专利名称：一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实验室电源控制系统，尤其是涉及一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统。
背景技术：
目前的实验室电源管理方式一般有两种，一种是人工管理，其特点是管理人员定时定岗，实验室统一通、断电，这种方式大大增加了管理人员的工作量，而且也不节约能源；而另一种就是计算机房普遍采用一套专用的系统，这种系统大多是用“1C+密码”的方式来控制使用者是否能够使用计算机，而以硬件设计为主的实验室除了 PC机外还配置了大量专用仪器。现有的管理系统存在布线麻烦，成本高，易受损等问题，难以实现有效地电源控制与监控。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种节省布线、成本低、可靠性好的基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统，包括服务器、PC机、指纹模块、协调器、多个终端设备和多个实验台，一个终端设备对应一个实验台，所述的协调器包括USB模块和第一 ZigBee模块，所述的终端设备包括第二 ZigBee模块、电源监控模块和过流保护模块，所述的服务器与PC机连接，所述的指纹模块与PC机连接，所述的第一 ZigBee模块通过USB模块与PC机连接，所述的第一ZigBee模块与第二 ZigBee模块相互通讯,所述的第二 ZigBee模块通过所述的电源监控模块与实验台电源连接，所述的第二 ZigBee模块通过所述的过流保护模块与实验台电源连接。所述的第一 ZigBee模块包括型号为CC2430的第一芯片和外围电路,所述的USB模块包括型号为FT245BM的第二芯片和型号为93C46的第三芯片，5V电源与第三芯片的第八引脚连接，第三芯片的第四引脚通过第八电阻与5V电源连接，所述的第三芯片的第五引脚接地，第三芯片的第一引脚与第二芯片的第三十二引脚连接，第三芯片的第二引脚与第二芯片的第一引脚连接，第三芯片的第三引脚与第二芯片的第二引脚连接，
第二芯片的第二十五引脚与第一芯片的第十一引脚连接，第二芯片的第二十四引脚与第一芯片的第十二引脚连接，第二芯片的第二十三引脚与第一芯片的第十五引脚连接，第二芯片的第二十二引脚与第一芯片的第十六引脚连接，第二芯片的第二十一引脚与第一芯片的第十七引脚连接，第二芯片的第二十引脚与第一芯片的第十八引脚连接，第二芯片的第十九引脚与第一芯片的第六引脚连接，第二芯片的第十八引脚与第一芯片的第五引脚连接，第二芯片的第十六引脚与第一芯片的第四引脚连接，第二芯片的第十五引脚与第一芯片的第三引脚连接，第二芯片的第十四引脚与第一芯片的第二引脚连接，第二芯片的第十二引脚与第一芯片的第一引脚连接。
所述的第二 ZigBee模块包括型号为CC2430的第四芯片和外围电路，所述的电源监控模块包括第二三极管、第三三极管、继电器和型号为P521的光电耦合器，第四芯片的第九引脚通过第十二电阻与第二三极管的基极连接，第二三极管的发射极与VCC连接，所述的第二三极管的集电极通过第十三电阻与第三三极管的基极连接，第三三极管的发射极接地，第三三极管的集电极与继电器的线圈连接，继电器的开关静触点与实验台电源的零线连接，
第四芯片的第八引脚与光电耦合器的第四引脚连接，第五电容接在光电耦合器的第三引脚与第四引脚之间，第十五电阻的一端接在光电耦合器的第四引脚上，第十五电阻的另一端与VCC连接，光电耦合器的第一引脚通过第六电阻与实验台电源的火线连接，光电耦合器的第二引脚与继电器的开关动触点连接，光电耦合器的第一引脚与第二引脚之间连接 有第四发光二极管。所述的过流保护模块包括型号为LM358的运算放大器，第四芯片的第四十八引脚通过第七二极管与运算放大器的第一引脚连接，第七二极管的正极与运算放大器的第一引脚连接，第七二极管的负极与第四芯片的第四十八引脚连接，第七二极管的负极通过第七电容接地，第七二极管的负极通过第五电阻接地，第七二极管的负极与运算放大器的第二引脚连接，运算放大器的第八引脚接VCC，运算放大器的第四引脚接地，运算放大器的第三引脚与运算放大器的第七引脚连接，运算放大器的第五引脚与第六引脚之间接第八二极管，第八二极管的负极与运算放大器的第六引脚连接，第八二极管的正极与运算放大器的第五引脚连接，运算放大器的第五引脚与第六引脚之间接第九二极管，第九二极管的正极与运算放大器的第六引脚连接，第九二极管的负极与运算放大器的第五引脚连接，第九二极管的两极之间接电流互感器，电流互感器与实验台电源连接。与现有技术相比，本发明的优点在于是基于ZigBee通信技术，通过协调器建立一个网络，并将所有设备通过终端设备带入ZigBee网络，形成一个无线通信网，避免了设备之间有线传输的弊端，成本比较低，可靠性比较好。也克服了现有技术中通信速率慢、穿透能力弱等缺陷。
图I为本发明的结构框 图2为本发明的第一 ZigBee模块或第二 ZigBee模块的电路 图3为本发明的USB模块的电路 图4为本发明的电源监控模块的电路 图5为本发明的过流保护模块的电路图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统，包括服务器1、PC机2、指纹模块3、协调器、多个终端设备和多个实验台4，一个终端设备对应一个实验台4，协调器包括USB模块5和第一 ZigBee模块6，终端设备包括第二 ZigBee模块7、电源监控模块8和过流保护模块9，服务器I与PC机2连接，指纹模块3与PC机2连接，第一 ZigBee模块6通过USB模块5与PC机2连接，第一 ZigBee模块6与第二 ZigBee模块7相互通讯，第二 ZigBee模块7通过电源监控模块8与实验台4电源连接，第二 ZigBee模块7通过过流保护模块9与实验台4电源连接。第一 ZigBee模块6包括型号为CC2430的第一芯片Ul和外围电路，USB模块包括型号为FT245BM的第二芯片U2和型号为93C46的第三芯片U8，5V电源与第三芯片U8的第八引脚连接，第三芯片U8的第四引脚通过第八电阻R8与5V电源连接，第三芯片U8的第五引脚接地，第三芯片U8的第一引脚与第二芯片U2的第三十二引脚连接，第三芯片U8的第二引脚与第二芯片U2的第一引脚连接，第三芯片U8的第三引脚与第二芯片U2的第二引脚连接，
第二芯片U2的第二十五引脚与第一芯片U l的第十一引脚连接，第二芯片U2的第二十四引脚与第一芯片Ul的第十二引脚连接，第二芯片U2的第二十三引脚与第一芯片Ul的第十五引脚连接，第二芯片U2的第二十二引脚与第一芯片Ul的第十六引脚连接，第二芯片U2的第二十一引脚与第一芯片Ul的第十七引脚连接，第二芯片U2的第二十引脚与第一芯片Ul的第十八引脚连接，第二芯片U2的第十九引脚与第一芯片Ul的第六引脚连接，第二芯片U2的第十八引脚与第一芯片Ul的第五引脚连接，第二芯片U2的第十六引脚与第一芯片Ul的第四引脚连接，第二芯片U2的第十五引脚与第一芯片Ul的第三引脚连接，第二芯片U2的第十四引脚与第一芯片Ul的第二引脚连接，第二芯片U2的第十二引脚与第一芯片Ul的第一引脚连接。第二 ZigBee模块包括型号为CC2430的第四芯片和外围电路，电源监控模块包括第二三极管Q2、第三三极管Q3、继电器和型号为P521的光电耦合器U3，第四芯片的第九引脚通过第十二电阻R12与第二三极管Q2的基极连接，第二三极管Q2的发射极与VCC连接，第二三极管Q2的集电极通过第十三电阻R13与第三三极管Q3的基极连接，第三三极管Q3的发射极接地，第三三极管Q3的集电极与继电器的线圈连接，继电器的开关静触点与实验台电源的零线N连接，
第四芯片的第八引脚与光电I禹合器U3的第四引脚连接,第五电容C5接在光电I禹合器U3的第三引脚与第四引脚之间，第十五电阻R15的一端接在光电耦合器U3的第四引脚上，第十五电阻R15的另一端与VCC连接,光电稱合器U3的第一引脚通过第六电阻R6与实验台电源的火线L连接，光电耦合器U3的第二引脚与继电器的开关动触点连接，光电耦合器U3的第一引脚与第二引脚之间连接有第四发光二极管D4。过流保护模块包括型号为LM358的运算放大器U2A-U2B，第四芯片的第四十八引脚通过第七二极管D7与运算放大器U2A-U2B的第一引脚连接，第七二极管D7的正极与运算放大器U2A-U2B的第一引脚连接，第七二极管D7的负极与第四芯片的第四十八引脚连接，第七二极管D7的负极通过第七电容C7接地，第七二极管D7的负极通过第五电阻R5接地，第七二极管D7的负极与运算放大器U2A-U2B的第二引脚连接，运算放大器U2A-U2B的第八引脚接VCC，运算放大器U2A-U2B的第四引脚接地，运算放大器U2A-U2B的第三引脚与运算放大器U2A-U2B的第七引脚连接，运算放大器U2A-U2B的第五引脚与第六引脚之间接第八二极管D8，第八二极管D8的负极与运算放大器U2A-U2B的第六引脚连接，第八二极管D8的正极与运算放大器U2A-U2B的第五引脚连接，运算放大器U2A-U2B的第五引脚与第六引脚之间接第九二极管D9，第九二极管D9的正极与运算放大器U2A-U2B的第六引脚连接，第九二极管D9的负极与运算放大器U2A-U2B的第五引脚连接，第九二极管D9的两极之间接电流互感器Kl，电流互感器Dl与实验台电源连接。本发明的ZigBee模块原理图如图2所示，模块包括CC2430芯片、晶振、电阻、电容、电感等。C19，C18为22pF电容，连接Yl (32M)构成晶振电路。C13，C17为22nF，去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。C14，C15为15pF电容，与Y2 (32. 168KHz)晶振匹配。C9为5. 6pF，电路中的非平衡变压器由该电容和电感LI (8. 2nH), L2 (22nH),L3(1.8nH)以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50
的要求。除此以外，还设计了一个1/2波长的导线用来确保射频信号的正确相位。为了确保电路的性能，保证阻抗匹配，导线的长度，L2的连接点位置，L和1/2波长导线之间的导线走向等必须有严格的规定。第一 ZigBee模块要实现与PC机的USB通信，CC2430与FT245BM的接口电路如图3所示，CC2430通过FT245BM提供的数据和控制接口实现数据的交换，主控制器CC2430和FT245BM的工作电压通过USB接口直接由PC机提供。在设计中使用了一片配置芯片93C46，这是一片EEPR0M，用于存储产品的VID、PID、设备序列号以及一些说明性的信息。为了提高电路的抗干扰能力，在USB接口的电源端采用了一个磁珠，同时电源端增加了去耦和旁路电路，在PCB设计中，数据线的走线应尽可能短并且长度相等。在本发明中应用了 CC2430的 PO. 0、P0. UP0. 4,PO. 5,PO. 6,PO. 7,Pl. 6,Pl. 7 作为与 FT245BM 通信的 8 根数据信号线，Pl. 2、Pl. 3、Pl. 4、Pl. 5为4根控制信号线。所述的电源监控电路原理图如图4所示，该部分包括控制电源部分和电源状态检测部分。所述的控制电源部分由电阻R12、R13以及I个9012的PNP三极管(Q2), I个8050的NPN三极管(Q3)外加一个继电器构成。当要打开实验台电源时，CC2430的控制信号经过Pl. 0 口输出一个低电平，此时Q2、Q3处于导通状态，继电器闭合，实验台电源导通。当需要关断实验台电源时，控制信号经过Pl. 0 口输出一个高电平，此时Q2、Q3处于断开状态，继电器断开，实验台电源不导通。为了保证电路的可靠工作，三极管输出驱动电流必须大于继电
(V -0.3-0.7) X 旮
器的动作电流，选取R13的阻值是关键。根据公式A3= ^—-再留取一定余
11I
量后决定R13的取值。电源状态检测部分由一个RC充放电电路、一个光电光耦以及二极管构成，目的是为了检测当前继电器的工作状态。CC2430根据Pl. I脚的输入电压来判断当前实验台电源的工作状态。当继电器断开时(实验台电源不供电)，二极管与光电光耦中的二极管、三极管均断开，此时Pl. I脚为高电平。当继电器闭合时(实验台电源供电)，在交流电的正半周，由于电容C5与R15构成的RC电路的影响，使得Pl. I脚的电平缓慢上升，根据RC充电电路电容
电压值的计算公式Mx ￠1 — g^Fc )可知PI. I脚电平为低电平。在交流电的
负半周，光耦中的光敏三极管导通，此时C5通过光敏三极管瞬间放电，将Pl. I脚电平拉低。因此继电器闭合后，Pl. I脚的电平一直为低电平。过流保护电路原理图如图5所示，Kl为电流互感器，D8，D9为输入保护二极管，电流经过前级放大后将电流转换为电压信号，随后，再经过一级电压跟随器。R5和C7组成充放电电路。用以确定当前的负载电流值。将I_CONSER点的电压经单片机AD采样，根据A/
D采样的结果判断当前实验台负载电流的大小。利用公式
权利要求
1.一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统，其特征在于包括服务器、PC机、指纹模块、协调器、多个终端设备和多个实验台，一个终端设备对应一个实验台，所述的协调器包括USB模块和第一 ZigBee模块，所述的终端设备包括第二 ZigBee模块、电源监控模块和过流保护模块，所述的服务器与PC机连接，所述的指纹模块与PC机连接，所述的第一 ZigBee模块通过USB模块与PC机连接，所述的第一 ZigBee模块与第二 ZigBee模块相互通讯，所述的第二 ZigBee模块通过所述的电源监控模块与实验台电源连接，所述的第二ZigBee模块通过所述的过流保护模块与实验台电源连接。
2.根据权利要求I所述的一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统，其特征在于所述的第一 ZigBee模块包括型号为CC2430的第一芯片和外围电路,所述的USB模块包括型号为FT245BM的第二芯片和型号为93C46的第三芯片，5V电源与第三芯片的第八引脚连接，第三芯片的第四引脚通过第八电阻与5V电源连接，所述的第三芯片的第五引脚接地，第三芯片的第一引脚与第二芯片的第三十二引脚连接，第三芯片的第二引脚与第二芯片的第一引脚连接，第三芯片的第三引脚与第二芯片的第二引脚连接， 第二芯片的第二十五引脚与第一芯片的第十一引脚连接，第二芯片的第二十四引脚与第一芯片的第十二引脚连接，第二芯片的第二十三引脚与第一芯片的第十五引脚连接，第二芯片的第二十二引脚与第一芯片的第十六引脚连接，第二芯片的第二十一引脚与第一芯片的第十七引脚连接，第二芯片的第二十引脚与第一芯片的第十八引脚连接，第二芯片的第十九引脚与第一芯片的第六引脚连接，第二芯片的第十八引脚与第一芯片的第五引脚连接，第二芯片的第十六引脚与第一芯片的第四引脚连接，第二芯片的第十五引脚与第一芯片的第三引脚连接，第二芯片的第十四引脚与第一芯片的第二引脚连接，第二芯片的第十二引脚与第一芯片的第一引脚连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统，其特征在于所述的第二 ZigBee模块包括型号为CC2430的第四芯片和外围电路，所述的电源监控模块包括第二三极管、第三三极管、继电器和型号为P521的光电耦合器，第四芯片的第九引脚通过第十二电阻与第二三极管的基极连接，第二三极管的发射极与VCC连接，所述的第二三极管的集电极通过第十三电阻与第三三极管的基极连接，第三三极管的发射极接地，第三三极管的集电极与继电器的线圈连接，继电器的开关静触点与实验台电源的零线连接， 第四芯片的第八引脚与光电耦合器的第四引脚连接，第五电容接在光电耦合器的第三引脚与第四引脚之间，第十五电阻的一端接在光电耦合器的第四引脚上，第十五电阻的另一端与VCC连接，光电耦合器的第一引脚通过第六电阻与实验台电源的火线连接，光电耦合器的第二引脚与继电器的开关动触点连接，光电耦合器的第一引脚与第二引脚之间连接有第四发光二极管。
4.根据权利要求3所述的一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统，其特征在于所述的过流保护模块包括型号为LM358的运算放大器，第四芯片的第四十八引脚通过第七二极管与运算放大器的第一引脚连接，第七二极管的正极与运算放大器的第一引脚连接，第七二极管的负极与第四芯片的第四十八引脚连接，第七二极管的负极通过第七电容接地，第七二极管的负极通过第五电阻接地，第七二极管的负极与运算放大器的第二引脚连接，运算放大器的第八引脚接VCC，运算放大器的第四引脚接地，运算放大器的第三引脚与运算放大器的第七引脚连接，运算放大器的第五引脚与第六引脚之间接第八二极管，第八二极管的负极与运算放大器的第六引脚连接，第八二极管的正极与运算放大器的第五引脚连接，运算放大器的第五引脚与第六引脚之间接第九二极管，第九二极管的正极与运算放大器的第六引 脚连接，第九二极管的负极与运算放大器的第五引脚连接，第九二极管的两极之间接电流互感器，电流互感器与实验台电源连接。
全文摘要
本发明公开了一种基于ZigBee的实验室电源控制与监控系统，一个终端设备对应一个实验台，服务器与PC机连接，指纹模块与PC机连接，第一ZigBee模块通过USB模块与PC机连接，第一ZigBee模块与第二ZigBee模块相互通讯，第二ZigBee模块通过电源监控模块与实验台电源连接，第二ZigBee模块通过过流保护模块与实验台电源连接。其优点是基于ZigBee通信技术，通过协调器建立一个网络，并将所有设备通过终端设备带入ZigBee网络，形成一个无线通信网，避免了设备之间有线传输的弊端，成本比较低，可靠性比较好。也克服了现有技术中通信速率慢、穿透能力弱等缺陷。
文档编号H04W84/18GK102681512SQ20121015234
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者李宏, 袁娇 申请人:宁波大学