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

金嘉煒

摘要：隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各個領(lǐng)域要保障計算機信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(shù)，運用傳感器實時監(jiān)測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，實現(xiàn)UPS充電電壓、電流、溫度以及充電時間等方面的實時監(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)頻輸出的電源保護設(shè)備。主要用于單臺計算機、計算機網(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，另一路備用電源（旁路電源）經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)向負載供電。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大數(shù)據(jù)分析在實踐中的逐步應(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電池的實時使用情況或數(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單片機和ZigBee技術(shù)[1]的UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[2]，保證UPS電池系統(tǒng)安全可靠的運行，具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 設(shè)計方案

UPS系統(tǒng)長時間運行，會導(dǎo)致產(chǎn)品溫度升高，電池老化等問題。因此，需要設(shè)計本系統(tǒng)實時監(jiān)測UPS的電壓、電流、溫度以及充電時長等參數(shù)，以確保其安全可靠的運行。如圖1所示為設(shè)計的系統(tǒng)框圖[3]。在系統(tǒng)啟動后，各個終端自動組網(wǎng)。每個UPS作為一個節(jié)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(huán)境數(shù)據(jù)實時壓縮后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給PC上位機。使系統(tǒng)具有實時信息監(jiān)測、顯示運行狀態(tài)、儲存歷史數(shù)據(jù)，警報等功能。

2 硬件設(shè)計

整個系統(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)的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存。CC2530具有多種不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。此外，不同運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間較短，進一步確保了低能耗。CC2530結(jié)合了業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案[2]。進行多節(jié)點組網(wǎng)時，先對本節(jié)點所用的硬件及協(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)出連接請求。建立連接成功后，測溫節(jié)點將得到一個 16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，通過競爭取得信道使用權(quán)，向協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)中，由于ZigBee傳輸信道較窄，在多個終端節(jié)點采集節(jié)點同時進行數(shù)據(jù)采集時，需要對采集到的數(shù)據(jù)進行壓縮后再傳輸，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程序存儲器，192+4KB的RAM，具有超低動態(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

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

3.1 終端采集節(jié)點程序設(shè)計

終端采集節(jié)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(tài)的各類信息用模擬量代換，STM32F407運行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)點程序流程圖如圖2所示。

3.2 基于CC2530的程序設(shè)計

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)并進行管理。協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，首先進行能量檢測，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)請求。然后，各個ZigBee節(jié)點按照節(jié)點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)點后該節(jié)點立即進入睡眠狀態(tài)，最大程度地降低功耗，延長節(jié)點電池使用時間[6]。ZigBee節(jié)點程序流程圖如圖3所示。

3.3 上位機程序設(shè)計

上位機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(dāng)前每個電源的電池詳細狀況。UPS上位機能夠設(shè)置系統(tǒng)運行的過程參數(shù)，這些參數(shù)包括高壓報警上限、低壓報警下限、電流過載上限設(shè)置等等，以滿足對UPS電源狀態(tài)的監(jiān)控。數(shù)據(jù)管理模塊主要負責(zé)將監(jiān)控到的UPS電源狀態(tài)信息存儲到數(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)計要求和功能模塊，利用CC2530模塊、STM32單片機和傳感器，實現(xiàn)UPS電池使用情況的實時顯示和安全管理，得到的大量數(shù)據(jù)可以通過統(tǒng)計分析，優(yōu)化UPS系統(tǒng)的使用和分配，具有一定的實際應(yīng)用價值。促進UPS電池監(jiān)控系統(tǒng)朝著智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

參考文獻

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