ZigBee的智能电源监控系统设计

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(中国科学技术大学工程科学学院，安徽 合肥 230027)

ZigBee的智能电源监控系统设计

熊钟虎，顾永刚，翟超

(中国科学技术大学工程科学学院，安徽 合肥 230027)

0 引言

为大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)光纤定位系统的64个电源设计一套实时监控系统[1]。为了实现对数据的处理，监控系统加入微机监控，可以通过微控制器的通信功能把电源的各状态上传给上位机，让上位机做出相应处理[2-3]。为避免硬件空间设计上的压力，数据传送采用无线ZigBee技术。系统具有易于移动，设计结构简单，方便系统升级等优点。

1 系统设计

1.1 系统要求与方案选择

LAMOST光纤定位装置由4 000多个光纤单元组成，每个单元上都有2个电机。这些单元由64个电源供电。因电源的工作异常会影响到整个定位系统的执行效率，所以对电源进行实时监控是有必要的。系统中电源数量较多，且不易移动、安装，可以为每个电源设计一个模块，实现对电源参数的采集和控制。通过无线局域网络，把这些模块的数据汇总到一个协调器，由协调器负责与上位机的数据通讯。

设计的系统框图如图1所示，终端设备实现电源参数的采集与电源的控制，并通过无线ZigBee网络与协调器通信，实现电源参数和上位机命令的传送。协调器作为中间传输媒介，通过串口与上位机通信，实现电源状态的反馈以及上位机命令的下达。PC对数据处理并作出相应处理。

图1 系统框图

1.2 硬件设计

硬件系统包括协调器和终端设备。终端设备实现对电源参数的采集、电源的控制以及与协调器之间的数据通信，其电路主要包含采样电路、控制电源电路和无线模块等。协调器通过串口实现与上位机传递数据，通过无线ZigBee网络与终端设备通信，其电路主要包含无线模块和串口电路等。

1.2.1 采样电路

采样电路对电源的电压和电流采集，把得到的数据传送给上位机处理。当电源参数超出警戒值时，由上位机发送切断电源命令，当上位机发送标定命令时，由采样电路采集电源参数并返回给上位机。

光纤定位系统正常工作情况下电源电流空载时在1.8A左右波动，满载在7～8A波动。如果直接把电源线串入电路板中，由于电流较大，在电路板上布置铜线较宽，长时间大电流工作可能会烧坏电路板，影响整个监控系统。霍尔传感器的非接触测量，可以把电源线穿过霍尔传感器的通孔，解决了电路板的安全隐患[4]。考虑到电源安全，选取的霍尔传感器最大电流为30A，额定电流为15A，额定输出为0.625V。可以直接把霍尔传感器接入单片机的A/D转换端口，为提高分辨率采用10位A/D转换器，得到的电流分辨率为0.08A。

因为单片机的A/D转换器的基准电压为3.3V，光纤定位系统正常工作时电源电压在15V左右，电压可以先经过分压电路，把电压调整到AD采样端口的采样范围，再接上电压跟随器，提高输入阻抗，保证电压的测量精度。测量用8位A/D转换器，电压分辨率为0.07 V，可满足电压的分辨率。

霍尔传感器和分压电阻的误差都会影响电流和电压的测量精度，因实际使用中对电压和电流精度没有太高要求，测量精度能满足系统要求。

1.2.2 控制电源电路

控制电源电路目的是保护光纤定位装置及其供电系统。当电源工作出现异常，由继电器控制关闭电源，避免后端设备与电源的工作异常，起到保护作用。电源线直接串到继电器2个接口，电流通过继电器内部，不会在电路板产生大电流。

电源控制电路如图2所示，单片机的PTA0端口作为控制信号控制电源的通断。因光耦PC817驱动能力有限，添加三极管S9013放大电流满足继电器的启动电流。当继电器U4关闭时，线圈电压瞬变产生大电流，二极管D2起到续流作用。为避免数字电路的高频信号干扰模拟电路，用0欧电阻R10隔离数字地与模拟地。

图2 电源控制电路

1.2.3 无线模块

无线模块实现终端设备与协调器之间的数据传送功能。无线模块采用freescale的MC13213单片机作为主芯片，该单片机是由一个8位单片机MC9S08GB60和无线收发器MC13192封装在一起，内部使用SPI通讯。其采用的无线ZigBee技术，其物理层的数据传输速度为250kb/s[5]，能满足协调器与终端设备之间通信速度的要求。

1.3 软件设计

ZigBee的网络结构有星型网络和mesh网络。星型网络相对mesh网络结构简单，易于搭建，且满足系统设计要求。系统的星型网络由一个协调器和64个终端设备组成。协调器与64个终端设备双向通信，终端设备之间不进行数据通信。

1.3.1 PAN协调器软件流程

图3 协调器软件流程

协调器作为上位机与终端设备的通讯桥梁，起到数据汇总与传达的功能，是通过串口接收和发送上位机数据，通过ZigBee网络与终端设备传递数据和命令。协调器的工作流程如图3所示，单片机上电后对PAN协调器初始化，包括无线模块和串口的设置。此时收发器处于接收状态，进行等待。当接收到PC的串口数据后，收发器被设置为发送状态，协调器发送PC传递的数据给终端设备。当发送完数据后设置收发器为接收状态，等待终端设备数据返回。当有数据返回时，触发无线中断，通过串口把返回的数据传给PC。

1.3.2 终端设备软件流程

图4 终端设备软件流程

终端设备的功能有电源参数的采集、电源的控制和与PAN协调器的数据传送，其具体实现包含AD采样、发送电源控制信号和写入Flash标定值等。终端设备的工作流程如图4所示，终端设备的单片机初始化后进入等待状态，当中断产生后，根据接收命令，协调器执行相应操作。由于传感器的精度与温差等原因，正式监控之前要对系统进行标定，可通过上位机把标定过后的值写入单片机的flash中，为以后采样提供修正。为了安全起见，可以由上位机直接下达命令关闭电源，也可以由终端设备自行关断，这取决于终端设备单片机flash中的值，可以预先设置。

1.3.3 上位机程序

上位机实现对整个电源系统的操作，包括设置串口、对下位机发送命令、保存数据、标定和警戒等功能。标定时上位机通过发送采样命令，把返回得到的采样数据与电流钳和万用表所测数据用最小二乘法进行处理，计算出的标定值发送给终端设备并存入flash，为以后采样提供修正。对电源的保护可以通过设置警戒值来实现，根据经验，警戒值的设置应略高于正常值。采用VC++设计的电源监控系统的软件界面[6]。

2 实验结果

为了验证设计的可行性，研究搭建一套简易系统，由1个协调器和2个终端设备组成。实验过程选取64个电源中的2个电源进行监控。设置电机工作流程为正转，停止，再反转，给2组电机供给不同脉冲，得到测量数据如图5所示。当电压值稳定在15V左右，空载电流为1.8A，满载电流为7～8A,且满载时，电压会略微下降,符合电源正常工作情况。

以往工作条件所得数据为正常状态电流8A左右，空载电流1.8A左右。对比实验结果，可以看出数据基本吻合。因所做实验并未出现电源参数异常，通过人为加载负载模拟电机的异常工作，当电流超过警戒值时，单片机发出关闭电源信号，继电器切断电源，实现预期目标。

图5 数据采集处理

3 结束语

系统是对多个电源实时监控，不改变光纤定位装置供电系统，采用无线ZigBee技术解决了系统空间布线困难的问题。电源监控功能很好地预防了电源的异常工作，有效地保护了整个系统。监控系统采样标定的方法，减小了传感器和环境等因素所造成测量误差。数据的保存有利于后续查看和处理。系统验证了对2个电源的实时监控，主要功能基本实现，将在此基础搭建64个电源的完整监控系统。

[1] 刘志刚,江晖,谢志林.LAMOST光纤定位装置参数设置[J].光学技术，2010(3)：239-243.

[2] 徐璜.基于MSP430F149单片机的电源监控系统的研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[3] 黄国兵,杨国军.无人值守开关电源监控系统的设计[J].电气技术与自动化，2006(3)：110-113.

[4] 郭军,刘和平,刘平.基于大电流检测的霍尔传感器应用[J].应用技术，2011(5)：142-145.

[5] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[6] 孙鑫.VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2007.

Design of Intelligent Power Monitoring System Based on ZigBee

XIONGZhonghu,GUYonggang,ZHAIChao

(School of Engineering Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)

针对大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)光纤定位系统的供电电源设计一套监控系统，系统包括终端设备、协调器和上位机。终端设备的功能有对电源运行的数据采集和电源的通断控制。协调器作为通讯桥梁，负责与上位机和终端设备的数据传送。上位机对采集的数据处理并发送相应命令。因协调器与终端设备采用无线ZigBee技术进行通讯，解决了硬件空间上的压力，此外系统还有结构简单，易于移动等优点。搭建的验证系统在实验上验证了该方案的可行性。

电源；ZigBee；监控

For power supply of optical fiber positioning device of Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopy Telescope (LAMOST) design a power monitoring system,which includes terminal equipment,coordinator and PC.The terminal achieve data collection and on-off power.Coordinator as a communications bridge for data transfer with the host computer and terminal equipment.PC process data acquisition and send commands.Due to coordination with terminal equipment to communicate using wireless zigbee technology to solve the pressure on the hardware space,in addition to the system there is a simple structure,easy to move and so on.Authentication system built on experiments to verify the feasibility of the program.

power,ZigBee;monitoring

2014-04-01

TL503.5

A

1001-2257(2014)08-0059-03

熊钟虎(1988-)，男，江西九江人，硕士研究生，研究方向为无线ZigBee技术;顾永刚(1983-)，男，江苏张家港人，工程师，研究方向为精密测量与虚拟机技术;翟超(1968-)，男，教授，研究方向为机电一体化设计、测控技术与几何测量新方法等。