郭來軍，馮英偉

(1.中共本溪縣委黨校，遼寧本溪117100；2.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000)

當(dāng)今社會，各種電氣和電子設(shè)備發(fā)展迅速，已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)和民用生活中扮演著不可或缺的角色。電源作為電子設(shè)備的核心，承擔(dān)著為電子設(shè)備提供動力的作用，其可靠性直接關(guān)系著電子設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著電子設(shè)備的迅速發(fā)展，其功能作用也在不斷地豐富，與此同時，其電路結(jié)構(gòu)也變得相對復(fù)雜，對提供源動力的電源要求更高，因此，電源的供電質(zhì)量和可靠性需要得到提升和保證[1]。為了保證電源和電子設(shè)備的正常運(yùn)行，對電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控必不可少。

傳統(tǒng)的電源監(jiān)控系統(tǒng)，大多采用在電源電路設(shè)計中加入傳感器的方法來實(shí)現(xiàn)，這種方法最大的缺點(diǎn)在于：整個系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)和診斷準(zhǔn)確率完全取決于傳感器的靈敏度，而且電路設(shè)計較為復(fù)雜。先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐步被應(yīng)用到電源監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)傳感，提升監(jiān)控系統(tǒng)的性能。本文基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，建立了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)，作為數(shù)據(jù)信息采集終端，設(shè)計一套完整的電源監(jiān)控系統(tǒng)，可以簡化電路設(shè)計、提高實(shí)時響應(yīng)以及預(yù)防故障的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

從功能上講，電源監(jiān)控系統(tǒng)主要由三大部分組成：上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)采集。基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的電源監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集/處理作為整體系統(tǒng)的前置單元，由測量電路和中央處理系統(tǒng)組成，完成對電源工作狀態(tài)信號的采集、數(shù)據(jù)的分析和處理等功能。對電源工作狀態(tài)的集中監(jiān)控是由上位機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)，主要負(fù)責(zé)與各個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，進(jìn)而獲取各個終端節(jié)點(diǎn)所傳遞的電源工作狀態(tài)信息，利用相應(yīng)的界面顯示觀察數(shù)據(jù)信息，當(dāng)超出規(guī)定的閾值時發(fā)出預(yù)警等，進(jìn)而對各終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時控制，及時避免事故發(fā)生。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)原理圖

目前，上位機(jī)系統(tǒng)廣泛采用RS-232和RS-485兩種標(biāo)準(zhǔn)串行通信總線。相比之下，前者具有成本低、實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但只適用于點(diǎn)對點(diǎn)之間的通信，且抗干擾能力差；后者除了具有成本低、電路設(shè)計簡單等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的長距離通信[2]。本系統(tǒng)中上位機(jī)與各個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間選用RS-485進(jìn)行通信，能夠?yàn)殡娫幢O(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)最早由J.Pearl于1988年提出，是一種基于概率分析的不確定表達(dá)，主要用于解決人工智能的不確定性[3]，即從所發(fā)生的現(xiàn)象出發(fā)，基于概率分析理論反推導(dǎo)致現(xiàn)象發(fā)生的各原因可能發(fā)生的概率大小，將因果關(guān)系轉(zhuǎn)換為概率關(guān)系，形成有向無環(huán)圖，圖中的各節(jié)點(diǎn)代表各變量，有向線段代表各變量之間的關(guān)系，而關(guān)系強(qiáng)度由變量節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)之間的條件概率大小來表征。

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)定理，進(jìn)行概率推理，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：P(A)和P(B)分別為事件A、B的先驗(yàn)概率；P(A|B)為B事件發(fā)生后A事件發(fā)生的概率；P(B|A)為A事件發(fā)生后B事件發(fā)生的概率。

為了便于討論分析，通常可以將系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)、組件、部件、元件等層次。結(jié)合邏輯分析和基于概率分析，可以分析獲得電源監(jiān)控系統(tǒng)中的各個部件、組件與系統(tǒng)之間的因果關(guān)系和概率關(guān)系，進(jìn)而建立電源監(jiān)控系統(tǒng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。

圖2中，電源設(shè)備、整流器和減速時間變小是會導(dǎo)致電源設(shè)備發(fā)生故障的3個原因，欠電壓和過電壓可以作為中間節(jié)點(diǎn)，能夠被工作人員直觀地觀測到。形成的有向無環(huán)圖代表了它們之間的因果關(guān)系，而因果關(guān)系的強(qiáng)弱則由節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)之間的條件概率所表示，如表1所示。

圖2 引起電源故障發(fā)生原因的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

表1 弓起電源故障發(fā)生原醫(yī)的概率關(guān)系

3 電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

硬件電路作為電源監(jiān)控功能的基礎(chǔ)，設(shè)計結(jié)果將直接關(guān)系電源監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)，甚至決定電源監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。從電源監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求出發(fā)，硬件電路主要應(yīng)具備以下幾個方面的功能。

(1)中央處理器：需要對電源狀態(tài)采集信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并完成對數(shù)據(jù)的處理/分析，最后進(jìn)行顯示界面的設(shè)計，使工作人員可以直觀地觀察數(shù)據(jù)結(jié)果。此外，還應(yīng)完成與上位機(jī)系統(tǒng)之間的通信，將電源信息有效地傳遞到監(jiān)控系統(tǒng)，保證能夠及時地做出故障預(yù)警和防范。本文采用STM32F103VCT6作為中央處理器。

(2)信號采集：由于不同種類的電源設(shè)備所對應(yīng)的被監(jiān)控信息并不完全相同，為了保證通用性，要求能夠?qū)?直流電壓信號和交/直流電流信號均進(jìn)行檢測。

(3)網(wǎng)絡(luò)通信：主要負(fù)責(zé)將中央處理器發(fā)出的信號有效地傳遞到監(jiān)控終端，并要求具有多點(diǎn)間的通信功能。

3.1 信號采集

交流信號采集部分包括交流電壓采集和交流電流采集以及頻率檢測三部分。電壓信號可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接進(jìn)行采樣，采集電路如圖3(a)所示。對于電流信號的采集，一般需要轉(zhuǎn)換為電壓信號后進(jìn)行采樣，最常用的是電流互感器，其工作原理如圖3(b)所示。對于交流信號還需要對其頻率進(jìn)行檢測，硬件測量電路的原理如圖3(c)所示。

圖3 交流信號采集

直流信號采集需要分別設(shè)計電壓和電流的采樣電路。利用運(yùn)算放大器組成的差分放大電路可以實(shí)現(xiàn)對直流電壓信號的采集，其原理如圖4(a)所示。然而，對直流電流信號最簡單有效的采集方法是結(jié)合電阻與運(yùn)算，其原理如圖4(b)所示。

圖4 直流信號采集

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信

STM32F103VCT6一般包含5個接口，而RS-485的作用是將中央處理器發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換為差分信號，才能夠在總線上進(jìn)行信號傳遞，同時也需要將總線網(wǎng)絡(luò)中的信號轉(zhuǎn)換為中央處理器所能接受的信號，才能實(shí)現(xiàn)信號之間的網(wǎng)絡(luò)通信。本文選用SN75176作為網(wǎng)絡(luò)通信芯片，內(nèi)部包含差分信號驅(qū)動器和接收器，主要應(yīng)用于多節(jié)點(diǎn)總線通信，其原理如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信模塊的電路設(shè)計

4 總結(jié)

本文基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)，進(jìn)行了電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，首先，從功能上將電源監(jiān)控系統(tǒng)分為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)采集三大部分，對每一部分的功能做了詳細(xì)的分析；其次，基于貝葉斯定理，推理分析了可能引起電源故障的各原因發(fā)生的概率大小以及之間的因果關(guān)系和概率關(guān)系，對各種可能引起電源故障的原因建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；最后，對上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)采集三大部分進(jìn)行了硬件電路設(shè)計。完成了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的電源監(jiān)控系統(tǒng)的完整設(shè)計，該系統(tǒng)可以簡化電路設(shè)計、提高實(shí)時響應(yīng)和預(yù)防故障的準(zhǔn)確性。

[1]王京順.分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[2]龔義建.串行通訊接口RS-232/RS-485的應(yīng)用與轉(zhuǎn)換[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2003，31(5)：58-61.

[3]史忠植.知識發(fā)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.