基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

胡月

【摘要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，蓄電池在通信、電力、車輛以及工業(yè)照明等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，開(kāi)始扮演越來(lái)越重要的角色，因此蓄電池組的管理系統(tǒng)也變得越來(lái)越重要。要管理蓄電池組首先要獲取蓄電池組中每塊電池的參數(shù)和工作狀態(tài)，要獲取參數(shù)和工作狀態(tài)就要用到大量的傳感器，市場(chǎng)上的電池組管理系統(tǒng)通常都是用導(dǎo)線連接傳感器，從而獲得電池參數(shù)和工作狀況。這就帶來(lái)了接線繁瑣，布線困難的問(wèn)題。使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠解決上述問(wèn)題，同時(shí)方便系統(tǒng)線路檢測(cè)及今后的擴(kuò)容。使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有望在今后得到普及。在比較了主流的幾種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，本文選擇采用ZigBee技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，無(wú)線終端采集節(jié)點(diǎn)對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)終端程序顯示，其他計(jì)算機(jī)可以通過(guò)客戶端程序看到這些數(shù)據(jù)。同時(shí)本系統(tǒng)還能夠通過(guò)調(diào)節(jié)均衡電路大電流低阻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)均衡充電，從而達(dá)到了對(duì)電池各項(xiàng)系數(shù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理的目的。本文所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是 ZigBee 技術(shù)在電池管理系統(tǒng)控制中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。本文給出了傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電池組監(jiān)測(cè)管理具有參考價(jià)值和借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】ZigBee;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);蓄電池組均衡充電;監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

ABSTRACT：With the rapid development of economy and technology， battery is widely used in the field of communications， electricity， vehicles and industry lighting.Battery plays an important role today， so it is important to develop a good battery management system.To obtain the parameters and state of each battery， we need many sensors.The battery management systems in the market often use a wire to carry signal from sensors.The complicate wiring is a big problem for these systems.It may also lead to the stability problem.Using wireless sensor network technology can solve these problems.And it is easy to test the system or to add sensors in a system using wireless sensor network.After comparing several popular wireless network technologies， we chose the ZigBee technology to design the battery monitoring and management system.In this system， the wireless terminal acquisition node in the battery pack get the real-time data， data forwarding through the relay node to the host computer program.This data can also be obtained on other computers by using a client program.This paper gives the hardware design of sensor nod， it has some reference value for power monitoring industrial areas.

Key words：ZigBee;wireless sensor network;balanced charging of battery pack;monitoring and management system.

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，如今網(wǎng)絡(luò)中所應(yīng)用的UPS不再只是單純的電源設(shè)備，而是逐步成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中電源的管理中心，UPS也由最初的單純不間斷供電發(fā)展到今天的智能化、多功能。作為UPS心臟的蓄電池，對(duì)其工作狀態(tài)等參數(shù)的管理必不可少，但是市場(chǎng)上的電池監(jiān)視管理系統(tǒng)存在大量的電池配線，接線繁瑣，布線困難等不足，而若使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)恰能解決這些問(wèn)題。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決了布線困難、人員無(wú)法到達(dá)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的問(wèn)題，簡(jiǎn)化了有線網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)的布線繁瑣、預(yù)設(shè)接口、線路檢測(cè)、擴(kuò)容等一系列和傳輸途徑有關(guān)的繁瑣工作。本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee的電池監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，無(wú)線終端采集節(jié)點(diǎn)對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給終端程序顯示，達(dá)到了對(duì)電池各項(xiàng)系數(shù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控管理的目的。

本文給出了基于 CC2530的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方案。由TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，具有功耗低，外圍電路少，可靠性高等特點(diǎn)，滿足了ZigBee通信的需求。并可以通過(guò)相關(guān)的電流和通信模塊，完成電壓、溫度等數(shù)據(jù)的測(cè)量與傳輸。

本文所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是ZigBee技術(shù)在電池管理系統(tǒng)控制中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。經(jīng)多次測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。對(duì)于電源監(jiān)測(cè)工控領(lǐng)域，具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及ZigBee無(wú)線通信協(xié)議

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，

WSN）是由靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給用戶1。因無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，因此可以節(jié)省大量的數(shù)據(jù)線，大大延伸了傳感器的感知范圍，使人們可以在更廣的范圍內(nèi)更方便靈活地獲取信息，進(jìn)而更好地描述客觀世界，供人們進(jìn)一步提高認(rèn)知水準(zhǔn)并更好地改造自然。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前信息科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)新方向，與通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)信息等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域交叉，是一個(gè)跨學(xué)科的新興領(lǐng)域。

有別于傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在兼具無(wú)中心、自組織、多條路由等特點(diǎn)的同時(shí)，更加注重能量、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等問(wèn)題。因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在更加復(fù)雜、惡劣的野外環(huán)境中可靠地運(yùn)行，因此目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等重要領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，發(fā)展前景十分可觀。

2.2 ZigBee無(wú)線通信協(xié)議

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、高可靠性、低速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信距離一般在幾百米至幾公里之間。目前廣泛被部署于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備監(jiān)測(cè)、住宅和建筑自動(dòng)化、醫(yī)療傳感設(shè)備等場(chǎng)合。與常見(jiàn)的藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線通信相比，ZigBee具有低速率、低功耗的特點(diǎn);而與傳統(tǒng)的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)等不同，ZigBee專注于短距離的無(wú)線通信，且具有簡(jiǎn)單可靠、低成本的優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)閆igBee有上述獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所以近年來(lái)ZigBee技術(shù)受到了越來(lái)越多的重視和應(yīng)用。

3.基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感器監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本方案中為了便于對(duì)鉛酸蓄電池組的各項(xiàng)信息，包括各個(gè)蓄電池單體的端電壓、溫度以及均衡開(kāi)關(guān)等信息進(jìn)行有效監(jiān)控，需要構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理以及傳輸。由于在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境如UPS中，蓄電池組通常位于單獨(dú)的機(jī)房且應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為繁雜，若采用傳統(tǒng)的有線的傳感器網(wǎng)絡(luò)布線將帶來(lái)較為繁重的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)負(fù)擔(dān)，也將不利于后期維護(hù)、升級(jí)等工作。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言不需要繁瑣的布線工作，因此傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)、采集、傳輸?shù)冗^(guò)程都不再受到空間環(huán)境的限制，可以在應(yīng)用環(huán)境中靈活地進(jìn)行布置。除此之外后期的維護(hù)等工作也將更加便利。

由于蓄電池組的電池單體較多，應(yīng)用環(huán)境通常也較為惡劣，具有電磁干擾大，網(wǎng)絡(luò)安裝維護(hù)不方便等特點(diǎn)，因此對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了較高的要求。本方案采用了基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測(cè)、采集以及傳輸?shù)裙ぷ?。ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具有功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、數(shù)據(jù)傳輸安全可靠以及低成本等明顯優(yōu)勢(shì)，因此可以充分滿足蓄電池組實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。

3.1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本方案中鉛酸蓄電池組由12個(gè)蓄電池單體構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，因此適宜采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，如圖所示。

如上圖所示，本方案所采用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和12個(gè)與蓄電池單體直接相連的ZigBee終端組成。其中ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立、管理網(wǎng)絡(luò)、傳輸數(shù)據(jù)以及接受ZigBee終端的加入、離開(kāi)等操作。各個(gè)ZigBee終端加入由協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)之后，主要負(fù)責(zé)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采集各個(gè)蓄電池端電壓等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，并執(zhí)行來(lái)自協(xié)調(diào)器的命令。

3.1.2 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介

如上節(jié)所述，每個(gè)蓄電池單體均有一個(gè)ZigBee終端與之連接，ZigBee終端通過(guò)定時(shí)器周期性地采集蓄電池的端電壓、溫度等參數(shù)，同時(shí)將均衡開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信息也寫入發(fā)送數(shù)據(jù)幀內(nèi)，通過(guò)由ZigBee協(xié)調(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)將所采集的數(shù)據(jù)周期性地傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器。同時(shí)ZigBee協(xié)調(diào)器將來(lái)自ZigBee終端的數(shù)據(jù)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線發(fā)送至PC機(jī)終端，通過(guò)PC端程序可以將各個(gè)蓄電池單體的性能等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

與此同時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器可以接受來(lái)自PC機(jī)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)情況選擇向所有ZigBee終端廣播或者根據(jù)具體地址向特定的ZigBee終端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

ZigBee協(xié)調(diào)器添加新的USART/USB轉(zhuǎn)接電路，將來(lái)自協(xié)調(diào)器芯片串行通信接口USART0或USART1的數(shù)據(jù)通過(guò)USB收發(fā)器發(fā)送至PC機(jī)。同時(shí)在PC機(jī)上通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)C機(jī)的USB口虛擬成COM口，在USB口接收到數(shù)據(jù)之后轉(zhuǎn)換成串行通信數(shù)據(jù)。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，ZigBee協(xié)調(diào)器和PC機(jī)之間借助于USB的橋梁作用可以方便地傳輸串行數(shù)據(jù)，同時(shí)USB數(shù)據(jù)線也可以為協(xié)調(diào)器供電。USB接口通用性高的特點(diǎn)可以大大提高協(xié)調(diào)器與PC機(jī)連接的兼容性。

3.2 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案采用了基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以劃分為：傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，除此之外還有PC端的設(shè)計(jì)。由于PC端主要涉及到軟件的編寫以及系統(tǒng)的調(diào)試，并不對(duì)PC機(jī)進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此下文主要針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

3.3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)作為直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連接的設(shè)備，承擔(dān)著數(shù)據(jù)檢測(cè)、采集以及傳輸?shù)热蝿?wù)，并且需要在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工作。因此傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、低功耗。低成本等需求。具體而言，傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在復(fù)雜的環(huán)境中將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤地進(jìn)行檢測(cè)采集，然后通過(guò)穩(wěn)定可靠地通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器;同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)必須緊湊可靠，精簡(jiǎn)不必要的接頭，保留必需的調(diào)試接口以及系統(tǒng)擴(kuò)展所需的接口等。除此之外，傳感器節(jié)點(diǎn)與蓄電池單體直（下轉(zhuǎn)第138頁(yè)）（上接第136頁(yè)）接相連，承擔(dān)著控制均衡充電的任務(wù)，因此本方案在傳感器節(jié)點(diǎn)上添加了均衡電路，用以在充電過(guò)程中對(duì)蓄電池單體實(shí)施均衡充電。具體結(jié)構(gòu)可由下圖表示：

（1）CC2530F256

本方案采用了德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的CC2530芯片系列中的CC2530F256作為MCU模塊。CC2530系列芯片是基于2.4GHz 的片上系統(tǒng)解決方案，目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。由于CC2530兼容IEEE 802.15.4協(xié)議，因此可以很方便地支持包括RemoTITM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、TIMAC和用于ZigBee兼容解決方案的Z-StackTM軟件等。除此之外，CC2530系列芯片還適用于6LoWPAN和無(wú)線HART等的實(shí)現(xiàn)。

（2）電源模塊

本方案采用的CC2530F256需由3.3V的電源供電。但在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中由于ZigBee節(jié)點(diǎn)能耗低，其功耗與其直接相連的鉛酸蓄電池單體容量相比非常微小，幾乎可以忽略不計(jì)。所以基于ZigBee的傳感器節(jié)點(diǎn)可直接從蓄電池單體取得電源，在保證傳感器節(jié)點(diǎn)能夠正常工作的情況下可以不再為傳感器節(jié)點(diǎn)單獨(dú)設(shè)置電池盒，既顯著減小了傳感器節(jié)點(diǎn)的體積，也有利于應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試等工作。

由于實(shí)際應(yīng)用中，不同蓄電池組電池單體的端電壓并不相同，電壓變化范圍較大，特別是對(duì)于大部分串聯(lián)型鉛酸蓄電池組而言電池單體的端電壓一般較低，通常只有2V或者4V，直接低于或者高于3.3V而無(wú)法供CC2530F256芯片使用，因此必須對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的電源模塊進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以保證在蓄電池單體端電壓變化范圍較大情況下仍能夠?yàn)镃C2530F256芯片提供穩(wěn)定的3.3V工作電壓。為此本方案?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的電源模塊采用了意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)的L6920型升壓芯片對(duì)外部電源電壓進(jìn)行控制，以保證為CC2530F256芯片提供穩(wěn)定的3.3V工作電壓。

4.總結(jié)和展望

4.1 總結(jié)

本文立足于UPS蓄電池實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)上，在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及ZigBee技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出了ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的解決方案，以TI公司的微處理器CC2530為核心，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的簡(jiǎn)單無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且解決方案結(jié)合了實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)例，給出了相應(yīng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的具體硬件設(shè)計(jì)。

4.2 展望

本系統(tǒng)是ZigBee技術(shù)在UPS電池管理系統(tǒng)中的一個(gè)應(yīng)用，因此在軟硬件的設(shè)計(jì)方面還有進(jìn)一步完善的空間，可以就以下問(wèn)題作為進(jìn)一步的研究：

（1）在傳感器節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)多種傳感器接口，滿足用戶要求同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)環(huán)境信息，如溫度、濕度、氣壓等要求，實(shí)現(xiàn)更多的參數(shù)監(jiān)控，完善電池的監(jiān)控體系。

（2）完善與終端PC通訊與命令控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)功能更全面、操作更簡(jiǎn)單的交互式圖形界面，能夠輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，使監(jiān)控過(guò)程更明了，更易于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)。

（3）終端軟件尚未添加網(wǎng)絡(luò)功能，用戶未能通過(guò)局域網(wǎng)（LAN）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和訪問(wèn)的功能，可能會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的集成管理帶來(lái)不便，這也是今后值得繼續(xù)完善的軟件功能模塊。

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