基于STM32和ZigBee的UPS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金嘉煒

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域要保障計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，就離不開不間斷供電電源（UPS）。本文基于STM32單片機(jī)和ZigBee技術(shù)，運(yùn)用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)UPS系統(tǒng)電池電壓、電流、溫度等參數(shù)[2]，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)UPS充電電壓、電流、溫度以及充電時(shí)間等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：STM32;ZigBee;UPS;電池監(jiān)控系統(tǒng)

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(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件、穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。主要用于單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其他電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。其基本原理是：市電輸入經(jīng)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(dāng)發(fā)生故障時(shí)，另一路備用電源（旁路電源）經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)向負(fù)載供電。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大數(shù)據(jù)分析在實(shí)踐中的逐步應(yīng)用，今后的UPS電源將向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。在UPS電源的使用中，得到UPS電池的實(shí)時(shí)使用情況或數(shù)據(jù)能有助于更好的管理UPS系統(tǒng)，確保供電的穩(wěn)定與可靠。本文基于STM32單片機(jī)和ZigBee技術(shù)[1]的UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]，保證UPS電池系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)方案

UPS系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品溫度升高，電池老化等問題。因此，需要設(shè)計(jì)本系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)UPS的電壓、電流、溫度以及充電時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)，以確保其安全可靠的運(yùn)行。如圖1所示為設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖[3]。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，各個(gè)終端自動(dòng)組網(wǎng)。每個(gè)UPS作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳感器實(shí)時(shí)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(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給PC上位機(jī)。使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)、顯示運(yùn)行狀態(tài)、儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)，警報(bào)等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件以ZigBee模塊作為系統(tǒng)的核心，采用CC2530芯片。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存。CC2530具有多種不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。此外，不同運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，進(jìn)一步確保了低能耗。CC2530結(jié)合了業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案[2]。進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，先對(duì)本節(jié)點(diǎn)所用的硬件及協(xié)議棧的初始化，然后開始搜索指定信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并發(fā)出連接請(qǐng)求。建立連接成功后，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)將得到一個(gè) 16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，通過競(jìng)爭(zhēng)取得信道使用權(quán)，向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)中，由于ZigBee傳輸信道較窄，在多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后再傳輸，因此采用STM32F407微處理器完成數(shù)據(jù)的壓縮處理、A/D轉(zhuǎn)換以及以太網(wǎng)模塊的控制。STM32F407是基于Cortex-M4內(nèi)核的微處理器，工作頻率為168MHz，片上包含1MB程序存儲(chǔ)器，192+4KB的RAM，具有超低動(dòng)態(tài)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(yīng)用，僅需少量外圍電路即可正常工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)采用模塊化方式，包括終端采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、基于CC2530的程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。

3.1 終端采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端采集節(jié)點(diǎn)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(yùn)行狀態(tài)的各類信息用模擬量代換，STM32F407運(yùn)行ADC程序[4]，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并通過ZigBee模塊向外發(fā)送數(shù)據(jù)。終端采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖2所示。

3.2 基于CC2530的程序設(shè)計(jì)

ZigBee_CC2530為本系統(tǒng)信息的發(fā)送和接收單元。首先需給協(xié)調(diào)器供電，搭建新的網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行管理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行能量檢測(cè)，如果沒有網(wǎng)絡(luò)存在，那么就配置網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后選擇信道、分配PNA ID和短地址，初始化網(wǎng)絡(luò)完成。若發(fā)現(xiàn)已存在網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。然后，各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn)本身功能的需要選擇性來搭建和加入網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議棧提供相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)[5]。當(dāng)數(shù)據(jù)成功發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)后該節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，最大程度地降低功耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)電池使用時(shí)間[6]。ZigBee節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3所示。

3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要功能包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)通信、信息顯示、UPS設(shè)置、數(shù)據(jù)管理。上位機(jī)從下位機(jī)讀取電池組信息，包括每個(gè)單體電池的電壓、電流、溫度以及報(bào)警保護(hù)信息等。用戶可以實(shí)時(shí)的查看當(dāng)前每個(gè)電源的電池詳細(xì)狀況。UPS上位機(jī)能夠設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行的過程參數(shù)，這些參數(shù)包括高壓報(bào)警上限、低壓報(bào)警下限、電流過載上限設(shè)置等等，以滿足對(duì)UPS電源狀態(tài)的監(jiān)控。數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)將監(jiān)控到的UPS電源狀態(tài)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并提供訪問查詢歷史數(shù)據(jù)功能。

4 結(jié)語

本文分析了基于STM32和ZigBee的UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和功能模塊，利用CC2530模塊、STM32單片機(jī)和傳感器，實(shí)現(xiàn)UPS電池使用情況的實(shí)時(shí)顯示和安全管理，得到的大量數(shù)據(jù)可以通過統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)化UPS系統(tǒng)的使用和分配，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。促進(jìn)UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)朝著智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

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