基于ZigBee网络的电工实验台智能保护系统设计
发布时间：2020-01-18
摘要：为避免电工实验台过压、过流、短路与过载，提出基于ZigBee网络的电工实验台智能保护系统设计方案并制作了原理样机。主机通过ZigBee无线网络连接多个从机，实时检测、控制多个电工实验台的状态;从机通过ZigBee模块接收主机指令，对电工实验台运行状态进行监测、反馈及电路保护。LabVIEW作为上位机编程软件，MSP430单片机作为下位机主控制器。该系统具有可靠性高、稳定、响应迅速的优点。
关键词：电工实验台;智能保护技术;实验设备管理;ZigBee网络
一体化、多层次、全开放的实验室正成为高校实验室建设的重要方向[1]。开放性实验室能使教学中有限的设备资源得到最大限度的利用[2]，更好地培养学生自主学习、开拓创新以及合同协作的能力，有效提高实验教学质量。然而开放性实验室也会因为学生对仪器设备的操作不熟练引发实验室更多的安全问题[3]。而建设智能型实验室则是解决实验室安全问题的重要途径。
目前，智能化的保护装置已成为开放性实验室设备维护的一个重要内容。笔者依托广西大学电工实验室，对基于ZigBee网络的电工实验台智能保护系统进行了研究，提出了系统的设计实现方案并制作出了原理样机。
1系统设计方案
设计的基于ZigBee网络的电工实验台智能保护系统，上位机通过ZigBee无线网络联接多个下位机的C/S架构[4-9]，系统结构如图1所示。
上位机编程软件为LabVIEW，通过ZigBee模块与下位机进行通信。
下位机利用基于MODBUS协议[10]的电能采集模块以及预先设定的电压/电流阈值，对电工实验台运行状态进行实时监测，利用LCD显示屏、信号灯及蜂鸣器指示实验台运行状态，利用继电器阵列、断路器及复位按钮对电工实验台进行故障保护。当下位机收到上位机的实验台运行状态查询指令后，会将实验台运行状态反馈至上位机;收到上位机电源控制指令后会对实验台三相电源进行控制，及时开停设备;收到上位机电压/电流阈值更改指令后会对预先设定的电压/电流阈值进行更改，以适应不同实验台对电压、电流的限定。
上位机负责实验台运行状态查询指令、电源控制指令、电压电流阈值更改指令等指令的发出，同时对下位机反馈的实验台运行状态进行数据存储，并根据保存的历史数据进行计算，得出各个实验台的故障率，以便实验室管理员对故障率较高的实验台予以重点关注。
目前，ZigBee网络在智能电网、智能交通、智能家居、工业自动化等领域已得到广泛的应用，主要有TREE、STAR和MESH等3种网络拓扑结构[11-12]。TREE拓扑与STAR拓扑适合距离较近的应用;而MESH拓扑则适用于网络复杂、距离较远的应用，可通过多级跳的方式进行通信信道组建，并且具有自组织、自愈等功能[13]。
鉴于目前高校实验室规模大、组成复杂的情况，本设计将采用MESH拓扑结构作为系统ZigBee网络架构，利用其自组织、自愈等功能使网络覆盖范围更广、信息传输更可靠。在系统的设计中，将上位机连接的ZigBee模块设置为Co-ordinator，将每个下位机中的ZigBee模块设置为Router并设置唯一的地址，以此形成的ZigBee网络MESH拓扑结构如图2所示。这样，上位机便可按照已设定的地址对多个下位机进行单独控制以及查询，并接收下位机返回的实验台运行状态信息。
2下位机设计
2.1硬件设计
下位机可对电工实验台运行状态进行监测、反馈及电路保护，是系统的执行终端。每一台下位机都具有相同的硬件结构形式以及软件设计程序。下位机硬件结构主要由MSP430单片机、ZigBee模块、电能采集模块、继电器阵列、断路器、LCD显示屏、信号灯及复位按钮组成，如图3所示。
MSP430单片机作为下位机的控制核心，具有超低功耗、处理信号能力强大、系统工作稳定、开发环境方便高效等优点。
ZigBee模块的主控芯片为CC2530F256，采用ZigBee2007/PRO协议栈[14]，有协调器与路由器两种节点类型，在上位机中作为协调器采用USB方形接口与PC连接，在下位机中作为路由器采用RS232串口方式与单片机连接，通信波特率均设为9600bit/s。对每个下位机中的ZigBee模块设置唯一短地址便可使下位机具有唯一的网络通信地址。
电能采集模块采用MODBUS协议，通过RS485总线与单片机进行通信。
继电器阵列及断路器用于对电工实验台进行故障保护，为避免继电器控制回路对单片机产生干扰，利用光电耦合器将单片机I/O口与继电器控制回路进行隔离，利用功率三极管驱动继电器动作。
LCD显示屏采用LCD12864B点阵型液晶显示模块，利用MSP430单片机驱动，用于显示实验台运行状态。
信号灯用于指示实验台运行状态是否正常，绿灯亮表示正常工作，黄灯亮表示危险警示，红灯亮表示发生故障。红灯亮时系统启动自动保护及声音报警。
复位按钮用于使继电器复位。当实验台发生故障引起继电器动作后，应及时查看故障信息并对实验台进行故障修复，修复完成后按下复位按钮即可继续进行实验。
下位机电路原理如图4所示。.
2.2软件设计
下位机接收到的上位机控制指令包括地址码、功能码、数据段及CRC校验码[15]。
地址码为2字节，从0X000X01至0XFF0XFF。
功能码为1字节，0X01为状态查询，0X02为电源控制，0X03为电压电流阈值更改。
数据段为不定长字节。当功能码为0X01时，数据段默认为0X00;当功能码为0X02时，数据段为1字节，0XFF表示关闭三相电源，0XFE表示开启三相电源;当功能码为0X03时，数据段为4字节，前两字节为电压阈值，后两字节为电流阈值。
CRC校验码即循环冗余校验码(cyclicredundan-cycheck)，长度为2字节，用于对传送指令进行校验。
当下位机收到实验台运行状态查询指令后，会将实验台状态数据进行打包，并将地址码、功能码、数据包及CRC校验码形成一帧指令返回至上位机，上位机对指令中的实验台状态数据进行解析、显示及存储。当下位机收到上位机电源控制指令后，会对实验台三相电源进行控制，及时开/停设备。当下位机收到上位机电压/电流阈值更改指令后，会对预先设定的电压/电流阈值进行更改，以适应不同实验台对电压电流的限定。下位机中默认设定的电压/电流阈值为250V/5A。
下位机程序设计包括主程序、RS485串口中断收发子程序、电能数据采集判断子程序、ZigBee数据接收与发送子程序、继电器控制子程序、LCD显示屏驱动子程序、信号灯及复位按钮控制子程序等。主程序对各个子程序进行功能调用，以实现电能数据采集判断、接收与返回指令、继电器控制、实验台三相电源控制、LCD显示屏显示实验台运行状态、信号灯及复位按钮控制等功能。程序设计流程如图5所示。
3上位机设计上位
机程序用于人机交互界面的搭建，采用图形化编程语言LabVIEW编写[16]。上位机向下位机发送实验台运行状态查询指令、电源控制指令、电压电流阈值更改指令等，实现对各实验台运行状态进行监控、对各实验台三相电源进行控制、对各实验台电压电流阈值进行更改等功能。另外上位机可对下位机反馈的实验台运行状态进行数据存储，根据保存的历史数据进行计算并获得各个实验台的故障率。上位机软件设计流程见图6。
4系统运行测试
在完成上述上位机和下位机设计后，需要对系统进行联合调试以及性能测试。测试系统包括一个上位机、下位机A、下位机B以及用2套三相调压器供电的三相照明系统，模拟A电工实验台与B电工实验台。
首先需要对下位机的网络通信地址进行设置，将下位机A的地址设为0X000X01，将下位机B的地址设为0X000X02。上位机控制指令中的地址需要与此一致。对系统进行测试时，调节调压器输出均为220V，从上位机软件界面、下位机运行状态及三相用电照明系统可以看到系统运行正常(见图7)。
进一步对系统进行故障模拟测试。将实验台A的调压器输出增加到238V(即设定电压阈值的95%)，可观察到系统黄灯预警亮起。继续增大调压器输出至251V后，可观察到三相用电照明系统电源立即被切断，同时下位机A中的红灯亮起，并发出声音报警，LCD液晶显示屏显示故障为实验台过压运行，上位机同时弹出警告对话框提示实验台A发生故障。未做任何运行条件更改的实验台B则正常运行。测试结果表明系统对实验台A进行了故障保护。
最后对系统进行电源控制测试。在上位机对下位机B发出电源关闭指令后，可以观察到三相用电照明系统电源被切断，但是并无故障报警，LCD液晶显示屏显示实验台已断电，这表明实验台B已执行电源关闭指令。
以上系统测试结果表明，系统各模块工作正常，可实现电工实验台运行状态实时监测、故障保护、故障快速定位等功能。经过测试，整个系统抗干扰能力强，可靠性高，故障保护迅速，各项功能均达到了预期设计目的。
5结语
基于ZigBee网络的电工实验台智能保护系统利用上/下位机对实验台运行状态进行监测，可实现故障保护、故障快速定位、故障率分析计算等功能，在故障查找及修复上节省了大量的人力物力，具有安装便捷、工作可靠、反应迅速等优点。测试运行结果表明，系统各项功能均达到了设计要求，目前已经初步应用于广西大学电工实验室。
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