實驗設備運行狀況監測系統的設計與實現

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驗設備運行狀況監測系統實現方法。系統以STC12C5A60S2為電流監測模塊控制器，結合Zigbee和485總線通信方式，將實驗設備運行狀況的信息進行集中管理，以較小的代價，大大簡化了監督實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。經過測試表明，該系統可以運行正常、穩定，可以適應斷電等情況，完全滿足設計需求，具有較高的推廣應用價值。
關鍵詞：實驗室；設備管理；電流互感器；峰值檢波

隨著教育體制的改革，高等學校對教學設施經費投入的比重也越來越重。高等學校的儀器設備作為教學、科研和科技開發的一個最基本硬件條件，在一定程度上反映了學校教學質量、科研水平、管理水平，也從側面反映出了學校的實力，實驗室硬件裝備已成為高校競爭力建設的新重點。隨之而來的問題是，投入了大量教育經費購買的實驗設備，卻被長時間閑置，未能達到預期目的。
高等學校實驗設備作為一種教育資源，理應發揮其應有的作用，如何提高設備利用率，成為倍受各級教育部門重視的一大問題。提高設備利用率需要多方面的共同努力，包括加強實驗室技術管理隊伍的建設、合理規劃實驗室結構形式、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際操作的方法。

1 系統總體設計
1．1 需求概述
實驗室設備運行狀況監測系統以上層管理者的角度出發，旨在監督設備使用情況。提高學校科研實力是學校購置設備的重要目的之一，學校鼓勵教師、學生使用實驗室設備，因此有了“開放式實驗室”一詞。由于擔心設備的損壞、丟失等現象發生，通過加強培訓管理，雖然可以大大降低這些現象的發生，但設備管理人員仍希望盡可能少使用設備，如此一來，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，只能通過匯報工作時了解一些信息，不能如實反映事實。因此，有必要開發實驗設備運行狀況監測系統，通過事實數據來獲知設備使用情況。現在幾乎所有的實驗設備都離不開電，因此，系統基于監測設備待機、運行、關閉時不同的電流值，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。電流監測模塊通過電流互感器將大電流變換為可處理的小電流，然后經由控制器轉換為數字量，再通過Zigbee模塊將數據發送至中位機，理論上可以監測上萬臺用電設備；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有線方式將數據發往上位機。485總線可連接上百個負載，而且傳輸距離可達上千米。上位機建立各個設備的使用狀況信息表，并制作報表。上位機通過485集線器可連接數十個實驗室的中位機，監測每個實驗室的上百臺設備。如圖1所示，為系統的總體框架圖。

1．3 關鍵技術論證
1)電流監測 給每個實驗設備的用電回路安裝電流互感器，通過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，為便于二次儀表測量需要變換為比較統一的電流，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Zigbee模塊將數據發送到和中位機相連的Zigbee模塊，中位機再通過485總線將數據發送到管理系統。
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，則系統不能處理實時數據。為了避免數據遺漏，電流監測模塊在設計時充分考慮此種情況，設計了時鐘電路和存儲器，當中位機或上位機未工作時，電流監測模塊將帶有時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，電流監測模塊再將數據發送至上位機。電流監測模塊供電依賴于設備供電電流，因此，正常情況下，設備工作時，電流監測模塊也必然工作。