基于 ZigBee 的实验室电源管理系统

摘 要 ：针对科研设备管理难度较大的现象，为改善设备性能，提高利用率，设计了一套基于 ZigBee 的实验室电源管理系统，通过射频卡完成人员信息的采集，由数据库进行信息管理，继电器完成设备的开关控制。测试表明， 该系统能够准确完成设备的开关管理，且串口屏的设计也实现了实验室设备的可视化管理，相较于已有方案，其系统结构简单，成本低廉，能耗低，具有较好的应用前景。

引 言

对于科研设备的管理往往存在电源无关断或对设备的使用信息无记录的情况，如何高效发挥现有设备的利用率，提高能量效率，成为亟待解决的问题 [1-4]。因此，对科研设备实行智能化管理有着重要的研究意义。

基于 ZigBee 的电源管理技术在生活应用领域的研究正在不断深入。例如曾宝国等实时采集实验室电源的电压、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进行状态控制 [5]。尹小曼等对室内环境嵌入式监测器进行设计，完成 Linux 操作系统的移植和用户交互图形界面的功能测试，能够有效进行家居环境的动态监测 [6]。王海林等为解决学生上课与实验时间的矛盾、高校实验室存在设备利用率不高的情况，通过扩频技术对智能卡进行管理，能够及时关断实验室设备 [7]。综合上述研究来看， 对于科研设备的管理还存在智能化程度不高，管理不及时等现象，可以从控制器的效率方面着手进行优化，进一步提高利用率。

本文设计了一套基于 ZigBee 技术的科研设备用电智能管理系统，以提高能源的利用效率和设备的智能化管理水平， 各节点之间采用自组网技术，通过继电器控制开断，利用串口将收集到的信息显示到串口屏，由此完成人工智能管理。

实验室电源管理系统总体方案

本项目通过采用无线传感器网络技术设计实验室科研设备用电智能监控网络。与汇聚节点、网关节点以及上位机管

收稿日期：2020-08-25修回日期：2020-09-28

基金项目：国家自然科学基金（616650 02）；国家自然科学基金

（61483014）；湖北省“双一流”建设专项资金（2019）

理软件构建实验室设备用电智能管理系统，能有效提升实验室科研设备用电的智能化管理水平。

在信息采集端，选用 RFID 射频卡完成对人员信息的采集，当用户读入 ID 卡时，ID 卡上的信息便会由门禁系统通过串口发送给 ZigBee 的终端。终端将利用 ZigBee 无线发送的优势，将 ID 卡的信息发送给 ZigBee 协调器节点 [8-11]，之后协调器将信息发送给 STM32，在 STM32 中编写一个小型数据库 [12]，若数据库中有此卡的信息，便会下发打开继电器开关命令，闪存当前 ID 卡信息，并记录当前时间。当设备使用结束后，学生二次靠卡，STM32 返回关闭信息，断开继电器开关，同时记录结束时间。实验室 [13]科研设备智能开

关控制系统总体设计如图 1 所示。

我们选用 ZigBee通信，不仅减少了布线的成本投入， 又降低了维护的难度，增强了通信的灵活性，而且用于监测的无线传感器网络节点的廉价性使得对每台用电设备的用电量进行智能监控 [14-15]成为可能。无线传感器网络的自组织特性使新的节点可以随时加入网络，且无效节点可以随时删除而不会对原有通信系统造成影响。

系统的硬件设计

系统主控电路

图 2 所示为 STM32 开发板与相关外围模块的接口电路， 具有如下功能。

从串口接收协调器发送的信号，并将信号与片内的数据库对比，从而下发命令回调给协调器，进而控制继电器的开合。

利用串口将收集的信息显示到串口屏上，实现信息的可视化。STM32F429IG网关外围电路主要包括晶振电路、复位电路与协调器的接口电路以及电源供电电路。复位电路

采用阻容复位电路，晶振电路采用典型的无源晶振电路，其他接口则只需与外接模块电路相连接即可。

图 1 系统总体方案设计

管截止，相当于断开状态，线圈中无电流或电流不足以吸合继电器开关。在线圈回路中加一个二极管 D1，防止 MOS 管的集电极承受瞬间高压而损坏。

系统软件设计

图 3 继电器开关电路

图 2 STM32 开发板外接电路

端口 PA9 和 PA10 为串口 1 的收发引脚，实现其与协调器的信息传送，PB10 与 PB11 是 STM32 与串口屏的连接引脚，实现信息的可视化。STM32 芯片需要 2 个晶振，一个为25 MHz，另一个为 32.768 kHz，以此提供系统时钟信号，并与时钟保持一致。VDD 口外接电源电路，由于芯片工作电压为 3.3 V，因此电源电路通过CJA/117B 将 5 V 电压转换为

3.3 V，使芯片正常工作。

2.2 ZigBee 终端设备继电器开关电路

电源的开合通过继电器 [13]实现，当终端收到数据库的

回调命令后，通过继电器进行电源管理。图 3所示为继电器开关电路，CC2530 通过 P0_7 口输出，选用 MOS 管控制开关继电器的关合。当输出口为高电平时，MOS 管导通，线圈中有电流导致继电器吸合 ；当输出口为低电平时，MOS

图 4 所示为系统主程序。当 STM32 串口收到信息后会将信息与片内自写数据库进行比对，当串口信息比对成功后， STM32 一方面将信息送往串口屏显示，另一方面将继续判断刷卡次数是否为 1，若为第一次刷卡则发送开继电器命令， 反之则发送关闭命令。

STM32 串口端的信息由 ZigBee 无线传输，首先声明一个串口回调函数，实现相关功能 ：终端串口接收读卡器上传的数据信息，当串口收到数据之后存在串口缓存区，按照数据库协议的格式打包存储，并运用无线发送函数点播出去。

数据并非逐个发送或接收，而是将所得到的数据以约定的格式打包之后发送出去， 我们将此数据包称为心跳包。其格式为 ：魔法树，4 B（韦根信息）；DRC，1 B（校验）；Cmdid，指令类型 ；DeviceID，2 B（APP 层设备地址）； Switch State，1 B（开关状态）。

在终端无线发送函数当中，先将魔法树中的信息赋给无线发送缓存区，将指令类型数据、设备地址、开关状态的相

应消息赋给每一字节。本文约定的协议为 20 B，当设备数量增多时以便留有一定裕度，当其未达到 20 B 时，自动填充字节数据位 0x20，完成数据的打包。打包之后调用 ZigBee 协议栈中的无线发送函数上传协调器。

图 4 系统主程序

若终端子节点收到无线数据，则首先按照心跳包协议拆分数据包。具体拆分过程如下 ：

if(Endpoit_af_Rxbuff[0] == magicnum[0]&&Endpoit_af_Rxbuff[1]

== magicnum[1]&&Endpoit_af_Rxbuff[2] == magicnum[2]&&Endpoit_ af_Rxbuff[3] == magicnum[3])

// 判断数据头是否一致

{

if(Endpoit_af_Rxbuff[7]==Endpoit_app_addr[0]&& Endpoit_af_ Rxbuff[8]==Endpoit_app_addr[1])// 判断是否为本终端地址

{ if(Endpoit_af_Rxbuff[5] == 3)// 打开开关指令

Switch_state = 1;// 打开开关

else if(Endpoit_af_Rxbuff[5] == 4)//关闭开关指令

Switch_state = 0;// 关闭开关

else if(Endpoit_af_Rxbuff[5] == 5)// 服务器查询开关状态

SampleApp_Send_P2P_Message();

// 终端更改开关状态后上传当前的开关状态

HalUARTWrite(MY_DEFINE_UART_PORT, Endpoit_af_Rxbuff, pkt->cmd.DataLength);

表 1 通信协议头

字段名称	类 型	说 明
magicnum	unsigned int	魔法数
cmdid	unsigned char	指令类型
datasize	unsigned short	数据长度

指令类型见表 2 所列。

表 2 通信协议相关指令

数 字	含 义
0	未定义
1	开关状态上传（心跳）
2	刷卡信号上传
3	服务器下传打开开关指令
4	服务器下传关闭开关指令
5	服务器查询开关状态
6	服务器查询设备是否正常
7	预留

实验结果

基于 ZigBee 的实验室电源管理系统实物搭建效果如图 5 所示。系统上电后，终端设备 LED 灯全亮，ZigBee 节点自动组网，几秒之后，LED1 熄灭，表示组网成功。终端设备刷入 ID 卡信息之后，串口屏正确显示 ID 卡上信息并记录刷卡时间，二次刷卡之后显示结束时间，如图 6 所示。

图 5 系统实物搭载模型

// 串口输出接收到的数据

HalLedBlink(HAL_LED_1, 3, 50, 200);

// 终端收到协调器广播数据后 LED1闪烁 3 次

数据包格式即服务器端约定了通信协议后， 不同设备之间通过此协议来完成数据的收发。定义协议头见表 1

结 语

图 6 系统串口屏显示

所列。针对科研设备利用率低，管理困难等问题所搭建的实验

室智能管理系统，充分利用 ZigBee 无线传输的优点，数据信息可以有效收发。测试结果表明，所设计的电源管理系统能够及时关断电路节约能耗、提高设备利用率，达到了预期的设计效果。本文设计的系统切实可行，具有广阔的应用前景。

注：本文通讯作者为钱楷。

参 考 文 献

郭金铭，邹刚伟，胡斌杰，等 . 基于 ZigBee的无线传感器网络定位技术研究 [J].移动通信，2013，37（18）：74-79.

李辉，张晓光，高顶，等 . 基于 ZigBee的无线传感器网络在矿井安全监测中的应用 [J]. 仪表技术与传感器，2008，45（4）：33- 35.

季宝杰，邹彩虹，王永田 . 基于单片机的温室自动控制系统设计

[J].计算机测量与控制，2007，15（1）：73-75.

ROHOKALE V M，PRASAD N R，PRASAD R. A cooperative Internet of Things（IoT）for rural healthcare monitoring and control [C]//20112ndInternationalConferenceonWirelessCommunication， Vehicular Technology，Information Theory and Aerospace & Electronic Systems Technology.Chennai，India：[s.n.]，2011：1-6.

曾宝国，曾妍 . 基于 WSN的开放性实验室电源管理系统 [J].物

联网技术，2012，2（6）：56-58

尹小曼，马俊，陈博行，等 . 基于 ZigBee技术的智能家居环境监测系统设计与实现 [J]. 自动化与仪器仪表，2019，38（3）：96- 99.

王海林，管超，张蔚涛，等 . 基于智能卡和扩频技术的实验室电源管理系统 [J].实验技术与管理，1997，14（2）：40-44.

关学忠，刘鹏，唐磊，等 . 基于 ZigBee的智能家居系统的设计 [J].

自动化技术与应用，2011，30（11）：36-38.

周游，方滨，王普 . 基于 ZigBee技术的智能家居无线网络系统 [J].

电子技术应用，2005，31（9）：37-40.

高峰，俞立，张文安，等 . 基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计 [J].农业工程学报，2009，25（2）：107- 112.

张世杰 . 实验室开放管理关键技术研究与开发 [D].北京：北京邮电大学，2017.

杨龙，于滨红 . 固态继电器在 89C51单片机控制系统中的应用

[J].电测与仪表，1999，36（5）：52-53.

张敏，董学励 .ZigBee无线网络在开放实验室电源控制中的应用

[J].科学技术与工程，2012，12（8）：1920-1922.

贺登天，甘重斗，夏春水 . 基于单片机控制的智能开关的设计与实现 [J].甘肃科技，2007，23（6）：41-44.

张晓晨 . 消防设备电源控制系统分析 [J].中国科技信息，2018，30（2）：54-55.

作者简介：余鹏程（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为电气工程与自动控制。 钱 楷（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向为电子信息、光纤传感。

余鹏程，钱楷，周月乔，田相鹏

（湖北民族大学 信息工程学院，湖北 恩施 445000）