基于ZigBee和CAN總線的礦用后備電源無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于鵬杰，張森，俞雙懋

山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590

基于ZigBee和CAN總線的礦用后備電源無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于鵬杰，張森，俞雙懋

山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590

為了保障井下后備電源的安全可靠運(yùn)行以及延長其使用壽命，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和CAN總線的礦用后備電源無線監(jiān)測系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)闡述了各主要功能單元的硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì);該系統(tǒng)將ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)和CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建了兩級通信網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)架，有效地保證了監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和準(zhǔn)確性;實(shí)際應(yīng)用表明，該監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用方便簡便，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

監(jiān)測系統(tǒng); ZigBee; CAN總線;通訊網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)傳輸

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1031.005.html

礦用后備電源作為煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，具有體積小、效率高、輸入電壓范圍寬等特點(diǎn)，能夠在煤礦井下交流電網(wǎng)因故障或事故出現(xiàn)斷電情況時，輸出安全穩(wěn)定的直流電，保證緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)內(nèi)的電力供應(yīng)和事故救援的用電需求，保障煤礦的安全生產(chǎn)［1-2］。鋰離子蓄電池作為新型二次蓄電池發(fā)展的方向［3］，越來越受到煤礦企業(yè)的關(guān)注，已在煤礦井下電機(jī)車、單軌吊和后備電源等設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。由于鋰離子蓄電池在過放、過充和過熱等條件下會導(dǎo)致電池?fù)p壞或壽命縮短［4］，因此在將鋰離子蓄電池應(yīng)用到煤礦后備電源時，為確保后備電源的運(yùn)行安全，需要對鋰離子蓄電池的電壓、溫度、充放電電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控［5］。

CAN總線作為多主串行現(xiàn)場總線，支持分布式實(shí)時控制的通信網(wǎng)絡(luò)，以其具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)通信速度快的特點(diǎn)［6］，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場的控制系統(tǒng)中。ZigBee作為一種短距離無線通訊技術(shù)，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，工作于2.4 GHz頻段，具有成本低、數(shù)據(jù)傳輸保密性強(qiáng)和自動動態(tài)組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可方便地嵌入到各種設(shè)備之中［7-8］。文中將兩者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種礦用后備電源無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)和CAN總線技術(shù)組成移動分布式網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對礦用后備電源電池參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)對礦用后備電源電池電壓、溫度、充放電電流等參數(shù)的實(shí)時準(zhǔn)確監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)需具有數(shù)據(jù)的自動采集、遠(yuǎn)程傳輸、存儲管理等功能［9］。設(shè)計(jì)的無線監(jiān)測系統(tǒng)將ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)和CAN通訊網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建了兩級通信網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)架。從邏輯結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)主要分為單體檢測單元、CAN總線網(wǎng)絡(luò)、蓄電池組模塊控制單元、ZigBee網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心5個部分，其中監(jiān)控中心包含總成控制單元和PC機(jī)。具體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

文中所研究的礦用后備電源為滿足現(xiàn)場工作環(huán)境對后備電源蓄電量和工作電壓的需求，采用先串聯(lián)后并聯(lián)的電池組合策略，先將8節(jié)磷酸鐵鋰單體電池串聯(lián)成組構(gòu)成蓄電池組模塊，再將多個蓄電池組模塊相互并聯(lián)構(gòu)成完整的后備電源。在設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)中，各蓄電池組模塊的單體檢測單元與其單體電池一一對應(yīng)，獨(dú)立完成對應(yīng)單體電池電壓溫度數(shù)據(jù)的采集，并通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳送給蓄電池組模塊控制單元，蓄電池組模塊控制單元將自身電流檢測電路采集的蓄電池組充放電電流數(shù)據(jù)和接收到的電壓溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理后，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心的總成控制單元，由總成控制單元通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)，最終經(jīng)PC機(jī)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對后備電源電池參數(shù)的集中存儲和管理。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單體檢測單元硬件設(shè)計(jì)

在各蓄電池組模塊中，每節(jié)單體電池均配置相應(yīng)的單體檢測單元，每個單體檢測單元通過相應(yīng)的硬件電路獨(dú)立完成該單體電池電壓、溫度參數(shù)的檢測以及電池電量的均衡任務(wù)。單體檢測單元選用32位ARM處理器STM32F103RBT6芯片作為單體MCU，并配有電壓檢測均衡電路、溫度檢測電路、供電電路和CAN通訊電路等外圍電路。

單體檢測單元固定安裝在單體電池的2個電極之間，由單體電池經(jīng)供電電路直接為其供電;電壓檢測均衡電路與單體電池的正負(fù)極直接連接，進(jìn)行電池電壓的采集和電量的均衡;溫度檢測電路通過數(shù)字化溫度傳感器DS18b20對電池極耳處溫度進(jìn)行采集。電壓檢測均衡電路和溫度檢測電路將采集的模擬信號傳輸?shù)絾误wMCU，單體MCU利用自身的12位的A/D轉(zhuǎn)換器對電壓和溫度的模擬信號值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)CAN通訊電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的向上傳輸。

2.1.1電壓檢測均衡電路

電壓檢測均衡電路由電壓檢測電路和均衡電路2部分組成。電壓檢測電路采用電阻分壓檢測的方法進(jìn)行電池電壓的檢測;為了提高電壓檢測的精度，選用LM385BD_2.5基準(zhǔn)電壓芯片為單體MCU提供AD轉(zhuǎn)換的高精度基準(zhǔn)電壓。均衡電路采用充電能耗型均衡方法，將電池多余電量以熱能形式進(jìn)行消耗;通過控制場效應(yīng)管FDS4465的通斷，實(shí)現(xiàn)均衡的開啟和關(guān)閉。

如圖2所示，基準(zhǔn)電壓芯片LM385BD_2.5輸出的2.5 V基準(zhǔn)電壓Vref和電池端電壓經(jīng)精密電阻R10和R13組成的分壓電路分壓后得到的實(shí)測電壓VBat，分別與單體MCU的PA4和PA6引腳相連，由其內(nèi)部12位AD轉(zhuǎn)換器根據(jù)相應(yīng)的比例關(guān)系，得到待測單體電池的實(shí)際端電壓值。均衡電路場效應(yīng)管FDS4465的柵極經(jīng)限流電阻R7與單體MCU的PA7引腳相連，單體MCU通過輸出不同占空比的PWM均衡驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)對電池電量均衡速度的控制。

圖2　電壓檢測均衡電路

2.1.2 CAN通訊電路

CAN通訊電路作為單體MCU與CAN總線網(wǎng)絡(luò)的接口電路，主要完成CAN報(bào)文的發(fā)送和接收。電路選用PCA82C250芯片作為CAN總線收發(fā)器，提供對總線的差動接收和發(fā)送功能［10］;選用6N137高速光電耦合器實(shí)現(xiàn)單體MCU和CAN總線網(wǎng)絡(luò)的物理隔離，提高了系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。如圖3所示，單體MCU內(nèi)部CAN控制器的發(fā)送/接收引腳分別與CAN_TX端和CAN_RX端相連后，經(jīng)光電耦合器6N137隔離放大，通過CAN總線收發(fā)器PCA82C250的CANL和CANH端連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單體檢測單元與CAN總線網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信。

圖3 CAN通訊電路

2.2蓄電池組模塊控制單元硬件設(shè)計(jì)

如圖4所示，蓄電池組模塊控制單元主要由模塊MCU、CAN通訊電路、電流檢測電路、液晶顯示電路、ZigBee通訊模塊、報(bào)警電路和狀態(tài)指示電路組成。其中，模塊MCU采用STM32F103RBT6芯片; CAN通訊電路采用圖3所示的電路結(jié)構(gòu);液晶顯示電路采用2.8寸TFT液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

圖4　蓄電池組模塊控制單元結(jié)構(gòu)框圖

蓄電池組模塊控制單元作為監(jiān)測系統(tǒng)的中間部分，是單體檢測單元和總成控制單元通信的橋梁，主要具有以下功能:

1)通過CAN總線完成與單體檢測單元的通訊，實(shí)現(xiàn)各單體電池電壓溫度數(shù)據(jù)的獲取;

2)采用霍爾電流傳感器通過電流檢測電路，實(shí)現(xiàn)蓄電池組充放電情況下電流的檢測;

3)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集到的電池電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心的總成控制單元;

4)通過液晶顯示電路對蓄電池組模塊內(nèi)的各單體電池的電壓、溫度、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示;

5)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警判斷和運(yùn)行狀態(tài)的提示。

2.2.1電流檢測電路

電流檢測電路用于檢測蓄電池組直流母線上的電流值，避免蓄電池組充放電時出現(xiàn)過流現(xiàn)象。電流檢測電路包括霍爾電流傳感器、參考電壓電路和AD采樣電路?；魻栯娏鱾鞲衅鬟x用TBC15DS5電流傳感器，該電流傳感器具有良好的線性關(guān)系，電流測量范圍為±48 A，測量精度為0.7%，響應(yīng)時間為500 ns，零電流輸出電壓為2.5 V，額定電流為±15 A，額定輸出電壓為2.5±0.625 V;參考電壓電路選用可控精密穩(wěn)壓源TL431芯片輸出參考電壓; AD采樣電路利用運(yùn)算放大器構(gòu)成的減法電路對霍爾電流傳感器輸出的電壓和參考電壓進(jìn)行差分放大，以達(dá)到提高電流檢測精度的目的。

具體的電流檢測電路如圖5所示，由HALL-IN端輸入的霍爾電流傳感器電壓信號和參考電壓電路輸出的2.5 V參考電壓，經(jīng)AD采樣電路進(jìn)行變換放大后，輸出AD0、AD1、AD2、AD3等4路模擬信號，該模擬信號與模塊MCU的AD轉(zhuǎn)換器的4個通道依次相連。模塊MCU根據(jù)自身AD轉(zhuǎn)換器的采樣范圍，通過程序選擇合適的模擬信號進(jìn)行采樣計(jì)算，求得蓄電池組直流母線電流值。

圖5　電流檢測電路

2.2.2電壓檢測均衡電路

為了簡化設(shè)計(jì)流程，縮短設(shè)計(jì)周期，本系統(tǒng)的ZigBee通訊選用市場上已出現(xiàn)的以CC2520芯片為核心的ZigBee通訊模塊，該通訊模塊支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。模塊MCU以SPI總線的形式與ZigBee通訊模塊進(jìn)行通訊，其通訊接口電路包括外部復(fù)位使能RESETn信號線、數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器使能VREG_EN信號線、4路SPI信號線和6路GPIO數(shù)據(jù)線。其中，模塊MCU的SPI1_SCK、SPI1_MISO、SPI1_MOSI信號分別與CC2520的串行時鐘信號SCLK、串行數(shù)據(jù)信號SO和SI相連;模塊MCU的PC4、PB0、PB1共3個I/O口分別與CC2520的片選信號CSN、數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器使能信號VREG_EN、外部復(fù)位使能信號RESETn相連;模塊MCU的PC6～PC11共6個I/O口依次與CC2520的GPIO0～GPIO5信號相連。具體的通訊接口電路如圖6。

圖6 ZigBee通訊模塊接口電路

2.3總成控制單元硬件設(shè)計(jì)

總成控制單元位于監(jiān)測系統(tǒng)的最上層，主要由總成MCU、ZigBee通訊模塊、報(bào)警電路和接口轉(zhuǎn)換電路組成。除接口轉(zhuǎn)換電路外，其余功能電路均與蓄電池組模塊控制單元的功能電路相同?？偝煽刂茊卧ㄟ^ZigBee通訊模塊接收各蓄電池組模塊控制單元發(fā)送的電池?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行解碼處理后對各蓄電池模塊運(yùn)行情況進(jìn)行異常判斷，由報(bào)警電路對異常模塊作出報(bào)警提示，接著通過接口轉(zhuǎn)換電路將得到的電池?cái)?shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心的PC機(jī)，由PC機(jī)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)的顯示和存儲。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要包括單體檢測單元程序設(shè)計(jì)、蓄電池組模塊控制單元程序設(shè)計(jì)、總成控制單元程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)界面設(shè)計(jì)4個部分?？紤]到程序的兼容性和可讀性［7］，采用C語言完成各功能單元程序的編寫，采用C#語言完成上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

3.1單體檢測單元程序設(shè)計(jì)

在單體檢測單元中，程序的主要功能包括: 1)將采集到的單體電池的電壓溫度信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到蓄電池組模塊控制單元; 2)從CAN總線網(wǎng)絡(luò)中接收來自蓄電池組模塊控制單元的均衡命令，實(shí)現(xiàn)電池電量的均衡。單體檢測單元的程序流程如圖7所示。程序開始后首先對單體檢測單元硬件進(jìn)行初始化，接著一方面查詢是否出現(xiàn)定時器中斷，出現(xiàn)定時器中斷后，下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令進(jìn)行電壓/溫度數(shù)據(jù)的采集，采集完畢后以CAN報(bào)文形式發(fā)送出去;另一方面通過判斷是否出現(xiàn)CAN接收中斷，進(jìn)行CAN報(bào)文的接收，對接收的CAN報(bào)文進(jìn)行解析處理后，再判斷是否含有電池電量均衡指令，進(jìn)行相應(yīng)的均衡操作。

圖7　單體檢測單元程序流程圖

3.2蓄電池組模塊控制單元程序設(shè)計(jì)

如圖8所示，程序首先對蓄電池組模塊控制單元的模塊MCU、ZigBee通訊模塊等硬件進(jìn)行相應(yīng)的初始化，然后檢測是否存在ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在檢測到ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在后，加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，總成控制單元的ZigBee設(shè)備將自動為其分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址;接著對蓄電池組模塊的充放電電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過CAN總線接收各單體檢測單元上傳的CAN報(bào)文，進(jìn)行報(bào)文讀取后，將各單體檢測單元的電壓、溫度、電流數(shù)據(jù)與設(shè)置的極限值進(jìn)行比較，若超限則對相應(yīng)的單體檢測單元進(jìn)行報(bào)警;最后對該模塊的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過液晶屏進(jìn)行顯示，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。

圖8　蓄電池組模塊控制單元程序流程圖

3.3總成控制單元程序設(shè)計(jì)

圖9為總成控制單元的程序流程圖。總成控制單元上電后同樣首先對硬件進(jìn)行初始化，然后創(chuàng)建新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待其他ZigBee節(jié)點(diǎn)加入，當(dāng)檢測到有新的ZigBee節(jié)點(diǎn)加入后，分配給該節(jié)點(diǎn)新的網(wǎng)絡(luò)地址，并發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令到該節(jié)點(diǎn);接著通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)依次接收各蓄電池組模塊上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理后判斷各蓄電池組模塊是否存在異常，若存在異常，則對異常模塊進(jìn)行報(bào)警，最后將各蓄電池組模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼后，通過串口發(fā)送到PC機(jī)。

圖9　總成控制單元的程序流程

3.4上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

文中上位機(jī)軟件使用C#高級語言在.NET平臺上進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，配合SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲和管理。用戶通過上位機(jī)軟件可以直觀的對后備電源的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

4　系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

系統(tǒng)功能測試主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)能否正常通訊的測試以及電池參數(shù)測量精度的測試。測試對象選擇了由8節(jié)標(biāo)稱電壓為3.2 V、容量為50 AH的磷酸鐵鋰單體電池串聯(lián)組成的蓄電池組模塊，通過上位機(jī)界面對蓄電池組模塊的各單體電池的電壓、溫度以及充放電電流等參數(shù)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)啟動后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)通訊正常，上位機(jī)界面可以正確地顯示蓄電池組模塊的電池參數(shù)數(shù)據(jù)。表1～3所示的測試結(jié)果分別為蓄電池組模塊8節(jié)單體電池的電壓、溫度和充放電電流3項(xiàng)電池參數(shù)的檢測值與實(shí)際值的對比。

《礦用隔爆(兼本安)型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求(試行)》中規(guī)定，礦用電源監(jiān)測系統(tǒng)對單體鋰離子蓄電池電壓、溫度和充放電電流的檢測誤差分別不大于0.5%、±2℃、2%。根據(jù)表1～3數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)正常工作時，能準(zhǔn)確完成各項(xiàng)監(jiān)測任務(wù)，并且各項(xiàng)電池參數(shù)測量精度均符合安標(biāo)的要求。

表1 8節(jié)單體電池電壓檢測值與實(shí)際值對比

表2 8節(jié)單體電池溫度檢測值與實(shí)際值對比

表3　蓄電池組模塊充/放電電流檢測值與實(shí)際值對比

5　結(jié)束語

文中將ZigBee無線通訊技術(shù)和CAN總線通訊技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一套兩級通信網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)的后備電源監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的無線通訊形式，在保證通信穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，有效地?cái)[脫了傳統(tǒng)有線通訊對監(jiān)測系統(tǒng)的束縛，使系統(tǒng)安裝維護(hù)更加方便。目前，該系統(tǒng)已在煤礦井下得以應(yīng)用，實(shí)際使用過程中，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠完成礦用后備電源各項(xiàng)監(jiān)測任務(wù)，對于保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

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［10］肖林京，張瑞雪，常龍，等.基于CAN總線的礦用新能源電機(jī)車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)，2013，32(5) : 64-66.

Design of mine back-up power wireless monitoring system
based on ZigBee and CAN bus

YU Pengjie，ZHANG Sen，YU Shuangmao

College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China

In order to guarantee the safe and reliable operation of downhole back-up power and to extend the life of the back-up power，a kind of mine back-up power wireless monitoring system based on ZigBee and CAN bus is designed.The overall design of the system is presented，the design of hardware circuit and software program of the main functional unit is introduced in the paper.The system combines the ZigBee communication network and CAN bus communication network，and builds a kind of two-stage communication network three-layer structure system architecture，which effectively guarantees the timeliness and accuracy of data transmission of the monitoring system.The practical results show that the monitoring system is stable，reliable，convenient，and easy to use.It has reached the desired goal，having a good practical value.

monitoring system; ZigBee; CAN bus; communication network; data transmission

TP277

A

1009-671X(2015) 04-058-06

10.3969/j.issn.1009-671X.201502003

2015-02-05.網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-27.

山東省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012GSF11606).

于鵬杰(1990-)，男，碩士研究生.

于鵬杰，E-mail: 1091679925@qq.com.