實(shí)驗設備運行狀況監測系統的設計與實(shí)現

摘要：針對高校設備利用率低的現象，提出了一種基于電流監測的實(shí)驗設備運行狀況監測系統實(shí)現方法。系統以STC12C5A60S2為電流監測模塊控制器，結合Zigbee和485總線(xiàn)通信方式，將實(shí)驗設備運行狀況的信息進(jìn)行集中管理，以較小的代價(jià)，大大簡(jiǎn)化了監督實(shí)驗設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(guò)測試表明，該系統可以運行正常、穩定，可以適應斷電等情況，完全滿(mǎn)足設計需求，具有較高的推廣應用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：實(shí)驗室；設備管理；電流互感器；峰值檢波

隨著(zhù)教育體制的改革，高等學(xué)校對教學(xué)設施經(jīng)費投入的比重也越來(lái)越重。高等學(xué)校的儀器設備作為教學(xué)、科研和科技開(kāi)發(fā)的一個(gè)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，也從側面反映出了學(xué)校的實(shí)力，實(shí)驗室硬件裝備已成為高校競爭力建設的新重點(diǎn)。隨之而來(lái)的問(wèn)題是，投入了大量教育經(jīng)費購買(mǎi)的實(shí)驗設備，卻被長(cháng)時(shí)間閑置，未能達到預期目的。
高等學(xué)校實(shí)驗設備作為一種教育資源，理應發(fā)揮其應有的作用，如何提高設備利用率，成為倍受各級教育部門(mén)重視的一大問(wèn)題。提高設備利用率需要多方面的共同努力，包括加強實(shí)驗室技術(shù)管理隊伍的建設、合理規劃實(shí)驗室結構形式、引入現代化管理理念、強化設備購置計劃管理、建立科學(xué)的評價(jià)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 系統總體設計
1．1 需求概述
實(shí)驗室設備運行狀況監測系統以上層管理者的角度出發(fā)，旨在監督設備使用情況。提高學(xué)?？蒲袑?shí)力是學(xué)校購置設備的重要目的之一，學(xué)校鼓勵教師、學(xué)生使用實(shí)驗室設備，因此有了“開(kāi)放式實(shí)驗室”一詞。由于擔心設備的損壞、丟失等現象發(fā)生，通過(guò)加強培訓管理，雖然可以大大降低這些現象的發(fā)生，但設備管理人員仍希望盡可能少使用設備，如此一來(lái)，就與購置設備的初衷有所出入。作為管理者，想了解設備使用情況，只能通過(guò)匯報工作時(shí)了解一些信息，不能如實(shí)反映事實(shí)。因此，有必要開(kāi)發(fā)實(shí)驗設備運行狀況監測系統，通過(guò)事實(shí)數據來(lái)獲知設備使用情況?，F在幾乎所有的實(shí)驗設備都離不開(kāi)電，因此，系統基于監測設備待機、運行、關(guān)閉時(shí)不同的電流值，而達到監測設備使用情況的目的。
1．2 系統設計
系統主要分為3部分，包括電流監測模塊、中位機、上位機。電流監測模塊通過(guò)電流互感器將大電流變換為可處理的小電流，然后經(jīng)由控制器轉換為數字量，再通過(guò)Zigbee模塊將數據發(fā)送至中位機，理論上可以監測上萬(wàn)臺用電設備；中位機起中轉數據的作用，因為Zigbee傳輸距離有限，所以，在收到數據后，改由485有線(xiàn)方式將數據發(fā)往上位機。485總線(xiàn)可連接上百個(gè)負載，而且傳輸距離可達上千米。上位機建立各個(gè)設備的使用狀況信息表，并制作報表。上位機通過(guò)485集線(xiàn)器可連接數十個(gè)實(shí)驗室的中位機，監測每個(gè)實(shí)驗室的上百臺設備。如圖1所示，為系統的總體框架圖。

1．3 關(guān)鍵技術(shù)論證
1)電流監測 給每個(gè)實(shí)驗設備的用電回路安裝電流互感器，通過(guò)采集傳感器感應電流大小，即可知道設備的使用情況。電流互感器是根據電磁感應原理制成的，由閉合鐵芯和繞組組成，可以把數值較大的一次電流通過(guò)一定的變比轉換為數值較小的二次電流。在測量交變電流的大電流時(shí)，為便于二次儀表測量需要變換為比較統一的電流，另外線(xiàn)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(guò)測量二次回路電流大小，可間接計算出一次回路電流大小，亦即設備用電電流。

2)數據傳輸 系統結合多種傳輸方式，按照預先制定的協(xié)議，共同完成設備電流數據到上位機管理系統的傳遞。包括電流監測模塊通過(guò)Zigbee模塊將數據發(fā)送到和中位機相連的Zigbee模塊，中位機再通過(guò)485總線(xiàn)將數據發(fā)送到管理系統。
3)特殊情況處理 系統的3部分都需要用電，因此，若電流監測模塊、中位機、管理系統之一未工作，則系統不能處理實(shí)時(shí)數據。為了避免數據遺漏，電流監測模塊在設計時(shí)充分考慮此種情況，設計了時(shí)鐘電路和存儲器，當中位機或上位機未工作時(shí)，電流監測模塊將帶有時(shí)間標識的數據存儲在EEPROM中，當中位機和上位機下次供電工作時(shí)，電流監測模塊再將數據發(fā)送至上位機。電流監測模塊供電依賴(lài)于設備供電電流，因此，正常情況下，設備工作時(shí)，電流監測模塊也必然工作。