基于WSN的实验室用电管理系统设计

许 郡, 于 标

(扬州职业大学, 江苏 扬州 225009)

实验人员在实验室做完实验后,时有忘记关断总电源空气开关的现象发生,而总电源空气开关的负载端接有实验室的各类设备和仪器,这是一种不安全的现象。无线传感器网络(WSN)是近几十年来发展起来的一种网络,兼有通信、环境参数检测功能,组网灵活[1]。将无线传感器网络用于实验室安全用电管理,是一种尝试,目前不多见,国内外也有一些应用研究。借助WSN的数据传输与环境物理量检测的功能[2],设计了实验室用电管理系统,以消除可能的用电不安全隐患。

1 实验室WSN的构建

实验室用电管理功能是实验室安全管理的功能之一,实验室安全管理要求对实验室多个环境参数进行检测,并传送这些参数至上位机。使用可充电电池为传感器节点供电是可行的,系统在实验室工作人员的维护下可长期运行。每个实验室的用电管理系统作为一个局部无线传感器网络的主节点,定义为该测量区的簇头节点[3]。以实验室内的其它环境参数检测节点为子节点。以一个簇头节点和5个子节点形成了1对5的局部无线传感器网络,是一种星型拓扑结构[4]。簇内节点的通信规定为,簇头是其它节点的上位节点,其它5个子节点为下位节点,簇头节点完成本实验室内所有数据的上传与下传。

考虑数据的正确性与系统的性能要求确定如下数据帧定义:第一个字节为数据属性字节,第二个字节为主节点序号,即实验室编号0～31。第三个字节为主节点环境参数编号。第一个字节定义F1上行命令、F2下行命令。第二个字节定义0～31,表示有32个实验室。第三个字节定义0～6,依次表示教师工号、火警、空气质量、防盗、防淹水、温度、湿度。

从实际应用情况出发,该无线传感器网络预设的节点数共36个,数量不多,且传感器节点布置有序,用于一个学院的实验室安全检测管理,一般情况下数量已够用,也方便扩展。为减少程序的复杂性,提高组网的成功率与网络可靠性,不使用由0层节点控制下的自动组网方法组网,而采用PCB板跳线的方法,用拨码开关设置各个无线传感器节点的网络地址,各节点上电后自动读取本节点跳线数据后,换算成其通信信道地址,完成无线通信模块的配置。

2 实验室用电管理系统电路设计

采用实时多任务应用电路,考虑到实验时间计时与无线数据实时收发的双任务要求,同时执行这两个任务会产生冲突,所以选择双MU的基本架构[5]。

2.1 实验室主节点电路

主节点是实验室的簇头节点,也是对实验者根据实验室规定正确通断电进行管理的应用系统的一部分,主节点使用可将未能正确通断电的使用者工号记录下来,并发送至数据终端供查询。主节点选用STC89C54RD+单片机,图1为实验室安全检测管理主节点电路。

2.2 计时与地址设置电路

由于只完成计时脉冲发生与本机地址设置的功能,硬件要求不高,所以MCU选用AT89C2051单片机,其性能与功能已能满足要求。

AT89C2051的P1.2脚与主MCU单片机的P3.4脚为自定义的一线式信号传输线,在主节点上电后时,主MCU从AT89C2051获得地址数据。AT89C2051的P1.3～P1.7用作地址数据输入端,由拨码开关设置。

图1 实验室安全检测管理主节点电路

2.3 三相交流检测电路

本用电管理系统在判断出需要进行自动断电操作时,需要检测交流电源是否已切断,若未切断,则通过模拟漏电现象,利用空开自身的漏电保护功能自行跳闸,实现定时断电的保护功能。

2.3.1 三相交流电有无的检测

三相交流电有无的检测要求灵敏准确,功耗小,不破坏三相电路的平衡,安全和简便有效。有两种三相交流电有无的检测电路,均具有较好的性能。原理不同,但都保证了不破坏三相电路的平衡,灵敏准确,功耗小,安全可靠[6]。

图2中由D1～D6整流二极管组成三相全波整流电路,输出整流电压为2.34U2cosα,不控整流时,即α角为0,U2=514.8V,R1取用100kΩ,耐压600V的电阻。发光二极管的电流约5mA左右,此处可采用光耦,或光电开关。从光电接收三极管T的集电极输出信号,高电平表示三相交流电源已切断,反之则未切断。

图2 整流型三相电源检测电路

图3是交流负载型三相电源检测电路,由光耦D1～D6构成三相星型负载接法,一方面降低对负载电阻耐压的要求,一方面三相负载也是平衡的。

图3 交流负载型三相电源检测电路

Q9光电接收管输出信号sinagl,高电平表示三相交流电源未切断,反之则已切断。电阻R11～R13取值均为44kΩ,选用型号为HV1/4W,最高工作电压700V,最高过负荷电压900V,耐电压500V,玻璃釉高压电阻。光电收发对管选用PT5A850DC/IR5A940AC,发射功率强，受光角度匀均,批量一致性好,性能稳定,耐1000mA电流脉冲,抗光干扰强,有效过滤强光下环境光干扰,对射接收距离远,精确度高,能识别各类微细物体检测信号。

2.3.2 交流电漏电模拟电路

漏电模拟电路是为了人为制造漏电事故,利用三相电源空气开关自身的漏电保护跳闸功能实现自动断电的目的。方法简单有效,无需对原有供电设备做较大的改动就能实现程控断电功能。

图4是模拟交流电漏电电路,模拟单相对大地短路,由继电器控制漏电模拟电阻R10接地实现。按有效电流计算漏电流,模拟漏电电流30.137mA。一般空气开关的漏电动作电流达30mA,及15mA以上时就能跳闸断电。主节点电路上电时,CONL控制信号为低电平,继电器失电,漏电模拟电阻R10不接地。当需要断电时,CONL控制信号为高电平,继电器得电,漏电模拟电阻R10由K1常开接点接地,使三相电源进线控制开关跳闸断电。Q8选用小功率三极管9013,其额定工作电流可达500mA。

直流继电器选用JQ-3FF-S-H型,工作电压12VDC,负载10A,250VAC,线圈功率0.36W,额定电流30mA,常开型触点形式,电流型。本设计选用交流负载型三相电源检测电路。

图4 交流电漏电模拟电路

3 实验室用电管理系统程序设计

实验室用电管理系统对程序的功能有如下要求:实验教师工号建库、实验教师工号输入、实验时长控制、未及时断电判断与处理。程序设计硬件背景以实验室主节点为背景,以实用、功能有效为原则进行程序设计。图5是实验室用电管理系统主程序流程图。

4 用电管理系统软硬件调试

对软硬件相结合的嵌入式应用,在进行软件调试,硬件调试及软硬件联调时,常出现预期的功能调试不能通过,不能很快判断是软件问题,或是硬件问题,还是软硬件配合的问题,特别是多人合作时,更容易认为自己的工作是正确的,问题是别人的,这一现象的出现延误了项目的进程,需要一个正确的测试方法与流程。为保证本设计软硬件测试工作顺利有效,采取程序模块化设计,硬件统一设计,先设计好硬件,确定硬件正确有效后,定型硬件设计。

4.1 主节点的硬件调试

对于主节点电路,先观察电路板上元件焊接的质量是否良好,PCB板上印制导线是否正确,有无断线,短接。然后通电,用万用表测量电源电压是否正确。

4.2 用电管理程序调试

4.2.1 主MCU与从MCU配合的功能程序

对于主MCU芯片、LED数码管显示电路,K1～K3按键的硬件功能及基本的人机通信程序测试,可编写显示通用程序与按键应用程序进行软硬件联调。由于这一块的软硬件功能相对简单,调试较顺利。对从MCU与主MCU的通信调试,编一段测试程序,将接收到的主机地址显示在LED数码管上,通过示波器观察CTC0端的信号波形,可测试两机间的通信正确性。

4.2.2 ZLG500B模块应用程序

对射频卡读卡模块的测试,分三步进行,第一步是测试读卡程序是否与ZLG500B配合正常,卡号显示在LED数码管上,观察读卡功能是否正常。第二步是读卡功能正常可靠后,测试教工号输入与存储是否正常。第三步是测试密码设置与存储是否正常。

4.2.3 定时与时控程序功能

编制主机测试程序,从机发一个脉冲信号,主机计数并显示在LED数码管上,首先测试脉冲与计时程序的正确性。对继电器的控制功能的测试,设一预定计数值,计数到,控制直流继电器通电,验证这种时控电路的功能是否正确。

4.2.4 教师信息查核程序

教师信息的查核有RFID卡号的查核、教师工号的查核、密码的查核三种情况。分别用于新教师信息的入库,老教师信息的核对,刷卡与手动输入工号情况下的教师工号的查核。该程序设计的教师信息最多有60条信息,从EEPROM调入STC89C54RD+单片机的外RAM中,从0000H开始,共占用1020个RAM单元,存储结构为每个教师信息占17个单元,4B+7B+6B为卡号+工号+密码。当前教师信息存放在60H～70H单元内,一旦有输入操作,工号将保存在64H～6AH单元内。

调试方法为:程序设置教师信息库中已有的工号至64H～6AH单元内,调用教师信息查核子程序,观察LED显示的工号信息是否正确。这样可调试出教师信息查核子程序的逻辑正确性,可先查第一个工号,即0004H～000AH单元的工号,正确后,再查核其他任一个教师工号,验证其查询数据指针计算是否正确。

5 结论

基于星型层次结构的实验室安全用电管理系统是有效可行的,其通信技术成熟,检测电路可靠,网络结构可灵活扩展。能正确上下传输数据,报警数据能可靠上传至数据终端。该用电管理系统能满足一般高校实验室的使用,组网灵活,实用价值高。是提升实验室信息化与智能化管理的有效途径之一。