基于WSN的开放性实验室电源管理系统

摘要：为了提高开放性实验室电源的精细管理水平，给出了一套远程电源管理系统的设计方法。该方法通过监控中心预约实验，待审核排班后下发实验室现场控制单元壁挂式主机，实验者经主机刷卡验证身份后，由主机分配实验台并通过ZigBee无线网下发指令到实验台电源控制器并打开相应电源。该电源控制器能实时采集实验台电源的电压、电流参数，并逆向上报监控中心。监控中心可根据上报数据判断电源的工作情况，并进行状态控制。经运行测试，该系统可以实现实验室电源的无人值守、状态监测、远程控制等精细化管理。
关键词：开放性实验室；电源管理；ZigBee；远程控制

0 引言
开放性实验室管理是教育信息化的重要内容，是培养创新型人才的新途径。电源管理系统是开放实验室管理中过程控制的重要环节，基于智能卡和IP核电源控制技术的电源管理方案是目前流行的解决方案，在诸如万欣开放性实验室管理系统等系统中获得了广泛应用。但该类系统对电源使用过程中的参数缺乏监管，因此，对实验台中因用电造成的故障缺乏过程监控。针对开放实验室电源精细管理中出现的上述问题，本文提出了一种基于ZigBee、RFID、GSM及计算机软件技术等物联网核心技术的解决方案。

1 系统组成
本系统由远程监控中心和实验室现场控制单元两部分组成，图1所示是开放实验室电源管理系统的整个系统组成框图。其中远程监控中心主要由服务器、数据库、应用软件和支持TCP／IP和GSM的桌面主机组成。应用软件主要负责实验预约、排班、报表和数据维护；桌面主机可支持多种方式与实验室现场控制单元通讯，负责信息的传输，并通过开放的接口与开放实验室管理系统的其它子系统进行通讯。实验室现场控制单元由客户端壁挂式主机及照明、实验台、空调等三类受控对象的电源控制器组成。客户端壁挂式主机内置RFID刷卡模块、CC2430通讯模块、GSM通讯模块以及以太网通讯模块，并通过ZigBee无线传感器网络与电源控制器通讯，负责ZigBee无线网络的发起、路由维护以及数据的上传、指令的下发等。电源控制器内置CC2430通讯模块、传感器模块、信号采集模块、电源控制模块，可以负责指令接收、状态反馈和现场电源控制等功能。

2 系统主要模块的硬件设计
2．1 客户端壁挂式主机
客户端壁挂式主机由嵌入式主机、RFID读卡装置、ZigBee和GPRS通讯模块、LNK304电源系统构成。嵌入式主机采用OK2440-IV型开发板，通过USB接口连接RFID读卡装置，并通过两个串口连接ZigBee和GSM模块。支持GSM通讯是为了方便远程短信控制，以解决实验室运行过程中忘记关电后的远程关电。
2．2 照明灯电源控制
照明灯电源控制不需要刷卡授权，但需根据教室人员流动情况及监控中心控制指令来控制灯的亮、灭及参数的检测和上报。针对实验室照明用的荧光灯，本系统设计了专门的用户接口板和一个独立的可调电感镇流器，以实现无级亮度调节和开关控制。图2所示是照明灯电源控制器的电路结构。照明灯电源控制器主要由基础电源、电流电压检测电路、热释电红外传感器电路、CC2430控制及通讯模块组成。其中CC24 30内部包含多路模拟数字转换器，可以方便地实现电压、电流和光强检测。

常用的荧光灯亮度调节不能用一般的调压电路来实现，否则，随着灯管两端电压的降低，灯丝温度也会降低，荧光灯将无法启动。根据荧光灯的工作原理可知，电感镇流器实质是一个LC振荡电路，谐振时的总电阻R=L／rC(r为L的直流电阻)，R将随L成正比变化。因此，可以在电感镇流器内部电感L的一端串接由线圈和磁棒来组成可变电感L1，并由步进电机驱动螺杆使固定在线圈骨架上的螺母沿螺杆移动，从而使线圈沿磁棒移动来改变电感，以达到改变荧光灯亮度的目的。在图2中，51单片机调光模块用于控制步进电机的转角，以改变电感；此外，还可控制镇流器的通断，以实现开、关灯控制。
2．3 实验台及空调电源控制
实验台电源控制器是系统控制的末端，也是决定学生是否能进行实验的最后环节。控制器的结构如图3所示，由用户接口板和多路电源插座组成。用户接口板用于电压电流检测及无线通讯；多路电源插座是电源控制器的核心，由51单片机通过光耦隔离来控制继电器实现；DS1302时钟电路用于同步时间，也可用于付费用电情况。

空调电源控制器与实验台电源控制器电路类似，但因入口电压为380 V，故需采用3路继电器分别控制U、V、W三相的通、断，继电器应选用3．3 V／10 A大功率继电器。

3 系统软件设计
本系统的软件由远程监控中心软件和实验室现场控制单元软件两部分构成，其中监控中心应用软件采用B／S架构，监控中心与实验室现场控制单元之间则采用基于Sockts和GSM的C／S架构。
3．1 实验室现场控制单元软件设计
实验室现场控制单元的客户端壁挂式主机与电源控制器之间通过ZigBee无线网络来进行通信，因此，本单元的软件主要由无线网络程序、电源控制器中51单片机控制程序、客户端嵌入式程序三部分组成。
3．1．1 无线网络的组建
本系统的无线网络基于Z-Stack协议栈完成，采用星形网络拓扑结构。无线网络数据通信格式如表1所列。其中Shortaddr用于表征终端节点地址，由于无线网络终端节点地址是动态分配的，因此，如何实现该短地址与具体终端的绑定是必须解决的问题。本系统采用类似GSM手机向网络注册的方式，各终端节点的51单片机模块每隔180 s(实验测试，在一问有50个终端节点同时工作的教室，采用180 s的间隔注册与采用60 s间隔注册对比时，胁调器上消息的碰撞率能降低80％)向与之相连的CC2430发送预设的节点编号，然后通过无线网向协调器注册，由协调器执行动态短地址与具体终端节点的绑定。在表1所列的上行链路中，照明灯电源控制器不会上传Time，实验台电源控制器不会上传HW和GM，其相应位置均默认填充0。