實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對高校設(shè)備利用率低的現(xiàn)象，提出了一種基于電流監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)以STC12C5A60S2為電流監(jiān)測模塊控制器，結(jié)合Zigbee和485總線通信方式，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況的信息進(jìn)行集中管理，以較小的代價，大大簡化了監(jiān)督實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用情況的工作流程，給管理人員提供了極大的便利。經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)可以運(yùn)行正常、穩(wěn)定，可以適應(yīng)斷電等情況，完全滿足設(shè)計需求，具有較高的推廣應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室；設(shè)備管理；電流互感器；峰值檢波

隨著教育體制的改革，高等學(xué)校對教學(xué)設(shè)施經(jīng)費(fèi)投入的比重也越來越重。高等學(xué)校的儀器設(shè)備作為教學(xué)、科研和科技開發(fā)的一個最基本硬件條件，在一定程度上反映了學(xué)校教學(xué)質(zhì)量、科研水平、管理水平，也從側(cè)面反映出了學(xué)校的實(shí)力，實(shí)驗(yàn)室硬件裝備已成為高校競爭力建設(shè)的新重點(diǎn)。隨之而來的問題是，投入了大量教育經(jīng)費(fèi)購買的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，卻被長時間閑置，未能達(dá)到預(yù)期目的。
高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為一種教育資源，理應(yīng)發(fā)揮其應(yīng)有的作用，如何提高設(shè)備利用率，成為倍受各級教育部門重視的一大問題。提高設(shè)備利用率需要多方面的共同努力，包括加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)管理隊(duì)伍的建設(shè)、合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)形式、引入現(xiàn)代化管理理念、強(qiáng)化設(shè)備購置計劃管理、建立科學(xué)的評價體系等方面，這些都是理論方面的探索，有必要從管理方面尋求一種可實(shí)際操作的方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
1．1 需求概述
實(shí)驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測系統(tǒng)以上層管理者的角度出發(fā)，旨在監(jiān)督設(shè)備使用情況。提高學(xué)校科研實(shí)力是學(xué)校購置設(shè)備的重要目的之一，學(xué)校鼓勵教師、學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，因此有了“開放式實(shí)驗(yàn)室”一詞。由于擔(dān)心設(shè)備的損壞、丟失等現(xiàn)象發(fā)生，通過加強(qiáng)培訓(xùn)管理，雖然可以大大降低這些現(xiàn)象的發(fā)生，但設(shè)備管理人員仍希望盡可能少使用設(shè)備，如此一來，就與購置設(shè)備的初衷有所出入。作為管理者，想了解設(shè)備使用情況，只能通過匯報工作時了解一些信息，不能如實(shí)反映事實(shí)。因此，有必要開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測系統(tǒng)，通過事實(shí)數(shù)據(jù)來獲知設(shè)備使用情況?，F(xiàn)在幾乎所有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都離不開電，因此，系統(tǒng)基于監(jiān)測設(shè)備待機(jī)、運(yùn)行、關(guān)閉時不同的電流值，而達(dá)到監(jiān)測設(shè)備使用情況的目的。
1．2 系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)主要分為3部分，包括電流監(jiān)測模塊、中位機(jī)、上位機(jī)。電流監(jiān)測模塊通過電流互感器將大電流變換為可處理的小電流，然后經(jīng)由控制器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過Zigbee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至中位機(jī)，理論上可以監(jiān)測上萬臺用電設(shè)備；中位機(jī)起中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的作用，因?yàn)閆igbee傳輸距離有限，所以，在收到數(shù)據(jù)后，改由485有線方式將數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)。485總線可連接上百個負(fù)載，而且傳輸距離可達(dá)上千米。上位機(jī)建立各個設(shè)備的使用狀況信息表，并制作報表。上位機(jī)通過485集線器可連接數(shù)十個實(shí)驗(yàn)室的中位機(jī)，監(jiān)測每個實(shí)驗(yàn)室的上百臺設(shè)備。如圖1所示，為系統(tǒng)的總體框架圖。

1．3 關(guān)鍵技術(shù)論證
1)電流監(jiān)測 給每個實(shí)驗(yàn)設(shè)備的用電回路安裝電流互感器，通過采集傳感器感應(yīng)電流大小，即可知道設(shè)備的使用情況。電流互感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，由閉合鐵芯和繞組組成，可以把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流。在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要變換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓多都比較高，直接測量比較危險，電流互感器起到變流和電器隔離的作用。圖2為電流互感器原理圖。通過測量二次回路電流大小，可間接計算出一次回路電流大小，亦即設(shè)備用電電流。

2)數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng)結(jié)合多種傳輸方式，按照預(yù)先制定的協(xié)議，共同完成設(shè)備電流數(shù)據(jù)到上位機(jī)管理系統(tǒng)的傳遞。包括電流監(jiān)測模塊通過Zigbee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到和中位機(jī)相連的Zigbee模塊，中位機(jī)再通過485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理系統(tǒng)。
3)特殊情況處理 系統(tǒng)的3部分都需要用電，因此，若電流監(jiān)測模塊、中位機(jī)、管理系統(tǒng)之一未工作，則系統(tǒng)不能處理實(shí)時數(shù)據(jù)。為了避免數(shù)據(jù)遺漏，電流監(jiān)測模塊在設(shè)計時充分考慮此種情況，設(shè)計了時鐘電路和存儲器，當(dāng)中位機(jī)或上位機(jī)未工作時，電流監(jiān)測模塊將帶有時間標(biāo)識的數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中，當(dāng)中位機(jī)和上位機(jī)下次供電工作時，電流監(jiān)測模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。電流監(jiān)測模塊供電依賴于設(shè)備供電電流，因此，正常情況下，設(shè)備工作時，電流監(jiān)測模塊也必然工作。