电子实训室设备电源管理系统的设计和实现

张 帆

摘 要：本文主要阐述了基于WiFi环境下，使用RFID学生校园卡的中职实训设备电源管理系统。文中主要介绍了设计思路和软件和硬件的实现的方法，各个模块的技术参数，可以实现的功能、可扩展功能。

关键词：安全电源管理 WiFi RFID

一、背景

中职学生他们刚刚从初中毕业，心理还不够成熟，表现欲望较强，活泼好动，安全意识较差，他们经常会寻找机会“使坏”来增加自己的存在感。同时，在实训教学过程中，往往学生多老师少，不易管理，实训指导老师无法面面俱到，不能了解到每个学生的操作状况，造成一定的困惑。

针对中等职业学校学生的特点，既需要保护他们的学习热情，又要使人员、设备、用电都处于可控状态，还需要根据中职学生的特点来改善教学手段和教学方法。考虑使用设备电源管理系统的安全用电目标。

二、实训设备电源管理系统的实现方式

（1）制订实现身份识别的技术规范。现有身份识别的方法很多，制订识别数据结构与传输规范就能够兼容所有的识别方法，例如：RFID、SIM、磁条卡、指纹、人脸等。制订数据采集规范与采集种类的数量与升级方法。学生采用RFID方式，卡中存储持卡者身份信息（如校园卡），不需要增加卡片的硬件投入，学生个人信息方便在脱机时也能读取，持卡者信息记录可记录实训的日志。

（2）实训室设备的组网通信方式，采用WiFi将每一台设备连接起来并通过WiFi模块连接上位机。系统能够通过刷卡的方式验证身份并开启或关闭设备，实训的信息记录在卡中，教师可以通过读取卡内信息了解该持有人的实训考勤状况。上位机软件可以分为本地与远程的管理软件开发。

（3）独立电源系统待机符合国际能源组织以及国家相关待机能耗规范。控制方式为授权、延时、刷卡直接开启等，其基本配置有中央处理系统、WiFi通信系统、扩展传感器接口系统、电源开关控制系统、电源输入输出接口系统。在受控操作时将IK88电源接口与本控制模块连接后就可以受控，受控模式可以是刷卡一次开机，再刷一次关机，或者刷一次开机，数分钟后自动关机。

（4）控制系统的构成，由RFID读写装置，电源开关控制装置，电流与电压传感器装置，输入输出接口，中央处理器与WiFi通信接口组成。通过传感器与外部接口进行控制，除了可以采集实训信息部分除考勤外，可继续增设电流、电压等传感器模块，能够采集学生操作中是否出现电源短路、过载、电压设置不正确等信息。

三、实训设备电源管理系统的功能实现

在确保学生实训时不发生触电等安全事故，需要提供漏电、过热、过流、短路和手动紧急停止功能，从而保障学生实训操作时的用电安全。同时还可以兼顾用电管理和教学服务功能。

1．用电管理：节能减排，确保按时、按需供电

（1）实训学生需要实验设备通电时告知指导教师。

（2）指导教师可操作接通实验设备电源（工作接通状态有灯光显示）。

（3）指导教师按停止按钮可以即时切断设备电源（工作接通状态熄灭）。

（4）实验室管理员可管理指导老师的操作权限，添加授权或删除授权功能。

2．教学服务：能服务于中职学生的教学管理

（1）设备用电数据能同步上传到计算机中，并提供实训设备电源管理系统软件数据管理模块，数据查询（设备开启时间、设备号）结果导出至“EXCEL”表格中，供查询或与其他管理软件共享数据。

（2）实训设备电源管理系统软件数据管理模块能读取校园卡信息，具备数据查阅功能，选择查询的时间范围、号码等信息后能获得满足查询条件的数据。

（3）实训设备电源管理系统软件数据管理模块能免费无限次升级。

四、实训设备电源管理系统构建

1．系统构成拓扑结构

将电源管理模块安置在实训台内部，如图1所示。由机箱、电源总线、信号总线、通信总线、RFID刷卡供电WiFi无线管理工作站模块、WiFi无线数字直流可编程稳压恒流电源模块、连续可调低压隔离交流电源模块、供电安全保护模块、市电工作电源模块、仪器供电模块组成。各模块与机构总线连接，损坏时可单独拆除维修。设备需升级换代时只需更换其中的模块即可。

图1 系统构成拓扑

2．WiFi物联网技术电源管理模块介绍

（1）RFID刷卡供电WiFi无线管理工作站模块。模块用来实现实训台电源的供应，可实现刷卡供电，远程开启与关闭，用电权限控制，延时自动关闭电源，延时时间可设定。供电安全模块提供漏电、过热、过流、短路和手动紧急停止功能，从而保障了学生实训操作时的用电安全。

WiFi无线数字直流可编程稳压恒流电源模块提供0—30V稳压，0—2A恒流输出，4位半独立电压电流液晶显示显示，带背光。电压与电流由单独旋转编码器设定，电压电流可通过计算机远程设定，采集电压电流数据上传至计算机。连续可调低压隔离交流电源模块提供0—36V交流电1A电流正弦波输出，采集电压电流数据，设指针式电压表指示输出电压，精度2．5级。

（2）电源控制机箱面板。电源控制机箱面板通常被安装在实训台上，面板提供一路电压0—30V调节步长0．1V，电流0—2A调节步长0．001A，电压与电流由1602型LCD液晶显示屏显示（见图2），电压显示小数点后2位，电流显示小数点后3位；电源启动由刷卡启动，刷卡距离刷卡区域0—5cm，通过WiFi无线网络受实验室管理软件集中控制，在教师电脑上操作同意或不同意或关闭或授权刷卡即开；内置电源系统刷卡管理模块，采用MODBUS＿SF通信协议能够无缝对接原有实训室管理系统，通过WiFi专用无线网络建立实训桌电源系统刷卡管理模块与服务器的通信；内置可扩展至32点传感器数据采集系统，系统采集0—36V、0—30V输出电压、电流，采集数据实时通过WiFi无线网络传送至服务器，能为校园网提供考勤与操作实训过程各电量基础数据。

图2 电源控制机箱面板

校园卡刷卡用电管理流程如图3所示：

图3 校园卡刷卡用电管理流程

3．实训设备电源管理系统软件

实训设备电源管理系统软件安装在一台上位机内，软件安装环境需要Windows XP或Win732位操作系统，1G硬盘空间，可安装SQL数据库2008。上位机进行数据图处理的流程，如图4所示。

图4 数据处理流程

（1）软件电源控制终端数64个，实际显示数量可通过鼠标操作添加与删除终端控制图标，来保证桌面显示的工位信息及位置信息与实际实训室一一对应，如图5所示。

图5 软件电源控制终端

（2）学生操作启动电源按钮时，供电后开始采集各路用电信息并存入数据库，记录次数为每秒2次起可调，数据可通过鼠标点击该工位图标上“数据”按钮即显示。

（3）提供数据库接口函数，供第三方用户读取数据，接口函数中提供刷卡卡号信息、通电请求信息、电源状态（开与关）信息、采集时间点、32种电压电流信息、工位信息。

（4）上位机安装用电管理系统软件运行步骤：

①上位机安装用电管理系统软件，软件启动后无设备连接时，工位号码与工位图标为灰色，如图6所示。

②图7是有一个工位已连接，并在控制箱面板按下上电请求按钮，此时工位号码点亮呈绿色，工位图标闪烁。

图6 软件启动界面

图7 工位请求界面

③讲师点击工位图标（小人），弹出下画面，上电允许是否？如图8所示。

④点击窗口中“上电”按钮，接着弹出以下窗口表示设备上电成功，电源控制箱中的主接触器吸合，设备开始正常供电，如图9所示。

图8 教师点击允许上电

图9 设备允许上电

⑤正常供电后，上位机画面工位图标（小人）不再闪烁，变成常亮，绿色，上电确认界面。如图10所示。

⑥点击工位图标边“数据”，弹出如下窗口，窗口中实际电压、实际电流就是当前设备的工作电压与电流（出厂默认值为0），可通过上位机对各工位操作电压与限定电流值作设定，键入数值后点击“设定电压”“设定电流”即可，如图11所示。

能记录使用开始与结束时间、电源各路输出的使用情况，包括使用的电压、电流、超载、短路的信息记录，通过非接触式RFID卡开启与关闭电源。所有电源控制板通信端口可与一台PC上位机连接，通过上位机软件生成管理日志，并对设备进行权限、时间、安全等作管理操作。通过对管理日志的分析能够快速了解到使用者是否正确使用设备或损坏设备、损坏者以及考勤状况。

图10 上电确认界面

图11 数据设置界面

五、实训设备电源管理系统在教学中的意义

本系统具有结构布局简单、使用方便、可持续、开放性等特点，具有重要的实用价值和推广价值。通过在电子实训教学装置中采用此系统，能够加强对与实训教学的管理，当学生使用不当的时候，给出相应的警示，甚至中断操作，有效避免不安全的发生。实训数据的采集能够对研究实训教学提供有力的数据依据，能够提供改善的方向。采用实时采集数据的方法科学管理实训教学的典范，能够提高教学质量竞争水平与教学管理水平。

综上所述，RFID技术用于智能电源管理系统，在电子产品装配与调试实训室日常教学管理中运用，对学生在实训过程中各环节进行有效管理，此外还便于对有关实验教学的数据进行量化统计、查询以及考核等。

参考文献

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