陳劍

摘要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，UPS（不間斷電源）在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越受寵，如今UPS儼然已成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的供電核心系統(tǒng)，UPS的功能也得到了不斷的豐富，變的越來越智能化了。蓄電池是整個(gè)UPS系統(tǒng)的心臟，因此對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)等參數(shù)的監(jiān)管就顯得格外重要。于是該文適時(shí)地提出了一個(gè)基于ZigBee的電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)里，首先無線終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集蓄電池的電池組狀態(tài)參數(shù)，接著再將采集得到的數(shù)據(jù)通過中繼節(jié)點(diǎn)傳送給終端程序，最后再由終端程序?qū)Σ杉玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，如此電池組的各項(xiàng)系數(shù)狀態(tài)盡在掌控之中，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

關(guān)鍵詞：ZigBee；蓄電池；CC2530；實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP334文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)22-5337-04

Hardware Design for Battery Real-time Monitoring Based on ZigBee

CHEN Jian

(Chinese-German School for Postgraduate Studies, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: The rapid development of computer technology has hugely promoted the development of computer network structure. UPS(Uninterruptible Power System) plays an increasingly important role in the application of computer network. And now UPS has already become the core Power System in the computer network. The function of UPS has also been constantly enriched and become more and more intelligent. The battery is the heart of the entire UPS system, therefore it is particularly important to supervise the battery status. So this article designs in a timely manner a ZigBee-based battery state monitoring system. Firstly, the wireless terminal acquisition node get the real-time data of the battery parameters status, and then the collected data is transmitted to the host computer program through the relay node, finally, the collected data is handled by the host computer. So the coefficient status of the battery pack is all in control, and then we can achieve the purpose of real-time monitoring.

Key words: ZigBee; Battery; CC2530; real-time monitoring system

UPS( Uninterruptible Power System，即不間斷電源系統(tǒng))，是一種能持續(xù)提供能量的裝置，能夠恒壓恒頻地不斷地輸出電流，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)高度發(fā)展的今天，UPS在IT行業(yè)被人們稱為信息的保護(hù)神。但在我國(guó)卻沒有得到太多人的重視，因此對(duì)UPS電池管理系統(tǒng)的研究并不是很多。但是隨著節(jié)能減排、低碳生活等生活理念的倡導(dǎo)與傳播，很多高校和動(dòng)力電池公司紛紛投入大量的人力物力，著手開始研究此類的電池管理系統(tǒng)，并且已經(jīng)小有突破。憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)UPS必定會(huì)越來越受到人們的青睞。當(dāng)下國(guó)際電學(xué)理論界、電源企業(yè)研究的重中之重是如何才能盡早發(fā)現(xiàn)有問題的衰竭的電池，如何才能使電池組持久穩(wěn)定地工作，并且能一直運(yùn)行在正確的參數(shù)配置下，如何才能盡可能地延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

1本方案的設(shè)計(jì)理念

本方案的設(shè)計(jì)初衷是：設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee的電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，來更好地管理電池組的工作，使其發(fā)揮最大的能量。市電中斷的時(shí)候正是UPS發(fā)揮本領(lǐng)的時(shí)候，UPS能夠接替市電提供電力。UPS的動(dòng)力來源是進(jìn)行蓄電池組的逆變換。人們必須實(shí)時(shí)了解UPS中電池組的運(yùn)行狀態(tài)，因此電池監(jiān)視管理系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。使UPS中的蓄電池組件一直工作在最佳狀態(tài)，這就是電池監(jiān)視管理系統(tǒng)的目的。具體方法是采集各電池組的電壓、電流以及溫度，對(duì)電池組進(jìn)行有效的管理和能量監(jiān)控，最終的目的是能夠高效的使用電池。

蓄電池是UPS的核心，具有舉足輕重的作用，蓄電池的好壞直接影響UPS的功能，因此，如何選用蓄電池，選用什么樣的蓄電池是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。當(dāng)前在UPS中廣泛使用的蓄電池是閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池.,閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池有其自身技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)：基本無自放電現(xiàn)象、體積小、適合在高溫震動(dòng)的條件下使用，此外它的理論供電時(shí)間比較長(zhǎng)，相當(dāng)于普通電池的兩倍，而且在使用壽命內(nèi)基本不用補(bǔ)充蒸餾水，可以說閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池是一款高性能的電池。但是再高性能的蓄電池也有使用周期，因此必須采用電池監(jiān)視管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行管理和監(jiān)控，使其能更加高效地發(fā)揮作用，延長(zhǎng)使用壽命?？梢哉f電池監(jiān)視管理系統(tǒng)對(duì)蓄電池是至關(guān)重要的，它能全面監(jiān)測(cè)電池的各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)電池的當(dāng)前狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的改變?？傊讼到y(tǒng)的目的就是要保證電池安全高效的工作，并盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命。一套完整的優(yōu)秀的管理系統(tǒng)可以為電池保駕護(hù)航，能使電池發(fā)揮最大的能量，相反，一套不完善的管理系統(tǒng)卻能阻礙電池的工作，縮短電池的使用壽命。因此，我們必須開發(fā)出一套完善的管理系統(tǒng)。

鑒于這種理念，并結(jié)合實(shí)際蓄電池生產(chǎn)狀況，該文設(shè)計(jì)了一種利用ZigBee無線技術(shù)優(yōu)勢(shì)來服務(wù)管理UPS電池狀態(tài)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要職責(zé)是實(shí)時(shí)監(jiān)控并掌握電池組在各個(gè)不同狀態(tài)下的電壓值，電流值和溫度值的變化，接著將采集得到數(shù)據(jù)利用ZigBee無線通信技術(shù)發(fā)送到上位機(jī)PC端。最后上位機(jī)將采集得到數(shù)據(jù)加以整合分析。并最終以圖像的方式將結(jié)果顯示出來。因此最終整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)PC端軟件。

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布在各個(gè)蓄電池的電池組中，易于實(shí)時(shí)地對(duì)電池組參數(shù)狀態(tài)的變化進(jìn)行采集與監(jiān)控。而中繼節(jié)點(diǎn)是以數(shù)據(jù)臨時(shí)寄存器的方式存在的，采集得到的第一手?jǐn)?shù)據(jù)就是通過ZigBee無線通信技術(shù)首先傳送并存放在中繼節(jié)點(diǎn)上，緊接著中繼節(jié)點(diǎn)就將多個(gè)存放著的數(shù)據(jù)一并通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)上。計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后就會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析處理，最后將分析結(jié)果以圖形化的方式顯示出來。圖形化的操作接口可以使用戶輕而易舉地掌控電池組各項(xiàng)參數(shù)狀態(tài)的變化，方便用戶對(duì)電池的狀態(tài)做出判斷并進(jìn)行維護(hù)。

2 ZigBee的相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器三個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成。并且此傳感器節(jié)點(diǎn)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(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，需要將分布在各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)所得到的信息加以采集，這時(shí)每個(gè)傳感器都會(huì)把得到的數(shù)據(jù)先傳送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會(huì)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(huì)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(duì)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(shí)，這時(shí)就需要路由器的幫忙來增加傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

離線工作模式：當(dāng)用戶沒有數(shù)據(jù)需求時(shí)，傳感器只進(jìn)行簡(jiǎn)單的信道掃描，以減少能量的消耗。當(dāng)需要對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行離線采集時(shí)，傳感器和協(xié)調(diào)器是分離工作的。傳感器會(huì)將采集得到的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在節(jié)點(diǎn)的Flash中。當(dāng)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，位于協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的傳感器就會(huì)把暫時(shí)存放在Flash中的數(shù)據(jù)通過串口逐級(jí)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(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。

圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1主控芯片和射頻發(fā)射器的選擇

針對(duì)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，我們選擇了德州儀器公司生產(chǎn)的ZigBee CC2530芯片。

CC2530是一塊適用于2.4-GHz的IEEE 802.15.4、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(diǎn)。CC2530有許多自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：它吸收了RF收發(fā)器的良好性能，有著強(qiáng)悍的8051 CPU，8-KB RAM，并且其系統(tǒng)閃存是可編程的。CC2530的運(yùn)行模式不盡相同，所以CC2530非常適用于對(duì)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(shí)間是微乎其微的，這進(jìn)一步減少了該芯片對(duì)功耗的要求。

3.2相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)

除了以CC2530為核心的開發(fā)板（DB板）外，還需要一個(gè)終端評(píng)估板（EP板）。EP板上的相關(guān)電路可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)到電池模塊的相關(guān)參數(shù)，以下我們就將討論相關(guān)的硬件電路的設(shè)計(jì)和功能問題。

1)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）。

圖2 L6920芯片示意圖

通過L6920的典型的外部電路設(shè)計(jì)連接，可以使輸入為1.5V左右的直流電壓升高為3.3V左右。下圖為L(zhǎng)6920的典型應(yīng)用電路：

圖3 L6920的典型應(yīng)用電路

2)以LR3410為核心的大電流旁路電路設(shè)計(jì)

圖4 LR3410大電流旁路電路

3.3 EP（End Point）板PCB的設(shè)計(jì)

EP板的PCB設(shè)計(jì)采用了雙面板，背面覆銅，電感、電容等元器件均按照技術(shù)手冊(cè)要求緊密排序，盡可能減少分布參數(shù)對(duì)性能的干擾影響，對(duì)接地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行敷銅.通過多個(gè)過孔保證頂層和底層充分接地。以下為EP板的PCB設(shè)計(jì)圖以及成型后的EP板圖：

圖5 EP板的PCB設(shè)計(jì)圖以及成型后的EP板

4實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

基本測(cè)溫測(cè)電壓實(shí)驗(yàn)

選取一個(gè)用電池供電傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備和一個(gè)用PC機(jī)UBS電源供電的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備，來完成較簡(jiǎn)單的組網(wǎng)以及溫度、電壓數(shù)據(jù)采集傳送實(shí)驗(yàn)。傳感器節(jié)點(diǎn)記錄溫度、電壓數(shù)據(jù)，并將它發(fā)送給協(xié)調(diào)器，最終通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)入PC機(jī)顯示。

4.1集成開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用的開發(fā)軟件是IAR Embedded Workbench(EW8051)，這是一種用途非常廣的Z-Stack協(xié)議棧。IAR Embedded Workbench用于對(duì)C語(yǔ)言、匯編和PLM編寫的嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行編輯、編譯及仿真，支持CC2530程序的編譯以及在線調(diào)試。

仿真器/調(diào)試器使用ARMSKY-CC2430x-Debugger，它支持TI CC2530/CC2531片上系統(tǒng)芯片，可與IAR 8051集成開發(fā)環(huán)境無縫連接，具有代碼高速下載、在線調(diào)試、斷點(diǎn)、單步、變量觀察、寄存器觀察等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2530/CC2531片上系統(tǒng)芯片的實(shí)時(shí)在線仿真、調(diào)試。

ZigBee協(xié)議分析儀使用ARMSKY-General Packet Sniffer。利用這種分析儀再?gòu)?fù)雜的協(xié)議都可以得到全面的解碼，并且其調(diào)試速度非常快。該協(xié)議分析儀還能分析以及解碼在PHY, MAC, NETWORK/SECURITY, APPLICATION FRAMEWORK和APPLICATION PROFILES等各層協(xié)議上的信息包，且能及時(shí)指出傳送出錯(cuò)的信息包。它還有獨(dú)立的工作模式，使網(wǎng)點(diǎn)中的節(jié)點(diǎn)不會(huì)受到分析儀的影響。

SmartRF Flash Programmer工具軟件可以通過Debugger來編程TI公司的片上系統(tǒng)微控制器的Flash存儲(chǔ)器?？梢宰x取和寫入器件的IEEE地址。當(dāng)該軟件連接上一種設(shè)備后，在設(shè)備列表中人們就能一眼看到CC2530指定的目標(biāo)文件路徑.人們只要選擇要執(zhí)行的操作，然后點(diǎn)擊“Perform action”，Hex文件就會(huì)被寫入到系統(tǒng)中來，因此使用起來還是非常方便的。

4.2組網(wǎng)測(cè)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(hào)。本次實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)，則會(huì)顯示出不同的設(shè)備通信地址。

4.3溫度電壓檢測(cè)測(cè)試

打開PC機(jī)終端的監(jiān)測(cè)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(xiàng)，便可以直觀的觀察到單個(gè)電池的電壓、溫度信息。

5結(jié)束語(yǔ)

該文立足于UPS蓄電池實(shí)際應(yīng)用基礎(chǔ)，在對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及ZigBee技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控解決方案，并以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)單無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。最后該解決方案還結(jié)合了實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)例，給出了相應(yīng)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的具體硬件設(shè)計(jì)?？梢哉f無線技術(shù)的快速發(fā)展給UPS技術(shù)的突破帶來了無窮的契機(jī)，因此，本人認(rèn)為ZigBee技術(shù)在電源領(lǐng)域中的應(yīng)用具有非常值得期待的發(fā)展前景。

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