基于ZigBee無線傳感網絡的電池狀態實時監控系統硬件設計

胡月

【摘要】隨著社會經濟的快速發展，蓄電池在通信、電力、車輛以及工業照明等領域得到了越來越廣泛的應用，開始扮演越來越重要的角色，因此蓄電池組的管理系統也變得越來越重要。要管理蓄電池組首先要獲取蓄電池組中每塊電池的參數和工作狀態，要獲取參數和工作狀態就要用到大量的傳感器，市場上的電池組管理系統通常都是用導線連接傳感器，從而獲得電池參數和工作狀況。這就帶來了接線繁瑣，布線困難的問題。使用無線傳感器網絡技術能夠解決上述問題，同時方便系統線路檢測及今后的擴容。使用無線傳感器網絡技術的電源監測系統有望在今后得到普及。在比較了主流的幾種無線傳感器網絡技術后，本文選擇采用ZigBee技術來設計系統。在本系統中，無線終端采集節點對電池組進行實時數據采集，通過中繼節點將數據轉發給上位機終端程序顯示，其他計算機可以通過客戶端程序看到這些數據。同時本系統還能夠通過調節均衡電路大電流低阻開關實現均衡充電，從而達到了對電池各項系數狀態進行監控和管理的目的。本文所實現的系統是 ZigBee 技術在電池管理系統控制中的一個應用實例。本文給出了傳感器節點硬件設計對于工業現場的電池組監測管理具有參考價值和借鑒意義。

【關鍵詞】ZigBee;無線傳感器網絡;蓄電池組均衡充電;監測管理系統

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

隨著計算機網絡結構的擴展，如今網絡中所應用的UPS不再只是單純的電源設備，而是逐步成為整個網絡中電源的管理中心，UPS也由最初的單純不間斷供電發展到今天的智能化、多功能。作為UPS心臟的蓄電池，對其工作狀態等參數的管理必不可少，但是市場上的電池監視管理系統存在大量的電池配線，接線繁瑣，布線困難等不足，而若使用無線傳感器網絡技術恰能解決這些問題。

無線傳感器網絡解決了布線困難、人員無法到達區域進行數據采集的問題，簡化了有線網絡所帶來的布線繁瑣、預設接口、線路檢測、擴容等一系列和傳輸途徑有關的繁瑣工作。本文設計了基于ZigBee的電池監測管理系統。在該系統中，無線終端采集節點對電池組進行實時數據采集，通過中繼節點將數據轉發給終端程序顯示，達到了對電池各項系數狀態進行監控管理的目的。

本文給出了基于 CC2530的實時數據采集方案。由TI公司生產的CC2530芯片，具有功耗低，外圍電路少，可靠性高等特點，滿足了ZigBee通信的需求。并可以通過相關的電流和通信模塊，完成電壓、溫度等數據的測量與傳輸。

本文所實現的系統是ZigBee技術在電池管理系統控制中的一個應用實例。經多次測試，系統運行穩定。對于電源監測工控領域，具有一定的參考價值和借鑒意義。

2.無線傳感器網絡及ZigBee無線通信協議

2.1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，

WSN）是由靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，其目的是感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋區域內感知對象的信息，并發送給用戶1。因無線傳感器網絡以無線通信網絡作為基礎，因此可以節省大量的數據線，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更方便靈活地獲取信息，進而更好地描述客觀世界，供人們進一步提高認知水準并更好地改造自然。無線傳感器網絡是目前信息科學領域中的一個新方向，與通信網絡、計算機信息等多個學科領域交叉，是一個跨學科的新興領域。

有別于傳統的Ad hoc網絡，無線傳感器網絡在兼具無中心、自組織、多條路由等特點的同時，更加注重能量、網絡規模等問題。因此無線傳感器網絡能夠在更加復雜、惡劣的野外環境中可靠地運行，因此目前無線傳感器網絡已經逐漸在國防軍事、環境監測、搶險救災等重要領域得到了廣泛應用，發展前景十分可觀。

2.2 ZigBee無線通信協議

ZigBee技術是一種新興的短距離、高可靠性、低速率、低成本的無線網絡技術，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現場自動化設備監測、住宅和建筑自動化、醫療傳感設備等場合。與常見的藍牙、WiFi等無線通信相比，ZigBee具有低速率、低功耗的特點;而與傳統的移動通信CDMA網絡、GSM網絡等不同，ZigBee專注于短距離的無線通信，且具有簡單可靠、低成本的優勢。正因為ZigBee有上述獨特的技術優勢，所以近年來ZigBee技術受到了越來越多的重視和應用。

3.基于ZigBee無線傳感網絡的電池狀態實時監控系統設計

3.1 無線傳感器監控系統總體結構

本方案中為了便于對鉛酸蓄電池組的各項信息，包括各個蓄電池單體的端電壓、溫度以及均衡開關等信息進行有效監控，需要構建傳感器網絡進行進行數據采集、處理以及傳輸。由于在實際應用環境如UPS中，蓄電池組通常位于單獨的機房且應用現場環境較為繁雜，若采用傳統的有線的傳感器網絡布線將帶來較為繁重的網絡建設負擔，也將不利于后期維護、升級等工作。無線傳感器網絡相對于傳統的有線傳感器網絡而言不需要繁瑣的布線工作，因此傳感器數據檢測、采集、傳輸等過程都不再受到空間環境的限制，可以在應用環境中靈活地進行布置。除此之外后期的維護等工作也將更加便利。

由于蓄電池組的電池單體較多，應用環境通常也較為惡劣，具有電磁干擾大，網絡安裝維護不方便等特點，因此對無線傳感器網絡提出了較高的要求。本方案采用了基于ZigBee的無線傳感器網絡進行相關數據的檢測、采集以及傳輸等工作。ZigBee協議標準具有功耗低、網絡容量大、數據傳輸安全可靠以及低成本等明顯優勢，因此可以充分滿足蓄電池組實時監控系統的各項要求。

3.1.1 無線傳感器網絡拓撲結構

本方案中鉛酸蓄電池組由12個蓄電池單體構成，網絡構成較為簡單，因此適宜采用星形網絡拓撲結構進行ZigBee無線傳感器網絡的構建，如圖所示。

如上圖所示，本方案所采用的無線傳感器網絡由一個ZigBee協調器和12個與蓄電池單體直接相連的ZigBee終端組成。其中ZigBee協調器負責建立、管理網絡、傳輸數據以及接受ZigBee終端的加入、離開等操作。各個ZigBee終端加入由協調器建立的網絡之后，主要負責在現場檢測采集各個蓄電池端電壓等數據，將數據發送至ZigBee協調器，并執行來自協調器的命令。

3.1.2 系統工作原理簡介

如上節所述，每個蓄電池單體均有一個ZigBee終端與之連接，ZigBee終端通過定時器周期性地采集蓄電池的端電壓、溫度等參數，同時將均衡開關的狀態信息也寫入發送數據幀內，通過由ZigBee協調器建立的ZigBee網絡將所采集的數據周期性地傳輸至ZigBee協調器。同時ZigBee協調器將來自ZigBee終端的數據通過USB數據線發送至PC機終端，通過PC端程序可以將各個蓄電池單體的性能等數據實時顯示出來。

與此同時，ZigBee協調器可以接受來自PC機的數據，并根據情況選擇向所有ZigBee終端廣播或者根據具體地址向特定的ZigBee終端轉發數據。

ZigBee協調器添加新的USART/USB轉接電路，將來自協調器芯片串行通信接口USART0或USART1的數據通過USB收發器發送至PC機。同時在PC機上通過驅動程序將PC機的USB口虛擬成COM口，在USB口接收到數據之后轉換成串行通信數據。通過這樣的設計，ZigBee協調器和PC機之間借助于USB的橋梁作用可以方便地傳輸串行數據，同時USB數據線也可以為協調器供電。USB接口通用性高的特點可以大大提高協調器與PC機連接的兼容性。

3.2 系統各節點硬件結構設計

本方案采用了基于ZigBee的無線傳感器網絡以及星形拓撲結構，所以整個傳感器網絡的節點可以劃分為：傳感器節點和協調器節點，除此之外還有PC端的設計。由于PC端主要涉及到軟件的編寫以及系統的調試，并不對PC機進行硬件結構設計，因此下文主要針對傳感器節點以及協調器節點的硬件結構設計進行闡述。

3.3 傳感器節點硬件結構設計

傳感器節點作為直接與現場設備相連接的設備，承擔著數據檢測、采集以及傳輸等任務，并且需要在復雜的現場環境中長時間運行工作。因此傳感器節點必須能夠滿足結構簡單、運行可靠、低功耗。低成本等需求。具體而言，傳感器節點必須能夠在復雜的環境中將現場數據準確無誤地進行檢測采集，然后通過穩定可靠地通信網絡將數據傳輸至協調器;同時傳感器節點的結構必須緊湊可靠，精簡不必要的接頭，保留必需的調試接口以及系統擴展所需的接口等。除此之外，傳感器節點與蓄電池單體直（下轉第138頁）（上接第136頁）接相連，承擔著控制均衡充電的任務，因此本方案在傳感器節點上添加了均衡電路，用以在充電過程中對蓄電池單體實施均衡充電。具體結構可由下圖表示：

（1）CC2530F256

本方案采用了德州儀器（TI）公司生產的CC2530芯片系列中的CC2530F256作為MCU模塊。CC2530系列芯片是基于2.4GHz 的片上系統解決方案，目前已經得到了廣泛應用。由于CC2530兼容IEEE 802.15.4協議，因此可以很方便地支持包括RemoTITM網絡協議、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和無線HART等的實現。

（2）電源模塊

本方案采用的CC2530F256需由3.3V的電源供電。但在實際應用環境中由于ZigBee節點能耗低，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。所以基于ZigBee的傳感器節點可直接從蓄電池單體取得電源，在保證傳感器節點能夠正常工作的情況下可以不再為傳感器節點單獨設置電池盒，既顯著減小了傳感器節點的體積，也有利于應用現場的安裝調試等工作。

由于實際應用中，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，特別是對于大部分串聯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而無法供CC2530F256芯片使用，因此必須對傳感器節點的電源模塊進行特殊設計，以保證在蓄電池單體端電壓變化范圍較大情況下仍能夠為CC2530F256芯片提供穩定的3.3V工作電壓。為此本方案傳感器節點的電源模塊采用了意法半導體公司（ST）生產的L6920型升壓芯片對外部電源電壓進行控制，以保證為CC2530F256芯片提供穩定的3.3V工作電壓。

4.總結和展望

4.1 總結

本文立足于UPS蓄電池實際應用基礎上，在對無線傳感器網絡以及ZigBee技術分析的基礎上，提出了ZigBee無線傳感器網絡技術的解決方案，以TI公司的微處理器CC2530為核心，設計實現了基于ZigBee的簡單無線傳感器網絡，并且解決方案結合了實時監控的實例，給出了相應的無線傳感器節點的具體硬件設計。

4.2 展望

本系統是ZigBee技術在UPS電池管理系統中的一個應用，因此在軟硬件的設計方面還有進一步完善的空間，可以就以下問題作為進一步的研究：

（1）在傳感器節點上設計多種傳感器接口，滿足用戶要求同時監測多個環境信息，如溫度、濕度、氣壓等要求，實現更多的參數監控，完善電池的監控體系。

（2）完善與終端PC通訊與命令控制系統。設計功能更全面、操作更簡單的交互式圖形界面，能夠輸出監測數據曲線，使監控過程更明了，更易于對數據進行分析比對。

（3）終端軟件尚未添加網絡功能，用戶未能通過局域網（LAN）實現數據共享和訪問的功能，可能會對數據的集成管理帶來不便，這也是今后值得繼續完善的軟件功能模塊。

參考文獻

[1]姚向華，楊新宇，等.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京：高等教育出版社，2012.1-2.

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[3]CC2530，A true system on chip solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee.Texas Instrument