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)切實(shí)可行，具有廣闊的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為錢(qián)楷。

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作者簡(jiǎn)介：余鵬程（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ膛c自動(dòng)控制。 錢(qián) 楷（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娮有畔?/span>、光纖傳感。