基于HAWKER蓄电池监测系统设计

摘要：文章在研讨ZigBee协议的基础上,从蓄电池监测的实际需求动身，规划了一种具有实用价值的蓄电池在线监测体系。该体系选用MSP430和LM3S8962和NRF905无线通信模块，经过自组织方法形成网络，具有可靠性高、节点本钱低、网络可扩展性好等长处，可为蓄电池安全作业供给技能确保。

关键词：蓄电池；远程监督；ZigBee；

1导言

当时电子科技的开展快速，电力体系、通信体系的安全安稳运转也日渐重要，而这些范畴的各种电子设备和设备得能够正常运转的前提便是可靠的电源。在设备正常作业中，如果突然断电，这将丢失很多的人民财产。[l]因此，为防止这一情况，确保人们的出产和生活安稳安全，备用或应急电源设备适应这一形势产生了。这些设备大多选用蓄电池作为直流备用电源，从体系安全、信息安全和供电安全角度来看，蓄电池有着极其重要的位置。由于具有容量大、电压安稳、免保护、无污染、无记忆效应、不腐蚀设备等特色，免保护铅酸蓄电池已被广泛运用于铁路、通信、电力、航空航天等范畴。[2-5]

蓄电池从出产化成进程、贮存进程甚至到运用进程都面临着很多问题。蓄电池出产化成进程即蓄电池的充放电进程，也是一个电能和化学能的转变进程。[7]由于出产工艺和材质的不均匀，形成电池功用的不一致，使得单体电池容量呈现了偏差。蓄电池组在充电与放电的整个进程中，尽管流过各个每个单体电池的电流一样，可是由于各单体电池的容量和功用以及化学特性不同，导致蓄电池组呈现严重的不均衡问题。此外，蓄电池在存储备用的阶段，是处于开路状况的，由于电池固有的化学特性，会产生自放电现象，这就需求对这些蓄电池进行定时检测，防止电量过低，影响蓄电池的正常运用。[8-11]当时，蓄电池现已成为电站、可再生能源发电体系、电动车等的重要组成部分，为确保这些体系安全可靠地运转，前提便是确保蓄电池的安全、安稳。因此，对蓄电池组运转状况进行在线监测，对进步蓄电池组的储能与变换效率，延伸运用寿命，具有很重要的经济与安全含义。

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经过RS232、RS485或者CAN总线等有线的方法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形成种种不方便。当多台设备需求读取电池信息时，也需求额外拉线。而且用户很难对电池从出产到运用完结全进程监测。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规划计划，该计划选用MSP430F149作为主操控器，根据ZigBee技能搭建无线网络，将收集的数据传输至主操控模块，实时监测蓄电池功用。

2ZigBee技能概述

ZigBee是IEEE802.15.4的扩展集，是一种近间隔、低速率、低功耗、低本钱、短时延的双向无线通信技能。[12,13]ZigBee技能的首要特色包含以下几个部分：

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

(2)短延时搜索设备：30ms；休眠激活：15ms；信道接入15ms；

(3)功耗低，在低耗电待机形式下，2节一般5号干电池可运用6个月以上；

(4)本钱低，Zigbee协议免专利费，由于ZigBee数据传输速率低，协议简略，所以大大降低了硬件本钱；

(4)网络容量大，每个ZigBee网络最多可支撑255个设备其间一个主控设备，其他是隶属设备。若是经过网络和谐器，网络最多可支撑超越64000个Zigbee节点

(5)有用规模小，有用掩盖规模10—75m之间，详细依据实际发射功率的大小和各种不同的运用形式而定；

(6)作业频段灵敏，运用的频段分别为2．4GHz、868MHz欧洲及915MHz美国，均为免执照频段。

(7)灵敏组网，经过网络和谐器主动树立网络

ZigBee网络结构[14]首要包含和谐器、路由器和终端设备。和谐器是一种特殊的全功用设备(FFD)也便是会聚节点，它能够完结ZigBee协议所设置的很多服务。而终端设备即收集节点可能是FFD，也可能是精简功用设备(RFD)。RFD是一个小的、简略的ZigBee协议节点，仅能够与FFD进行通讯，完结ZigBee协议所供给服务中的最小部分。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

本体系是依据MESH网状网络拓扑而规划的。MESH网络是一种特殊的、按接力方法传输的点对点网络结构，具有主动树立和保护的功用，无需人工干预。MESH网络中要求和谐器和路由器必须是FFD，而终端设备能够是FFD和RFD。因此在体系规划中，为每个蓄电池配备一个终端设备（RFD），运用蓄电池的UPS机房或者其他相对集中运用蓄电池的场所树立一个会聚节点（FFD），而在整个工厂或者车站树立一个主站（FFD）。这样蓄电池的数据就能够从收集节点经过会聚节点发送到主站上，然后完结了操作人员对蓄电池的远程监督。体系的层次结构如图2所示。

图2蓄电池监督体系层次结构图

3体系完结

本监测体系由收集节点和会聚节点组成，按功用划分为：数据收集、网络传输、数据转储、监测预警和调度管理。数据收集部分首要负责电压的数据收集。网络传输包含有线传输和无线传输，有线传输将收集的电压数据传输给收集模块，无线传输将网络节点的信息经过ZigBee收发模块传输到会聚节点。调度管理经过ZigBee技能负责对收集模块的节点ID号进行重新装备。监测预警功用由主控节点完结，收集收集节点发回的电压数据并经过LCD显现。数据转储部分由USB模块将收集的数据导入U盘，以便于上层分析软件分析数据。

4.1芯片选型

收集节点处理器选用TI公司的16位系列单片机MSP430。该芯片在电池供电的低功耗运用中具有独特的优势，其作业电压在1.8-3.6V之间，正常作业时功耗可操控在200μA左右，低功耗形式使可完结2μA甚至0.1μA的低功耗，MSP430具有十分高的集成度，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、很多的I/O端口及大容量的片内存储器，一般单片就能够满足大多数的运用需求。

会聚节点选用TI公司的根据ARMCortexTM-M3的高功用32位操控器LM3S8962。该芯片，作业频率为50-MHz，供给体系时钟（Sysclk），包含一个简略的24位写清零、递减、自装载（wrap-on-zero）计数器，同时具有灵敏的操控机制。同步串行接口（SSI）独立的发送和接纳FIFO，16位宽，8位深。10/100以太网操控器遵从IEEE802.3-2002规范，在100Mbps和10Mbps速率运作下支撑全双工和半双工的操作方法。

单片射频发射器芯片选用挪威Nordic公司推出的NRF905，作业电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），作业于433/868/915MHz3个ISM频道（能够免费运用）。NRF905能够主动完结处理字头和CRT（循环冗余码校验）的作业，可由片内硬件主动完结曼彻斯特编码/解码，运用SPI接口与微操控器通信，装备十分方便，其功耗十分低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接纳形式时电流为12.5mA。nRF905传输数据时为非实时方法，即发送端发出数据，接纳端收到后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU能够在需求时再到芯片中去取。nRF905每次的数据传输量最多为32B。

在特殊环境的数据测控运用中，无线数据传输现已越来越广泛地被运用，MSP430+nRF905的组合特别适合于低功耗，短间隔（100-200m）、小数据量的无线传输体系，MSP430CPU在低功耗运用方面有很大优势，nRF905无线收发芯片具有功耗低、操控简略、可主动处理字头和CRC校验的长处，两者结合组成的数据传输体系能够在很多产品中得到运用。

4.2节点硬件电路规划

节点硬件电路规划首要包含会聚节点和收集节点两部分。由于监测对象是机车蓄电池，电源可由蓄电池的电压经过DC/DC模块转换而来，简化体系对电源的规划。MSP430的UART模块可经过寄存器装备为通用异步串行口或SPI模块功用，这里装备为SPI模块，本体系选用的MCU是MSP430F149，在硬件规划时把MCU的SPI接口和NRF9051SPI接口相连即可，别的再选几个I/O口衔接NRF9051输出输出信号，如图3所示。

图3.收集节点接口框图

主控节点包含主操控芯片LM3S8962、USB模块、LCD显现模块、W25X32存储芯片、NRF905芯片和射频接纳发射模块。JTAG调试接口、NRF905芯片和射频接纳发射模块与收集节点接法相似，在此不再详述。MCU经过并口PA口与USB模块衔接，进步了对U盘的读写速度，减少了时间。由于程序对USB模块选用查询方法，所以不需求占用操控器的中断端口。MCU运用PB7和PB6衔接液晶显现屏LMS0192A的SI和SCL端口，模仿串行方法完结对LCD模块的操控。由于SPI接口被NRF905占用，故运用模仿方法完结对Flash存储芯片W25X32的操控。主控节点接口原理图如图4所示。

图4.会聚节点接口框图

4.3体系软件规划

体系软件规划首要包含收集节点发送接纳程序、电压收集程序、主操控器发送接纳程序、LCD显现程序、W25X32存储和读出程序、USB模块转储数据等。收集节点发送接纳程序流程如图5所示。

图5收集节点程序流程图

收集节点不断收集电压，然后等候会聚节点指令。当收集节点接纳到会聚节点信息后，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，并重新进入接纳状况；反之，收集节点将现场的数据打包，并发给主操控器，然后重新进入接纳状况。

会聚节点流程图如图6所示，主程序首要设定车次号和时间，便于数据分析，然后进入检测界面。主操控器不停地巡检蓄电池电压，当接纳到收集节点的数据后，比较两次的电压值，当契合要求时才存入存储器，节约存储空间。

图6会聚节点流程图

此外咱们在程序中留有USB接口，能够经过USB模块向U盘发送数据，这样其它上层设备就能够经过U盘对机车蓄电池电压进行分类归档树立专家数据库，以确保蓄电池的安全运转。其他程序在此不再详细叙述。

5实验结果

在试验验证中，运用四个收集节点对四节蓄电池进行监测，并运用个会聚节点将收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收集节点和经过优化规划后的收集第二代节点，中间一块板是会聚节点。图8是该电池监控体系在工业环境下实时丈量收集得到的蓄电池电压数据。设置会聚节点每两秒钟读取一次电池电压，体系在工业环境下正常作业。

图7收集节点和会聚节点实物图

图8收集电压数据

6定论

本蓄电池监测体系依据实际需求完结了蓄电池在线监测体系的全体架构规划和底层硬件的详细完结，较好地达到了预期目的,收集节点成功地收集到蓄电池实时数据，并经过无线传输，将数据传给会聚节点。传统蓄电池监测体系导线接头较多．需求较多监测节点、较短的传输延时和极低的功率消耗；另一方面，蓄电池监测需求收集的数据量较少。传输带宽需求不高。根据ZigBee的无线传感网络技能能组成灵敏的监测节点集群．契合导线接头温度的在线监测体系的要求．为体系完结供给了新的思路和方法。体系充分运用了ZigBee低速率、低功耗、低本钱和自装备的特色，不受数据线的影响，完结了间隔会聚节点100m规模内的蓄电池实时数据监测。为蓄电池质量分析、进步寿命和降低人力本钱供给了有力的技能确保。