基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(huì)，各種電氣和電子設(shè)備發(fā)展迅速，已經(jīng)在國(guó)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(dòng)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(shí)，其電路結(jié)構(gòu)也變得相對(duì)復(fù)雜，對(duì)提供源動(dòng)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(duì)電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jì)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(jì)一套完整的電源監(jiān)控系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、提高實(shí)時(shí)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(jì)

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?；谪惾~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(cè)量電路和中央處理系統(tǒng)組成，完成對(duì)電源工作狀態(tài)信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的分析和處理等功能。對(duì)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(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，進(jìn)而獲取各個(gè)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(shí)發(fā)出預(yù)警等，進(jìn)而對(duì)各終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，及時(shí)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但只適用于點(diǎn)對(duì)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(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的長(zhǎng)距離通信[2]。本系統(tǒng)中上位機(jī)與各個(gè)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(jì)

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?？梢詫⑾到y(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(gè)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(shí)間變小是會(huì)導(dǎo)致電源設(shè)備發(fā)生故障的3個(gè)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(cè)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(jì)

硬件電路作為電源監(jiān)控功能的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(gè)方面的功能。

(1)中央處理器：需要對(duì)電源狀態(tài)采集信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理/分析，最后進(jìn)行顯示界面的設(shè)計(jì)，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(shí)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(hào)采集：由于不同種類的電源設(shè)備所對(duì)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(hào)和交/直流電流信號(hào)均進(jìn)行檢測(cè)。

(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(hào)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(hào)采集

交流信號(hào)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(cè)三部分。電壓信號(hào)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(duì)于電流信號(hào)的采集，一般需要轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(duì)于交流信號(hào)還需要對(duì)其頻率進(jìn)行檢測(cè)，硬件測(cè)量電路的原理如圖3(c)所示。

圖3 交流信號(hào)采集

直流信號(hào)采集需要分別設(shè)計(jì)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(duì)直流電壓信號(hào)的采集，其原理如圖4(a)所示。然而，對(duì)直流電流信號(hào)最簡(jiǎn)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(hào)采集

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信

STM32F103VCT6一般包含5個(gè)接口，而RS-485的作用是將中央處理器發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，才能夠在總線上進(jìn)行信號(hào)傳遞，同時(shí)也需要將總線網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換為中央處理器所能接受的信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(jì)

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(jì)，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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)。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(jì)，該系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、提高實(shí)時(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2003，31(5)：58-61.

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