智能电源管理在电子实训室中的应用

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【摘要】在职业院校日常教学活动中，实验、实训类教学活动是培养学生实践技能的重要途径。随着教育信息化快速发展，校园信息化建设在实验实训室管理中得到充分应用。其中可包含实训设备管理、实训材料管理、实训教学管理、工作人员管理等多个部分。RFID是Radio Frequency Identification英文缩写，中文称为无线射频身份识别。运用RFID技术进行信息识别的管理用于智能电源管理系统，通过PC机、单片机、通信技术与PC上位机对实训设备和使用人员管理已能实现。从而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。

【关键词】实训室管理；RFID；wifi无线通信

一、引言

学校建有上海电子与通信技术开放实训中心，实验实训室较多，设备增加较快，实训科目多，学生人数多，但教师和管理人员相对不足。有些实训具有一定的安全性、危险性，所以对参加实训学生身份的认证就显得十分重要。实训进行过程中，教师需要动态的跟踪并对参加实训学生身份认证、实训环节内容等信息进行确认。现利用RFID技术与其它相关技术结合，实现对设备使用的动态控制，能在实训前给出管理实训对象，或者当使用不当的时候，给出相应的警示、甚至中断操作，有效避免不安全的发生。

综上，通过智能电源管理系统能够加强实训教学的管理，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。此系统采用实时采集数据的方法科学管理实训教学，从而提高教学质量与管理水平。

二、智能电源管理在电子实训室硬件构架

电源控制硬件构架要求包括电源工作状态信息的采集、电源的控制、使用者身份识别，所采集信息的传输与管理，制定上位机信息接口规范，上位机软件设计要求，远程管理的实现，如图1所示。

智能电源管理主板采用32位ARM内核的STM32的32位处理器进行控制，可以处理负责数据采集处理和控制电源两个模块， 如图2所示。

1.控制电源：接受教师机发送过来的开、关机指令，指令采用32位4个字节，包含起始位、设备码、数据码、控制指令、校验码等，接受到指令后进行读取是否与该设备码一致，并读取控制指令信息，如是开启电源该位是01，关闭电源该位是00。

电源开关控制电路：继电器采用DC5V直流继电器驱动交流继电器进行控制，并带有驱动指示灯，电源打开时LED灯点亮，电源关闭LED灯熄灭，整个电路设计稳定耐用，CPU通过读取到RFID卡或者PC机（教师机）软件的开关信息来控制继电器来开关设备的总电源，如图3所示。

2.RFID卡数据采集：通过RFID（无线射频身份识别）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号在有效的空间范围内（几厘米到几百米）自动识别目标对象并获取相关数据，卡片读取模块来读取卡片的信息，卡中存储持卡者身份信息识别，读取模块读取到信息后让CPU进行读取，信息里面记录有编码，CPU通过对比和读取编码号进行对比身份正确，并记录该编码的时间作为电源使用的开始时间，存入所用设备台号与使用的信息，方便在脱机时也能读取持卡者参与实训的日志。

通过RFID读卡器进行读取数据（RFID为外购模块）如图4所示。CPU通过采集读取RFID卡的数据来确定卡片使用者信息，包括使用者身份和使用设备的时间，使用时间的计算也是从第一次读取到该卡片信息开始计算。时间计算处理：若实训完毕后持卡者刷卡记录实训时间，首先需要比较两次RFID卡读取到的编码是否一致，如果一致即通过第一次读取到的开始时间和结束时间进行计算电源的总工作时间，如不一致即进行报警，并发出报警声音和LED闪烁3次后停止报警。

三、智能电源管理wifi通信方式实现

实训室设备的组网通信方式，采用wifi将每一台设备通过无线路由器连接起来并到连接上位机， PC机（教师机）软件控制设备开关，CPU通过wifi网络与教师机软件通信，教师机软件可以独立对每个智能电源管理控制主板进行继电器控制，教师机软件可设定定时关机时间来关闭电源。其网络拓扑图5如下：

发卡前已经将学生的身份信息写入卡中以及授权使用哪些设备（可选）。刷卡时，设备读取卡信息并核对权限，有使用权限时开启设备，并记录开启的时间信息，再将此开启时间信息写入卡中，老师个别验证时可读取该卡获得考勤等信息，设备同时通过wifi传至上位机，以识别持卡使用者身份和记录使用时间。智能电源管理系统工作流程如图6所示。

四、上位机软件设计

上位机软件设计采用C++语言环境下开发，教师机的软件控制界面可以对被控制的实训台电源进行电源开关管理控制，总电源的定时关闭。软件界面如图7所示。

智能电源管理主板能采集刷卡信息、电源信息，然后在教师机的应用系统中呈现，教师可以进行人工干预或者由管理程序自动管理。教师机管理系统会自带一套嵌入式数据库，保存各个用户的信息，严格监控用户的合法性，电源管理序列如图8所示。

五、智能电源管理的扩展功能

在现有RFID读写装置，电源开关控制装置，输入输出接口，单片机与wifi通信模块的控制系统的构架内新增电流与电压传感器装置。该方法可以在不改变原有设备构造前提下，通过传感器与外部接口进行控制，并且能够分步实施，

后续还可以继续在现有的系统基础上，包括上位机软件开发，上位机软件可以分为本地与远程的管理软件二次开发；采集实训信息部分除考勤外，可继续增设电流、电压等传感器模块作为子项目，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。

在传感器模块的添加以及软件升级后，在通信传输时已经制定好了需要传输的数据帧模式。比如，一帧完整的数据包含身份验证字段、时间字段、开启字段、关闭字段、电压I字段、电压II字段、电压III字段……、电流I字段、电流II字段、电流III字段……、自定义I字段、自定义II字段……自定义N字段与校验字段等；单片机对读取设定字段的传感器扩展端口所读数据为实际数据进行判断和，由此可实现后期传感器的增加以及软件升级后管理新增数据。

六、应用效果及结论

基于电子实训室可实现，电源设备的单机管理，远程管理，远程监控，形成使用日志便于实训室管理并且体现了快速溯源和痕迹，使传统实验室手工作业中存在的各种弊端得以顺利解决，为开放式实训室建设取得较好经验。本文提出的智能电源管理控制系统基于CPU通过采集读取RFID卡的数据；PC机（教师机）软件控制设备开关；电源状态信息采集和控制，大大降低实训室管理的人工成本和设备维护成本，提高了实验室的管理效率，不仅可在实训室内使用，也可以推广到其他类似领域。

参考文献

[1]汪浩，著.物联网的触点：RFID技术及专利的案例应用[M].科学出版社.

[2][美]佛罗赞，[美]费根.数据通信与网络[M].吴时霖，等.译.机械工业出版社.