基于ZigBee的實驗室電源管理系統

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）

0 引 言

對于科研設備的管理往往存在電源無關斷或對設備的使用信息無記錄的情況，如何高效發揮現有設備的利用率，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，并逆向上報監控中心。監控中心可根據上報數據判斷電源的工作情況進行狀態控制[5]。尹小曼等對室內環境嵌入式監測器進行設計，完成Linux操作系統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境的動態監測[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，管理不及時等現象，可以從控制器的效率方面著手進行優化，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，以提高能源的利用效率和設備的智能化管理水平，各節點之間采用自組網技術，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。

1 實驗室電源管理系統總體方案

本項目通過采用無線傳感器網絡技術設計實驗室科研設備用電智能監控網絡。與匯聚節點、網關節點以及上位機管理軟件構建實驗室設備用電智能管理系統，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通過串口發送給ZigBee的終端。終端將利用ZigBee無線發送的優勢，將ID卡的信息發送給ZigBee協調器節點[8-11]，之后協調器將信息發送給STM32，在STM32中編寫一個小型數據庫[12]，若數據庫中有此卡的信息，便會下發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，而且用于監測的無線傳感器網絡節點的廉價性使得對每臺用電設備的用電量進行智能監控[14-15]成為可能。無線傳感器網絡的自組織特性使新的節點可以隨時加入網絡，且無效節點可以隨時刪除而不會對原有通信系統造成影響。

2 系統的硬件設計

2.1 系統主控電路

圖2所示為STM32開發板與相關外圍模塊的接口電路，具有如下功能。

（1）從串口接收協調器發送的信號，并將信號與片內的數據庫對比，從而下發命令回調給協調器，進而控制繼電器的開合。

（2）利用串口將收集的信息顯示到串口屏上，實現信息的可視化。STM32F429IG網關外圍電路主要包括晶振電路、復位電路與協調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 系統總體方案設計

圖2 STM32開發板外接電路

端口PA9和PA10為串口1的收發引腳，實現其與協調器的信息傳送，PB10與PB11是STM32與串口屏的連接引腳，實現信息的可視化。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，當終端收到數據庫的回調命令后，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管截止，相當于斷開狀態，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。

圖3 繼電器開關電路

3 系統軟件設計

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

STM32串口端的信息由ZigBee無線傳輸，首先聲明一個串口回調函數，實現相關功能：終端串口接收讀卡器上傳的數據信息，當串口收到數據之后存在串口緩存區，按照數據庫協議的格式打包存儲，并運用無線發送函數點播出去。

數據并非逐個發送或接收，而是將所得到的數據以約定的格式打包之后發送出去，我們將此數據包稱為心跳包。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）。

在終端無線發送函數當中，先將魔法樹中的信息賦給無線發送緩存區，將指令類型數據、設備地址、開關狀態的相應消息賦給每一字節。本文約定的協議為20 B，當設備數量增多時以便留有一定裕度，當其未達到20 B時，自動填充字節數據位0x20，完成數據的打包。打包之后調用ZigBee協議棧中的無線發送函數上傳協調器。

圖4 系統主程序

若終端子節點收到無線數據，則首先按照心跳包協議拆分數據包。具體拆分過程如下：

數據包格式即服務器端約定了通信協議后，不同設備之間通過此協議來完成數據的收發。定義協議頭見表1所列。

表1 通信協議頭

指令類型見表2所列。

表2 通信協議相關指令

4 實驗結果

基于ZigBee的實驗室電源管理系統實物搭建效果如圖5所示。系統上電后，終端設備LED燈全亮，ZigBee節點自動組網，幾秒之后，LED1熄滅，表示組網成功。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 系統實物搭載模型

圖6 系統串口屏顯示

5 結 語

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，充分利用ZigBee無線傳輸的優點，數據信息可以有效收發。測試結果表明，所設計的電源管理系統能夠及時關斷電路節約能耗、提高設備利用率，達到了預期的設計效果。本文設計的系統切實可行，具有廣闊的應用前景。