基于ZigBee技術(shù)UPS電池狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

徐紅泉 徐擁華

【摘 ?要】本系統(tǒng)提出了應(yīng)用ZigBee技術(shù)無線組網(wǎng)的方式解決UPS電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，解決了采集線路復(fù)雜、老化等問題，避免了現(xiàn)有技術(shù)的不足，幫助運行人員及時了解UPS蓄電池的工作狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】ZigBee;UPS;狀態(tài)采集

引言

本系統(tǒng)針對電網(wǎng)現(xiàn)有的UPS電池狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用有線傳輸而進(jìn)行的改進(jìn)，現(xiàn)有技術(shù)存在采樣線路復(fù)雜，施工難度大，長時間運行線路易老化，發(fā)生短路、斷路等故障，給UPS的運行維護(hù)造成很大困難。嚴(yán)重的還會引起火災(zāi)等事故。本系統(tǒng)提出了應(yīng)用ZigBee技術(shù)無線組網(wǎng)的方式解決UPS電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，避免了現(xiàn)有技術(shù)的不足。

1.ZigBee技術(shù)概述

ZigBee是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，與藍(lán)牙技術(shù)類似。雖然，藍(lán)牙技術(shù)具有很多優(yōu)點，但隨著該技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，其缺點也逐漸開始暴露。對許多工業(yè)監(jiān)測與家庭智能控制來說，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，且無線通信距離近和組網(wǎng)規(guī)模小等。藍(lán)牙技術(shù)的這些缺點，加劇了工業(yè)控制市場對低成本、低功耗無線數(shù)據(jù)通信的需求。當(dāng)然，對于工業(yè)控制領(lǐng)域，這種無線通信技術(shù)必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，Zigbee協(xié)議在2003年正式問世。ZigBee協(xié)議是在傳統(tǒng)無線協(xié)議無法適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、低能量、高容錯性等要求的情況下產(chǎn)生的。

ZigBee聯(lián)盟成立于2002年8月，起初由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成，現(xiàn)在，已經(jīng)吸引了上百家芯片公司和無線設(shè)備公司加入。ZigBee聯(lián)盟主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作，IEEE802.5.4工作組負(fù)責(zé)制定底層協(xié)議，即物理層和MAC層的協(xié)議。

2.采集UPS蓄電池狀態(tài)信息的必要性

UPS系統(tǒng)是各類信息機(jī)房的核心基礎(chǔ)設(shè)施，特別在電力系統(tǒng)等特殊行業(yè)有著重要地位，蓄電池的安全運行及壽命直接威脅系統(tǒng)安全，因此做好蓄電池的信息采集，提高蓄電池運行安全及壽命，具有重要意義。影響蓄電池安全及壽命的主要因素有：

1）自放電。蓄電池由于自身的原因構(gòu)成了放電回路，如電池內(nèi)部極板短路、外部正負(fù)極絕緣狀況不良等，造成的容量損失，叫做蓄電池的自放電。

2）電池溫度。溫度是蓄電池的一個重要參數(shù)。蓄電池的容量受溫度影響較 大，隨著電池溫度的升高，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)會明顯加快，此時蓄 電池的容量隨溫度的升高而增加。但是溫度過高，效果也不好，甚至?xí)?yán)重?fù)p害 蓄電池的壽命。

3）電池內(nèi)阻。電池內(nèi)阻一般在50.70微歐，其可分為極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻 兩部分。極化內(nèi)阻是由電化學(xué)極化和濃差極化引起，電池在充放電時所發(fā)生的化 學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻受很多因素影響，如電極材料、隔膜以及結(jié)構(gòu)等。目前，大量研究資料及文獻(xiàn)都表明，電池內(nèi)阻與電池荷電狀態(tài)相關(guān)，且與電池荷 電狀態(tài)成近似反比關(guān)系。

4）電池壽命。電池壽命是指在一定放電條件下，電池容量降至某一規(guī)定容 量之前，電池所能承受的循環(huán)次數(shù)。其中，循環(huán)是指電池經(jīng)歷一次充電和放電過 程。隨著電池使用次數(shù)的增加，電池容量會不斷減少。有相關(guān)文獻(xiàn)指出，電池內(nèi)阻和電池壽命存在一定關(guān)系。

5）電池充放電的不均衡性。由于實際應(yīng)用中，蓄電池大都采用串聯(lián)方式連接。電池在制造差異、工作環(huán)境、初始容量等方面的差異，會引起蓄電池組中的某些單體電池出現(xiàn)過充電和過放電現(xiàn)象。電池充放電的不均衡性進(jìn)一步影響這些電池的壽命和容量，甚至讓整個蓄電池組不能正常工作。

3.有線方式采集蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)的弊端

傳統(tǒng)的蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均采用有線方式傳輸，其布線方式基本上都是在每節(jié)電池上安裝采集傳感器，每個傳感器通過線路匯集到集采裝置，再將所有集采裝置通過匯集到采集工控機(jī)，已實現(xiàn)所有蓄電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)有線方式實現(xiàn)簡單，但由于蓄電池本身的特點及運行環(huán)境的特殊性，有線采集方式存在以下問題：

（1）施工難度大。蓄電池一般都集中安裝于機(jī)柜或機(jī)架中，空間小，施工難度大，布線困難，布線過程中也不安全。

（2）運行不安全。蓄電池長時間運行后，容易損壞，內(nèi)阻升高，發(fā)熱。這樣，敷設(shè)在蓄電池上的線纜很容易老化，嚴(yán)重的還可能發(fā)生短路，甚至火災(zāi)，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全。

（3）運行維護(hù)成本高。線路及組件容易老化，更換成本高，檢修不方便，造成總體維護(hù)成本高。

4.基于ZigBee技術(shù)的蓄電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案

1、ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)搭建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器三個子節(jié)點組成。并且此傳感器節(jié)點有兩種工作模式：即在線采集模式和離線工作模式。

所謂的在線采集模式，就是當(dāng)用戶請求數(shù)據(jù)時，需要將分布在各個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點所得到的信息加以采集，這時每個傳感器都會把得到的數(shù)據(jù)先傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會把收到的信息加以集中整合，然后再通過串口把信息傳送給Pc機(jī)，Pc機(jī)將數(shù)據(jù)處理后就會以圖形化的方式顯示給用戶，用戶就可以根據(jù)得到的信息對電池的工作狀態(tài)加以判斷和調(diào)整，使電池工作在最佳狀態(tài)。但是當(dāng)傳感器周圍的障礙物太多或者傳感器離協(xié)調(diào)器太遠(yuǎn)時，這時就需要路由器的幫忙來增加傳輸?shù)目煽啃?。離線工作模式：當(dāng)用戶沒有數(shù)據(jù)需求時，傳感器只進(jìn)行簡單的信道掃描，以減少能量的消耗。當(dāng)需要對環(huán)境信息進(jìn)行離線采集 時，傳感器和協(xié)調(diào)器是分離工作的。傳感器會將采集得到的數(shù)據(jù)暫時存放在節(jié)點的Flash中。當(dāng)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)請求時，位于協(xié)調(diào)器 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的傳感器就會把暫時存放在Flash中的數(shù)據(jù)通過串口逐級傳送給PC機(jī)，如此用戶就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，這可以 使用戶對環(huán)境的監(jiān)測信息進(jìn)行動態(tài)跟蹤。

針對ZigBee的網(wǎng)絡(luò)特點，采用德州儀器公司生產(chǎn)的ZigBeeCC2530芯片。CC2530是一塊適用于2.4GHz的IEEE802.15.4、ZigBee芯片。當(dāng)然它同樣可以應(yīng)用于RF4CE系統(tǒng)。CC2530足以支撐起龐大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530有許多自身的技術(shù)優(yōu)勢：它吸收了RF收發(fā)器的良好性能，有著強悍的8051CPU，8-KBRAM，并且其系統(tǒng)閃 存是可編程的。CC2530的運行模式不盡相同，所以CC2530～常適用于對低功耗要求非常高的系統(tǒng)。而且其模式之間的轉(zhuǎn)換所需 要的時間是微乎其微的，這進(jìn)一步減少了該芯片對功耗的要求。

以L6920為核心的升壓電路。L6920是一種集成電路放大器，通過震蕩放大的原理將輸入的直流低壓升高為高電壓（Ac，Dc轉(zhuǎn)換）。速度非?？?。通過L6920的典型的外部電路設(shè)計連接，可以使輸入為 1.5V左右的直流電壓升高為3.3V左右。

2、組網(wǎng)測試

1）先用 PC機(jī) USB端口給協(xié)調(diào)器供電后，選擇正確COM端口。打開PC機(jī)的設(shè)備管理器，找到協(xié)調(diào)器所占用的端口號。本次實驗協(xié)調(diào)器所占用的端口是COM2。

2）可使用串口調(diào)試軟件來進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。打開串口調(diào)試助手，選擇COM2，并將波特率調(diào)整成 38400。

3）給傳感器節(jié)點上電，LED綠燈閃爍后不久，發(fā)現(xiàn)串口調(diào)試軟件顯示了數(shù)據(jù)，則表明組網(wǎng)通信成功。

4）若打開更多的節(jié)點，則會顯示出不同的設(shè)備通信地址。

3、溫度電壓檢測測試

打開PC機(jī)終端的監(jiān)測軟件，將串口設(shè)置為COM2。

確定后，打開“電池組狀態(tài)監(jiān)控”選項，便可以直觀的觀察到單個電池的電壓、溫度、內(nèi)阻信息。

5.結(jié)語

該系統(tǒng)創(chuàng)新的將ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于UPS電池狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，同時采用單體電池采樣，避免蓄電池組中的某些單體電池出現(xiàn)過充電和過放電現(xiàn)象。電池充放電的不均衡性進(jìn)一步影響這些電池的壽命和容量。該系統(tǒng)在某地區(qū)電網(wǎng)自動化中心機(jī)房已投入運行一年多，運行效果良好，可靠安全，提升了UPS蓄電池的運維效率，有極大的推廣價值。

（作者單位：1.國網(wǎng)浙江省電力公司衢州供電公司）