基于ZigBee的蓄电池监测系统设计

基于ZigBee的蓄电池监测系统设计

马硕

(广东省输变电工程有限公司)

摘要：文章在研究ZigBee协议的基础上,从蓄电池监测的实际需要出发，设计了一种具有实用价值的蓄电池在线监测系统。该系统采用MSP430和LM3S8962和NRF905无线通信模块，通过自组织方式形成网络，具有可靠性高、节点成本低、网络可扩展性好等优点，可为蓄电池安全工作提供技术保障。

关键词：蓄电池；远程监视；ZigBee；

1引言

当前电子科技的发展快速，电力系统、通信系统的安全稳定运行也日渐重要，而这些领域的各种电子设备和装置得能够正常运行的前提就是可靠的电源。在设备正常工作中，如果突然断电，这将损失大量的人民财产。[l]因此，为防止这一情况，确保人们的生产和生活稳定安全，备用或应急电源设备顺应这一形势产生了。这些设备大多采用蓄电池作为直流备用电源，从系统安全、信息安全和供电安全角度来看，蓄电池有着极其重要的地位。由于具有容量大、电压稳定、免维护、无污染、无记忆效应、不腐蚀设备等特点，免维护铅酸蓄电池已被广泛应用于铁路、通信、电力、航空航天等领域。[2-5]

蓄电池从生产化成过程、储存过程甚至到应用过程都面临着很多问题。蓄电池生产化成过程即蓄电池的充放电过程，也是一个电能和化学能的转变过程。[7]由于生产工艺和材质的不均匀，造成电池性能的不一致，使得单体电池容量出现了偏差。蓄电池组在充电与放电的整个过程中，虽然流过各个每个单体电池的电流一样，但是由于各单体电池的容量和性能以及化学特性不同，导致蓄电池组出现严重的不均衡问题。此外，蓄电池在存储备用的阶段，是处于开路状态的，由于电池固有的化学特性，会产生自放电现象，这就需要对这些蓄电池进行定期检测，防止电量过低，影响蓄电池的正常使用。[8-11]当前，蓄电池已经成为电站、可再生能源发电系统、电动车等的重要组成部分，为保证这些系统安全可靠地运行，前提就是保证蓄电池的安全、稳定。因此，对蓄电池组运行状态进行在线监测，对提高蓄电池组的储能与变换效率，延长使用寿命，具有很重要的经济与安全意义。

所以对于有必要对起关键作用的蓄电池进行实时监测。而传统的电池监测设备都是通过RS232、RS485或者CAN总线等有线的方式进行监测数据的传递。电池位置移动或者更换电池时，由于有信号线的约束会造成种种不便。当多台设备需要读取电池信息时，也需要额外拉线。而且用户很难对电池从生产到使用实现全过程监测。针对蓄电池监测设备有线传输的缺陷，本文提出一种蓄电池在线监测节点设计方案，该方案采用MSP430F149作为主控制器，基于ZigBee技术搭建无线网络，将采集的数据传输至主控制模块，实时监测蓄电池性能。

2ZigBee技术概述

ZigBee是IEEE802.15.4的扩展集，是一种近距离、低速率、低功耗、低成本、短时延的双向无线通信技术。[12,13]ZigBee技术的主要特点包括以下几个部分：

(1)数据传输速率低，250kbps(2.4GHz)，40kbps(915MHz)，20kbps(868MHz)，专注于低速传输应用；

(2)短延时搜索设备：30ms；休眠激活：15ms；信道接入15ms；

(3)功耗低，在低耗电待机模式下，2节普通5号干电池可使用6个月以上；

(4)成本低，Zigbee协议免专利费，因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了硬件成本；

(4)网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备其中一个主控设备，其余是从属设备。若是通过网络协调器，网络最多可支持超过64000个Zigbee节点

(5)有效范围小，有效覆盖范围10—75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定；

(6)工作频段灵活，使用的频段分别为2．4GHz、868MHz欧洲及915MHz美国，均为免执照频段。

(7)灵活组网，通过网络协调器自动建立网络

ZigBee网络结构[14]主要包括协调器、路由器和终端设备。协调器是一种特殊的全功能设备(FFD)也就是汇聚节点，它可以完成ZigBee协议所设置的大量服务。而终端设备即采集节点可能是FFD，也可能是精简功能设备(RFD)。RFD是一个小的、简单的ZigBee协议节点，仅可以与FFD进行通讯，实现ZigBee协议所提供服务中的最小部分。而网络中的ZigBee协议路由器必须由FFD来构成。ZigBee的网络拓扑结构有星型网络、簇一树型网络和MESH网状网络，如图l所示。

图1Zigbee网络拓扑结构

本系统是根据MESH网状网络拓扑而设计的。MESH网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点网络结构，具有自动建立和维护的功能，无需人工干预。MESH网络中要求协调器和路由器必须是FFD，而终端设备可以是FFD和RFD。因此在系统设计中，为每个蓄电池配备一个终端设备（RFD），使用蓄电池的UPS机房或者其他相对集中使用蓄电池的场所设立一个汇聚节点（FFD），而在整个工厂或者车站设立一个主站（FFD）。这样蓄电池的数据就可以从采集节点经过汇聚节点发送到主站上，从而实现了操作人员对蓄电池的远程监视。系统的层次结构如图2所示。

图2蓄电池监视系统层次结构图

3系统实现

本监测系统由采集节点和汇聚节点组成，按功能划分为：数据采集、网络传输、数据转储、监测预警和调度管理。数据采集部分主要负责电压的数据采集。网络传输包含有线传输和无线传输，有线传输将采集的电压数据传输给采集模块，无线传输将网络节点的信息通过ZigBee收发模块传输到汇聚节点。调度管理通过ZigBee技术负责对采集模块的节点ID号进行重新配置。监测预警功能由主控节点完成，收集采集节点发回的电压数据并通过LCD显示。数据转储部分由USB模块将采集的数据导入U盘，以便于上层分析软件分析数据。

4.1芯片选型

采集节点处理器采用TI公司的16位系列单片机MSP430。该芯片在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势，其工作电压在1.8-3.6V之间，正常工作时功耗可控制在200μA左右，低功耗模式使可实现2μA甚至0.1μA的低功耗，MSP430具有非常高的集成度，通常在单个芯片上集成有12位的A/D、比较器、多个定时器，片内UART、看门狗、片内振荡器、大量的I/O端口及大容量的片内存储器，一般单片就可以满足大多数的应用需要。

汇聚节点采用TI公司的基于ARMCortexTM-M3的高性能32位控制器LM3S8962。该芯片，工作频率为50-MHz，提供系统时钟（Sysclk），包括一个简单的24位写清零、递减、自装载（wrap-on-zero）计数器，同时具有灵活的控制机制。同步串行接口（SSI）独立的发送和接收FIFO，16位宽，8位深。10/100以太网控制器遵循IEEE802.3-2002规范，在100Mbps和10Mbps速率运作下支持全双工和半双工的操作方式。

单片射频发射器芯片选用挪威Nordic公司推出的NRF905，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道（可以免费使用）。NRF905可以自动完成处理字头和CRT（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收端收到后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU可以在需要时再到芯片中去取。nRF905每次的数据传输量最多为32B。

在特殊环境的数据测控应用中，无线数据传输已经越来越广泛地被运用，MSP430+nRF905的组合特别适合于低功耗，短距离（100-200m）、小数据量的无线传输系统，MSP430CPU在低功耗应用方面有很大优势，nRF905无线收发芯片具有功耗低、控制简单、可自动处理字头和CRC校验的优点，两者结合组成的数据传输系统可以在很多产品中得到应用。

4.2节点硬件电路设计

节点硬件电路设计主要包括汇聚节点和采集节点两部分。由于监测对象是机车蓄电池，电源可由蓄电池的电压通过DC/DC模块转换而来，简化系统对电源的设计。MSP430的UART模块可通过寄存器配置为通用异步串行口或SPI模块功能，这里配置为SPI模块，本系统选用的MCU是MSP430F149，在硬件设计时把MCU的SPI接口和NRF9051SPI接口相连即可，另外再选几个I/O口连接NRF9051输出输出信号，如图3所示。

图3.采集节点接口框图

主控节点包括主控制芯片LM3S8962、USB模块、LCD显示模块、W25X32存储芯片、NRF905芯片和射频接收发射模块。JTAG调试接口、NRF905芯片和射频接收发射模块与采集节点接法类似，在此不再详述。MCU通过并口PA口与USB模块连接，提高了对U盘的读写速度，减少了时间。由于程序对USB模块采用查询方法，所以不需要占用控制器的中断端口。MCU利用PB7和PB6连接液晶显示屏LMS0192A的SI和SCL端口，模拟串行方式实现对LCD模块的控制。由于SPI接口被NRF905占用，故利用模拟方式实现对Flash存储芯片W25X32的控制。主控节点接口原理图如图4所示。

图4.汇聚节点接口框图

4.3系统软件设计

系统软件设计主要包括采集节点发送接收程序、电压采集程序、主控制器发送接收程序、LCD显示程序、W25X32存储和读出程序、USB模块转储数据等。采集节点发送接收程序流程如图5所示。

图5采集节点程序流程图

采集节点不断采集电压，然后等待汇聚节点命令。当采集节点接收到汇聚节点信息后，单片机核对节点ID号，如ID号不是本机则将其发送到与其相连通的下一级节点，并重新进入接收状态；反之，采集节点将现场的数据打包，并发给主控制器，然后重新进入接收状态。

汇聚节点流程图如图6所示，主程序首先设定车次号和时间，便于数据分析，然后进入检测界面。主控制器不停地巡检蓄电池电压，当接收到采集节点的数据后，比较两次的电压值，当符合要求时才存入存储器，节约存储空间。

图6汇聚节点流程图

此外我们在程序中留有USB接口，可以通过USB模块向U盘发送数据，这样其它上层设备就可以通过U盘对机车蓄电池电压进行分类归档建立专家数据库，以保证蓄电池的安全运行。其他程序在此不再详细叙述。

5实验结果

在试验验证中，使用四个采集节点对四节蓄电池进行监测，并使用个汇聚节点将采集节点的数据汇总保存，图7中上下两块夹在蓄电池上的电路板分别是第一代采集节点和经过优化设计后的采集第二代节点，中间一块板是汇聚节点。图8是该电池监控系统在工业环境下实时测量采集得到的蓄电池电压数据。设置汇聚节点每两秒钟读取一次电池电压，系统在工业环境下正常工作。

图7采集节点和汇聚节点实物图

图8采集电压数据

6结论

本蓄电池监测系统根据实际需要完成了蓄电池在线监测系统的整体架构设计和底层硬件的具体实现，较好地达到了预期目的,采集节点成功地采集到蓄电池实时数据，并通过无线传输，将数据传给汇聚节点。传统蓄电池监测系统导线接头较多．需要较多监测节点、较短的传输延时和极低的功率消耗；另一方面，蓄电池监测需要采集的数据量较少。传输带宽需求不高。基于ZigBee的无线传感网络技术能组成灵活的监测节点集群．符合导线接头温度的在线监测系统的要求．为系统实现提供了新的思路和方法。系统充分利用了ZigBee低速率、低功耗、低成本和自配置的特点，不受数据线的影响，实现了距离汇聚节点100m范围内的蓄电池实时数据监测。为蓄电池质量分析、提高寿命和降低人力成本提供了有力的技术保证。

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