实验设备运行状况监测系统的设计与实现

摘要：针对高校设备利用率低的现象，提出了一种基于电流监测的实验设备运行状况监测系统实现方法。系统以STC12C5A60S2为电流监测模块控制器，结合Zigbee和485总线通信方式，将实验设备运行状况的信息进行集中管理，以较小的代价，大大简化了监督实验设备使用情况的工作流程，给管理人员提供了极大的便利。经过测试表明，该系统可以运行正常、稳定，可以适应断电等情况，完全满足设计需求，具有较高的推广应用价值。
关键词：实验室；设备管理；电流互感器；峰值检波

随着教育体制的改革，高等学校对教学设施经费投入的比重也越来越重。高等学校的仪器设备作为教学、科研和科技开发的一个最基本硬件条件，在一定程度上反映了学校教学质量、科研水平、管理水平，也从侧面反映出了学校的实力，实验室硬件装备已成为高校竞争力建设的新重点。随之而来的问题是，投入了大量教育经费购买的实验设备，却被长时间闲置，未能达到预期目的。
高等学校实验设备作为一种教育资源，理应发挥其应有的作用，如何提高设备利用率，成为倍受各级教育部门重视的一大问题。提高设备利用率需要多方面的共同努力，包括加强实验室技术管理队伍的建设、合理规划实验室结构形式、引入现代化管理理念、强化设备购置计划管理、建立科学的评价体系等方面，这些都是理论方面的探索，有必要从管理方面寻求一种可实际操作的方法。

1 系统总体设计
1．1 需求概述
实验室设备运行状况监测系统以上层管理者的角度出发，旨在监督设备使用情况。提高学校科研实力是学校购置设备的重要目的之一，学校鼓励教师、学生使用实验室设备，因此有了“开放式实验室”一词。由于担心设备的损坏、丢失等现象发生，通过加强培训管理，虽然可以大大降低这些现象的发生，但设备管理人员仍希望尽可能少使用设备，如此一来，就与购置设备的初衷有所出入。作为管理者，想了解设备使用情况，只能通过汇报工作时了解一些信息，不能如实反映事实。因此，有必要开发实验设备运行状况监测系统，通过事实数据来获知设备使用情况。现在几乎所有的实验设备都离不开电，因此，系统基于监测设备待机、运行、关闭时不同的电流值，而达到监测设备使用情况的目的。
1．2 系统设计
系统主要分为3部分，包括电流监测模块、中位机、上位机。电流监测模块通过电流互感器将大电流变换为可处理的小电流，然后经由控制器转换为数字量，再通过Zigbee模块将数据发送至中位机，理论上可以监测上万台用电设备；中位机起中转数据的作用，因为Zigbee传输距离有限，所以，在收到数据后，改由485有线方式将数据发往上位机。485总线可连接上百个负载，而且传输距离可达上千米。上位机建立各个设备的使用状况信息表，并制作报表。上位机通过485集线器可连接数十个实验室的中位机，监测每个实验室的上百台设备。如图1所示，为系统的总体框架图。

1．3 关键技术论证
1)电流监测 给每个实验设备的用电回路安装电流互感器，通过采集传感器感应电流大小，即可知道设备的使用情况。电流互感器是根据电磁感应原理制成的，由闭合铁芯和绕组组成，可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流。在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要变换为比较统一的电流，另外线路上的电压多都比较高，直接测量比较危险，电流互感器起到变流和电器隔离的作用。图2为电流互感器原理图。通过测量二次回路电流大小，可间接计算出一次回路电流大小，亦即设备用电电流。

2)数据传输 系统结合多种传输方式，按照预先制定的协议，共同完成设备电流数据到上位机管理系统的传递。包括电流监测模块通过Zigbee模块将数据发送到和中位机相连的Zigbee模块，中位机再通过485总线将数据发送到管理系统。
3)特殊情况处理 系统的3部分都需要用电，因此，若电流监测模块、中位机、管理系统之一未工作，则系统不能处理实时数据。为了避免数据遗漏，电流监测模块在设计时充分考虑此种情况，设计了时钟电路和存储器，当中位机或上位机未工作时，电流监测模块将带有时间标识的数据存储在EEPROM中，当中位机和上位机下次供电工作时，电流监测模块再将数据发送至上位机。电流监测模块供电依赖于设备供电电流，因此，正常情况下，设备工作时，电流监测模块也必然工作。