基于贝叶斯网络的电源监控系统设计

郭来军，冯英伟

(1.中共本溪县委党校，辽宁本溪117100；2.河北建筑工程学院，河北张家口075000)

当今社会，各种电气和电子设备发展迅速，已经在国民经济和民用生活中扮演着不可或缺的角色。电源作为电子设备的核心，承担着为电子设备提供动力的作用，其可靠性直接关系着电子设备的正常运转。随着电子设备的迅速发展，其功能作用也在不断地丰富，与此同时，其电路结构也变得相对复杂，对提供源动力的电源要求更高，因此，电源的供电质量和可靠性需要得到提升和保证[1]。为了保证电源和电子设备的正常运行，对电源的运行状态进行实时监控必不可少。

传统的电源监控系统，大多采用在电源电路设计中加入传感器的方法来实现，这种方法最大的缺点在于：整个系统的实时响应和诊断准确率完全取决于传感器的灵敏度，而且电路设计较为复杂。先进的通信网络技术已经逐步被应用到电源监控系统中实现无线通信网络传感，提升监控系统的性能。本文基于贝叶斯网络理论为基础，建立了一种无线传感网络，作为数据信息采集终端，设计一套完整的电源监控系统，可以简化电路设计、提高实时响应以及预防故障的准确性。

1 系统的整体设计

从功能上讲，电源监控系统主要由三大部分组成：上位机监控系统，网络传输和数据采集。基于贝叶斯网络的电源监控系统的整体结构原理如图1所示。

数据采集/处理作为整体系统的前置单元，由测量电路和中央处理系统组成，完成对电源工作状态信号的采集、数据的分析和处理等功能。对电源工作状态的集中监控是由上位机系统承担，主要负责与各个协调器节点进行通信，进而获取各个终端节点所传递的电源工作状态信息，利用相应的界面显示观察数据信息，当超出规定的阈值时发出预警等，进而对各终端节点进行实时控制，及时避免事故发生。

图1 系统整体结构原理图

目前，上位机系统广泛采用RS-232和RS-485两种标准串行通信总线。相比之下，前者具有成本低、实现简单等优点，但只适用于点对点之间的通信，且抗干扰能力差；后者除了具有成本低、电路设计简单等优点，还可以实现多点间的长距离通信[2]。本系统中上位机与各个协调器节点之间选用RS-485进行通信，能够为电源监控系统提供可靠的通信传输网络。

2 贝叶斯网络模型的设计

贝叶斯网络最早由J.Pearl于1988年提出，是一种基于概率分析的不确定表达，主要用于解决人工智能的不确定性[3]，即从所发生的现象出发，基于概率分析理论反推导致现象发生的各原因可能发生的概率大小，将因果关系转换为概率关系，形成有向无环图，图中的各节点代表各变量，有向线段代表各变量之间的关系，而关系强度由变量节点与其父节点之间的条件概率大小来表征。

基于贝叶斯网络定理，进行概率推理，数学表达式如下：

式中：P(A)和P(B)分别为事件A、B的先验概率；P(A|B)为B事件发生后A事件发生的概率；P(B|A)为A事件发生后B事件发生的概率。

为了便于讨论分析，通常可以将系统划分为子系统、组件、部件、元件等层次。结合逻辑分析和基于概率分析，可以分析获得电源监控系统中的各个部件、组件与系统之间的因果关系和概率关系，进而建立电源监控系统的贝叶斯网络。

图2中，电源设备、整流器和减速时间变小是会导致电源设备发生故障的3个原因，欠电压和过电压可以作为中间节点，能够被工作人员直观地观测到。形成的有向无环图代表了它们之间的因果关系，而因果关系的强弱则由节点与父节点之间的条件概率所表示，如表1所示。

图2 引起电源故障发生原因的贝叶斯网络

表1 弓起电源故障发生原医的概率关系

3 电源监控系统的硬件电路设计

硬件电路作为电源监控功能的基础，设计结果将直接关系电源监控功能的实现，甚至决定电源监控系统的可靠性。从电源监控系统的功能要求出发，硬件电路主要应具备以下几个方面的功能。

(1)中央处理器：需要对电源状态采集信号进行A/D转换，并完成对数据的处理/分析，最后进行显示界面的设计，使工作人员可以直观地观察数据结果。此外，还应完成与上位机系统之间的通信，将电源信息有效地传递到监控系统，保证能够及时地做出故障预警和防范。本文采用STM32F103VCT6作为中央处理器。

(2)信号采集：由于不同种类的电源设备所对应的被监控信息并不完全相同，为了保证通用性，要求能够对交/直流电压信号和交/直流电流信号均进行检测。

(3)网络通信：主要负责将中央处理器发出的信号有效地传递到监控终端，并要求具有多点间的通信功能。

3.1 信号采集

交流信号采集部分包括交流电压采集和交流电流采集以及频率检测三部分。电压信号可以通过模数转换器直接进行采样，采集电路如图3(a)所示。对于电流信号的采集，一般需要转换为电压信号后进行采样，最常用的是电流互感器，其工作原理如图3(b)所示。对于交流信号还需要对其频率进行检测，硬件测量电路的原理如图3(c)所示。

图3 交流信号采集

直流信号采集需要分别设计电压和电流的采样电路。利用运算放大器组成的差分放大电路可以实现对直流电压信号的采集，其原理如图4(a)所示。然而，对直流电流信号最简单有效的采集方法是结合电阻与运算，其原理如图4(b)所示。

图4 直流信号采集

3.2 网络通信

STM32F103VCT6一般包含5个接口，而RS-485的作用是将中央处理器发出的信号转换为差分信号，才能够在总线上进行信号传递，同时也需要将总线网络中的信号转换为中央处理器所能接受的信号，才能实现信号之间的网络通信。本文选用SN75176作为网络通信芯片，内部包含差分信号驱动器和接收器，主要应用于多节点总线通信，其原理如图5所示。

图5 网络通信模块的电路设计

4 总结

本文基于贝叶斯网络无线网络传感技术，进行了电源监控系统的设计，首先，从功能上将电源监控系统分为上位机监控系统、网络传输和数据采集三大部分，对每一部分的功能做了详细的分析；其次，基于贝叶斯定理，推理分析了可能引起电源故障的各原因发生的概率大小以及之间的因果关系和概率关系，对各种可能引起电源故障的原因建立了贝叶斯网络；最后，对上位机监控系统、网络传输和数据采集三大部分进行了硬件电路设计。完成了基于贝叶斯网络的电源监控系统的完整设计，该系统可以简化电路设计、提高实时响应和预防故障的准确性。

[1]王京顺.分布式电源监控系统的设计与实现[D].天津：天津大学，2007.

[2]龚义建.串行通讯接口RS-232/RS-485的应用与转换[J].计算机与数字工程，2003，31(5)：58-61.

[3]史忠植.知识发现[M].北京：清华大学出版社，2002.