基于STM32和ZigBee的UPS監控系統設計

金嘉煒

摘要：隨著計算機技術、通信技術、網絡技術的發展，各個領域要保障計算機信息網絡系統的安全、可靠運行，就離不開不間斷供電電源（UPS）。本文基于STM32單片機和ZigBee技術，運用傳感器實時監測UPS系統電池電壓、電流、溫度等參數[2]，并通過ZigBee無線網絡將數據傳輸到上位機，實現UPS充電電壓、電流、溫度以及充電時間等方面的實時監控。

關鍵詞：STM32;ZigBee;UPS;電池監控系統

Abstract： with the development of computer technology， communication technology and network technology， UPS is indispensable to ensure the safe and reliable operation of computer information network system in various fields. Based on STM32 Single-Chip Microcomputer and ZigBee technology， this paper uses sensors to monitor the battery voltage， current， temperature and other parameters of UPS system in real time， and transmits the data to the upper computer through ZigBee wireless network to realize the real-time monitoring of UPS charging voltage， current， temperature and charging time.

Keywords： STM32; ZigBee; UPS; battery monitoring system

0 引言

UPS即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件、穩壓穩頻輸出的電源保護設備。主要用于單臺計算機、計算機網絡系統或其他電力電子設備提供不間斷的電力供應。其基本原理是：市電輸入經整流器將交流變成直流，一方面給蓄電池組充電，另一方面為逆變器提供能量，再將直流電變成交流電。當發生故障時，另一路備用電源（旁路電源）經過轉換開關實現向負載供電。

隨著現代通信技術，計算機網絡技術，物聯網技術，大數據分析在實踐中的逐步應用，今后的UPS電源將向著智能化、網絡化的方向發展。在UPS電源的使用中，得到UPS電池的實時使用情況或數據能有助于更好的管理UPS系統，確保供電的穩定與可靠。本文基于STM32單片機和ZigBee技術[1]的UPS電池監控系統的設計[2]，保證UPS電池系統安全可靠的運行，具有一定的實際應用價值。

1 設計方案

UPS系統長時間運行，會導致產品溫度升高，電池老化等問題。因此，需要設計本系統實時監測UPS的電壓、電流、溫度以及充電時長等參數，以確保其安全可靠的運行。如圖1所示為設計的系統框圖[3]。在系統啟動后，各個終端自動組網。每個UPS作為一個節點，傳感器實時采集UPS電池的各類信息，通過串口傳遞到STM32F407微處理器，處理器將環境數據實時壓縮后通過ZigBee網絡傳輸給PC上位機。使系統具有實時信息監測、顯示運行狀態、儲存歷史數據，警報等功能。

2 硬件設計

整個系統的硬件以ZigBee模塊作為系統的核心，采用CC2530芯片。CC2530 結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存。CC2530具有多種不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。此外，不同運行模式之間的轉換時間較短，進一步確保了低能耗。CC2530結合了業界領先的黃金單元ZigBee協議棧，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案[2]。進行多節點組網時，先對本節點所用的硬件及協議棧的初始化，然后開始搜索指定信道上的網絡協調器，并發出連接請求。建立連接成功后，測溫節點將得到一個 16位的網絡短地址，通過競爭取得信道使用權，向協調節點發送數據。

在本系統中，由于ZigBee傳輸信道較窄，在多個終端節點采集節點同時進行數據采集時，需要對采集到的數據進行壓縮后再傳輸，因此采用STM32F407微處理器完成數據的壓縮處理、A/D轉換以及以太網模塊的控制。STM32F407是基于Cortex-M4內核的微處理器，工作頻率為168MHz，片上包含1MB程序存儲器，192+4KB的RAM，具有超低動態功耗。在 VBAT模式下，典型RTC小于1A，適合低電壓或電池供電的應用，僅需少量外圍電路即可正常工作。

3 軟件設計

本系統軟件程序的設計采用模塊化方式，包括終端采集節點程序設計、基于CC2530的程序設計、上位機程序設計。

3.1 終端采集節點程序設計

終端采集節點由UPS電池、各類傳感器、STM32F407以及ZigBee模塊組成。其功能是利用傳感器把UPS電池運行狀態的各類信息用模擬量代換，STM32F407運行ADC程序[4]，將模擬量轉換為數字量并通過ZigBee模塊向外發送數據。終端采集節點程序流程圖如圖2所示。

3.2 基于CC2530的程序設計

ZigBee_CC2530為本系統信息的發送和接收單元。首先需給協調器供電，搭建新的網絡并進行管理。協調器節點上電后，首先進行能量檢測，如果沒有網絡存在，那么就配置網絡協調器，然后選擇信道、分配PNA ID和短地址，初始化網絡完成。若發現已存在網絡，發送入網請求。然后，各個ZigBee節點按照節點本身功能的需要選擇性來搭建和加入網絡。ZigBee協議棧提供相應的函數進行數據的收發[5]。當數據成功發送給協調節點后該節點立即進入睡眠狀態，最大程度地降低功耗，延長節點電池使用時間[6]。ZigBee節點程序流程圖如圖3所示。

3.3 上位機程序設計

上位機軟件主要功能包括系統管理、數據通信、信息顯示、UPS設置、數據管理。上位機從下位機讀取電池組信息，包括每個單體電池的電壓、電流、溫度以及報警保護信息等。用戶可以實時的查看當前每個電源的電池詳細狀況。UPS上位機能夠設置系統運行的過程參數，這些參數包括高壓報警上限、低壓報警下限、電流過載上限設置等等，以滿足對UPS電源狀態的監控。數據管理模塊主要負責將監控到的UPS電源狀態信息存儲到數據庫中，并提供訪問查詢歷史數據功能。

4 結語

本文分析了基于STM32和ZigBee的UPS電池監控系統設計要求和功能模塊，利用CC2530模塊、STM32單片機和傳感器，實現UPS電池使用情況的實時顯示和安全管理，得到的大量數據可以通過統計分析，優化UPS系統的使用和分配，具有一定的實際應用價值。促進UPS電池監控系統朝著智能化、自動化、網絡化方向發展。

參考文獻

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