戴儼炯

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124）

0 引 言

近年來，隨著國家對高等教育的重視程度不斷加深，高校大型儀器設(shè)備的數(shù)量和質(zhì)量都得到顯著提升。大型儀器設(shè)備成為專業(yè)升級與數(shù)字化改造的重要支撐，是高校辦學(xué)水平和綜合實力的重要體現(xiàn)。與此同時，很多大型設(shè)備存在重復(fù)購置、使用率不高、維護(hù)成本高等問題[1]。2015年，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施和大型科研儀器向社會開放的意見》，旨在有效推動高校大型儀器設(shè)備的開放共享，優(yōu)化資源配置[2,3]。目前，共享設(shè)備具體實施過程中存在成本核算、使用授權(quán)與管理、使用監(jiān)控以及安全風(fēng)險防范等方面的問題，設(shè)備開放共享程度并不高。

針對大型共享設(shè)備監(jiān)管難、監(jiān)控管理成本高、共享安全風(fēng)險較大的問題，本文提出利用華為Ocean Connect物聯(lián)網(wǎng)平臺的接入無關(guān)、高可靠性、高安全性、彈性伸縮以及能力開放等特點設(shè)計一款智能電源線，實現(xiàn)對大型設(shè)備的使用進(jìn)行監(jiān)管、授權(quán)。通過數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘，合理調(diào)配資源并與其他共享平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實現(xiàn)資源利用最大化。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

現(xiàn)有電源控制器不夠智能、便捷，難以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且受環(huán)境等因素的影響，使用過程中需要人工實時操作。根據(jù)大型設(shè)備管理的特點，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程授權(quán)與控制、使用時間記錄、異常報警與斷電等功能，同時還能針對特定設(shè)備的具體參數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)對設(shè)備使用情況的深度監(jiān)控和分析。物聯(lián)網(wǎng)電源線系統(tǒng)框架如圖1所示。

微處理器通過處理物聯(lián)網(wǎng)模塊的命令與數(shù)據(jù)控制繼電器的開斷，數(shù)據(jù)由窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Thing，NB-IoT）通信模塊上傳至Ocean Connect平臺。電能檢測模塊主要采集供電數(shù)據(jù)，包括供電時長、電流以及功率等。

2 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32L433RBT6作為主控制芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的微處理器，具有超低功耗、高性能的特點。其自帶單精度浮點運算器，在80 MHz頻率下能達(dá)到100 DMIPS。與此同時，具備自適應(yīng)實時存儲器加速器，讓CPU調(diào)用存儲器更高效。芯片使用柔性電源控制技術(shù)，能夠?qū)倪M(jìn)行靈活管理，在保障性能的同時最大程度降低能耗。

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

智能電源線的電源電路由變壓器、整流橋、LM2596S以及ME1117A等核心元件組成，能夠提供系統(tǒng)需要的12 V、5 V、3.3 V直流電源。電源電路對220 V市電進(jìn)行降壓、整流、濾波以及穩(wěn)壓處理，最終輸出穩(wěn)定的直流12 V電源。直流12 V電源為系統(tǒng)電源開關(guān)控制的驅(qū)動電源，經(jīng)降壓得到的直流5 V電源、直流3.3 V電源為系統(tǒng)各類芯片的供電電源。智能電源線電源電路如圖2所示。

2.2 電源線控制電路設(shè)計

通過對電源線的接通與關(guān)斷，控制儀器設(shè)備的電源。電源線輸入至輸出中間接入繼電器和繼電器驅(qū)動電路進(jìn)行控制，當(dāng)用戶獲得設(shè)備使用授權(quán)時，繼電器K1、K2接通，電源線正常供電，用戶可以正常使用設(shè)備。電源線控制電路如圖3所示。

選用杭州中科微電子有限公司設(shè)計生產(chǎn)的AT8548作為驅(qū)動芯片，利用AT8548驅(qū)動2路繼電器，來控制電源線的市電輸出。AT8548具有4個控制端，其中IN2、IN4并聯(lián)后接地，IN1、IN3并聯(lián)后接處理器。當(dāng)IN1、IN3為低電平時，AT8548芯片無輸出，繼電器K1、K2不閉合；當(dāng)IN1、IN3為高電平時，AT8548的OUT1、OUT3有輸出，繼電器K1、K2閉合，L-OUT和N-OUT接通，智能電源線正常供電。

2.3 電源線電能測量電路設(shè)計

選用BL0937單相電能計量芯片，其具有寬量程、多功能等特點，適用于簡易單相輔助電能監(jiān)控場景[4]。BL0937芯片內(nèi)含2路高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analogueto-Digital Conversion，ADC），能夠提供參考電壓，并進(jìn)行電源管理。

此外，本系統(tǒng)選用0.001 Ω的錳銅合金電阻組成采樣電路。錳銅合金電阻具有低熱電勢、低電感系數(shù)的特點，可以很好地減少溫度變化和感性電路帶來的誤差，提高采樣精度。待測電流流過采樣電阻R5，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該信號從測量回路經(jīng)IN和IP管腳進(jìn)入芯片內(nèi)部高精度ADC。芯片多集電極倒相器注入端最大差分電壓為±200 mV，輸入端電壓的有效值為93.5 mV，電路設(shè)計滿足要求。

BL0937與STM32L433RBT6的連接電路非常簡單，CF、CF1、SEL直接接入到主控芯片的管腳，CF引腳作為有功功率高頻脈沖輸出端，輸出周期為38 μs的固定脈寬，輸出頻率與功率值成正比。CF1引腳為電流、電壓有效值輸出腳，通過STM32L433RBT6操作SEL引腳，可以實現(xiàn)電流和電壓有效值的交替測量，引腳輸出脈寬為固定值38 μs，輸出頻率與電流、電壓有效值成正比。BL0937還具有電源電壓監(jiān)測電路，能進(jìn)行掉電和過流檢測。電源線電能測量電路如圖4所示。

2.4 NB-IoT通信電路設(shè)計

NB-IoT技術(shù)具有低功耗、覆蓋廣、低成本等特點，本設(shè)計選擇BC35-G模組的NB-IoT無線通信模塊，支持B1、B3、B8等主流頻段，能最大限度地滿足終端設(shè)備的要求。BC35-G在設(shè)計上兼容全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）、通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）系列的M35模塊，方便客戶快速、靈活地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和升級。

2.5 系統(tǒng)顯示電路設(shè)計

考慮便攜性、功耗等因素，選用有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示屏模塊，具有能耗低、接口簡單等特點，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。該模塊采用集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C），地址可選。模塊內(nèi)有穩(wěn)壓芯片，可靠性較高，支持3.3～5 V供電，能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示和簡單的人機交互需求。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

終端設(shè)備軟件設(shè)計是實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能的重要環(huán)節(jié)，本設(shè)計使用LiteOS嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，主要任務(wù)包括感知層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上報、命令接收處理等。

BC35-G模組支持省電模式（Power Save Mode，PSM）、不連續(xù)接收（Discontinuous Reception，DRX）模式以及擴展不連續(xù)接收（extended Discontinuous Reception，eDRX）模式[5]。由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)實時性要求高、對功耗要求低，因此采用DRX模式，保障設(shè)備大部分時間處于在線狀態(tài)，實時接收云平臺下行數(shù)據(jù)。通信模組在整個系統(tǒng)中作為信息交互的橋梁，連接感知控制層終端設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

4 結(jié) 論

基于華為Ocean Connect平臺提出智能電源線設(shè)計方案，該方案可以實現(xiàn)大型設(shè)備的遠(yuǎn)程智能管理，讓普通設(shè)備接入Ocean Connect平臺，提高設(shè)備管理效能。投入實際使用后，可以利用感知層充分采集設(shè)備的各項數(shù)據(jù)，在Ocean Connect平臺層對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘，實現(xiàn)資源的合理調(diào)配，提高資源利用率。