基于ZigBee和CAN总线的矿用后备电源无线监测系统设计

于鹏杰，张森，俞双懋

山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590

基于ZigBee和CAN总线的矿用后备电源无线监测系统设计

于鹏杰，张森，俞双懋

山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590

为了保障井下后备电源的安全可靠运行以及延长其使用寿命，设计了一种基于ZigBee和CAN总线的矿用后备电源无线监测系统。给出了系统的总体设计方案，并详细阐述了各主要功能单元的硬件电路和软件程序的设计;该系统将ZigBee通讯网络和CAN总线通讯网络相结合，构建了两级通信网络三层结构的系统构架，有效地保证了监测系统数据传输的实时性和准确性;实际应用表明，该监测系统运行稳定可靠，使用方便简便，达到了预期目标，具有很好的实际应用价值。

监测系统; ZigBee; CAN总线;通讯网络;数据传输

网络出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20150727.1031.005.html

矿用后备电源作为煤矿井下紧急避险系统的重要组成部分，具有体积小、效率高、输入电压范围宽等特点，能够在煤矿井下交流电网因故障或事故出现断电情况时，输出安全稳定的直流电，保证紧急避险系统内的电力供应和事故救援的用电需求，保障煤矿的安全生产［1-2］。锂离子蓄电池作为新型二次蓄电池发展的方向［3］，越来越受到煤矿企业的关注，已在煤矿井下电机车、单轨吊和后备电源等设备中得到广泛应用。由于锂离子蓄电池在过放、过充和过热等条件下会导致电池损坏或寿命缩短［4］，因此在将锂离子蓄电池应用到煤矿后备电源时，为确保后备电源的运行安全，需要对锂离子蓄电池的电压、温度、充放电电流等参数进行实时监控［5］。

CAN总线作为多主串行现场总线，支持分布式实时控制的通信网络，以其具有可靠性高、抗干扰能力强、节点通信速度快的特点［6］，广泛应用于各种工业现场的控制系统中。ZigBee作为一种短距离无线通讯技术，支持IEEE802.15.4标准协议，工作于2.4 GHz频段，具有成本低、数据传输保密性强和自动动态组网等优点，可方便地嵌入到各种设备之中［7-8］。文中将两者优点结合起来，设计了一种矿用后备电源无线监测系统，该系统采用ZigBee技术和CAN总线技术组成移动分布式网络，实现了对矿用后备电源电池参数的实时监测。

1　系统总体设计方案

为了实现对矿用后备电源电池电压、温度、充放电电流等参数的实时准确监测，监测系统需具有数据的自动采集、远程传输、存储管理等功能［9］。设计的无线监测系统将ZigBee通讯网络和CAN通讯网络相结合，构建了两级通信网络三层结构的系统构架。从逻辑结构上系统主要分为单体检测单元、CAN总线网络、蓄电池组模块控制单元、ZigBee网络和监控中心5个部分，其中监控中心包含总成控制单元和PC机。具体系统硬件结构框图如图1所示。

图1　系统硬件结构框图

文中所研究的矿用后备电源为满足现场工作环境对后备电源蓄电量和工作电压的需求，采用先串联后并联的电池组合策略，先将8节磷酸铁锂单体电池串联成组构成蓄电池组模块，再将多个蓄电池组模块相互并联构成完整的后备电源。在设计的监测系统中，各蓄电池组模块的单体检测单元与其单体电池一一对应，独立完成对应单体电池电压温度数据的采集，并通过CAN总线网络传送给蓄电池组模块控制单元，蓄电池组模块控制单元将自身电流检测电路采集的蓄电池组充放电电流数据和接收到的电压温度数据进行编码处理后，通过ZigBee网络上传到监控中心的总成控制单元，由总成控制单元通过串口传输到PC机，最终经PC机的上位机软件实现对后备电源电池参数的集中存储和管理。

2　系统硬件设计

2.1单体检测单元硬件设计

在各蓄电池组模块中，每节单体电池均配置相应的单体检测单元，每个单体检测单元通过相应的硬件电路独立完成该单体电池电压、温度参数的检测以及电池电量的均衡任务。单体检测单元选用32位ARM处理器STM32F103RBT6芯片作为单体MCU，并配有电压检测均衡电路、温度检测电路、供电电路和CAN通讯电路等外围电路。

单体检测单元固定安装在单体电池的2个电极之间，由单体电池经供电电路直接为其供电;电压检测均衡电路与单体电池的正负极直接连接，进行电池电压的采集和电量的均衡;温度检测电路通过数字化温度传感器DS18b20对电池极耳处温度进行采集。电压检测均衡电路和温度检测电路将采集的模拟信号传输到单体MCU，单体MCU利用自身的12位的A/D转换器对电压和温度的模拟信号值进行模数转换和相应的数据处理后，经CAN通讯电路实现数据的向上传输。

2.1.1电压检测均衡电路

电压检测均衡电路由电压检测电路和均衡电路2部分组成。电压检测电路采用电阻分压检测的方法进行电池电压的检测;为了提高电压检测的精度，选用LM385BD_2.5基准电压芯片为单体MCU提供AD转换的高精度基准电压。均衡电路采用充电能耗型均衡方法，将电池多余电量以热能形式进行消耗;通过控制场效应管FDS4465的通断，实现均衡的开启和关闭。

如图2所示，基准电压芯片LM385BD_2.5输出的2.5 V基准电压Vref和电池端电压经精密电阻R10和R13组成的分压电路分压后得到的实测电压VBat，分别与单体MCU的PA4和PA6引脚相连，由其内部12位AD转换器根据相应的比例关系，得到待测单体电池的实际端电压值。均衡电路场效应管FDS4465的栅极经限流电阻R7与单体MCU的PA7引脚相连，单体MCU通过输出不同占空比的PWM均衡驱动信号，实现对电池电量均衡速度的控制。

图2　电压检测均衡电路

2.1.2 CAN通讯电路

CAN通讯电路作为单体MCU与CAN总线网络的接口电路，主要完成CAN报文的发送和接收。电路选用PCA82C250芯片作为CAN总线收发器，提供对总线的差动接收和发送功能［10］;选用6N137高速光电耦合器实现单体MCU和CAN总线网络的物理隔离，提高了系统的抗电磁干扰能力。如图3所示，单体MCU内部CAN控制器的发送/接收引脚分别与CAN_TX端和CAN_RX端相连后，经光电耦合器6N137隔离放大，通过CAN总线收发器PCA82C250的CANL和CANH端连接到CAN总线网络，实现单体检测单元与CAN总线网络其他设备的通信。

图3 CAN通讯电路

2.2蓄电池组模块控制单元硬件设计

如图4所示，蓄电池组模块控制单元主要由模块MCU、CAN通讯电路、电流检测电路、液晶显示电路、ZigBee通讯模块、报警电路和状态指示电路组成。其中，模块MCU采用STM32F103RBT6芯片; CAN通讯电路采用图3所示的电路结构;液晶显示电路采用2.8寸TFT液晶显示屏进行数据显示。

图4　蓄电池组模块控制单元结构框图

蓄电池组模块控制单元作为监测系统的中间部分，是单体检测单元和总成控制单元通信的桥梁，主要具有以下功能:

1)通过CAN总线完成与单体检测单元的通讯，实现各单体电池电压温度数据的获取;

2)采用霍尔电流传感器通过电流检测电路，实现蓄电池组充放电情况下电流的检测;

3)通过ZigBee网络将采集到的电池电压、电流和温度等数据上传到监控中心的总成控制单元;

4)通过液晶显示电路对蓄电池组模块内的各单体电池的电压、温度、电流等数据进行显示;

5)进行相应的报警判断和运行状态的提示。

2.2.1电流检测电路

电流检测电路用于检测蓄电池组直流母线上的电流值，避免蓄电池组充放电时出现过流现象。电流检测电路包括霍尔电流传感器、参考电压电路和AD采样电路。霍尔电流传感器选用TBC15DS5电流传感器，该电流传感器具有良好的线性关系，电流测量范围为±48 A，测量精度为0.7%，响应时间为500 ns，零电流输出电压为2.5 V，额定电流为±15 A，额定输出电压为2.5±0.625 V;参考电压电路选用可控精密稳压源TL431芯片输出参考电压; AD采样电路利用运算放大器构成的减法电路对霍尔电流传感器输出的电压和参考电压进行差分放大，以达到提高电流检测精度的目的。

具体的电流检测电路如图5所示，由HALL-IN端输入的霍尔电流传感器电压信号和参考电压电路输出的2.5 V参考电压，经AD采样电路进行变换放大后，输出AD0、AD1、AD2、AD3等4路模拟信号，该模拟信号与模块MCU的AD转换器的4个通道依次相连。模块MCU根据自身AD转换器的采样范围，通过程序选择合适的模拟信号进行采样计算，求得蓄电池组直流母线电流值。

图5　电流检测电路

2.2.2电压检测均衡电路

为了简化设计流程，缩短设计周期，本系统的ZigBee通讯选用市场上已出现的以CC2520芯片为核心的ZigBee通讯模块，该通讯模块支持IEEE 802.15.4标准通讯协议，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。模块MCU以SPI总线的形式与ZigBee通讯模块进行通讯，其通讯接口电路包括外部复位使能RESETn信号线、数字电压调节器使能VREG_EN信号线、4路SPI信号线和6路GPIO数据线。其中，模块MCU的SPI1_SCK、SPI1_MISO、SPI1_MOSI信号分别与CC2520的串行时钟信号SCLK、串行数据信号SO和SI相连;模块MCU的PC4、PB0、PB1共3个I/O口分别与CC2520的片选信号CSN、数字电压调节器使能信号VREG_EN、外部复位使能信号RESETn相连;模块MCU的PC6～PC11共6个I/O口依次与CC2520的GPIO0～GPIO5信号相连。具体的通讯接口电路如图6。

图6 ZigBee通讯模块接口电路

2.3总成控制单元硬件设计

总成控制单元位于监测系统的最上层，主要由总成MCU、ZigBee通讯模块、报警电路和接口转换电路组成。除接口转换电路外，其余功能电路均与蓄电池组模块控制单元的功能电路相同。总成控制单元通过ZigBee通讯模块接收各蓄电池组模块控制单元发送的电池数据，进行解码处理后对各蓄电池模块运行情况进行异常判断，由报警电路对异常模块作出报警提示，接着通过接口转换电路将得到的电池数据上传到监控中心的PC机，由PC机的上位机软件实现电池数据的显示和存储。

3　系统软件设计

系统软件部分的设计主要包括单体检测单元程序设计、蓄电池组模块控制单元程序设计、总成控制单元程序设计和上位机界面设计4个部分。考虑到程序的兼容性和可读性［7］，采用C语言完成各功能单元程序的编写，采用C#语言完成上位机界面的设计。

3.1单体检测单元程序设计

在单体检测单元中，程序的主要功能包括: 1)将采集到的单体电池的电压温度信号，进行数据格式转换后，通过CAN总线网络发送到蓄电池组模块控制单元; 2)从CAN总线网络中接收来自蓄电池组模块控制单元的均衡命令，实现电池电量的均衡。单体检测单元的程序流程如图7所示。程序开始后首先对单体检测单元硬件进行初始化，接着一方面查询是否出现定时器中断，出现定时器中断后，下发数据采集指令进行电压/温度数据的采集，采集完毕后以CAN报文形式发送出去;另一方面通过判断是否出现CAN接收中断，进行CAN报文的接收，对接收的CAN报文进行解析处理后，再判断是否含有电池电量均衡指令，进行相应的均衡操作。

图7　单体检测单元程序流程图

3.2蓄电池组模块控制单元程序设计

如图8所示，程序首先对蓄电池组模块控制单元的模块MCU、ZigBee通讯模块等硬件进行相应的初始化，然后检测是否存在ZigBee网络，在检测到ZigBee网络存在后，加入到ZigBee网络中，总成控制单元的ZigBee设备将自动为其分配相应的网络地址;接着对蓄电池组模块的充放电电流数据进行采集，并通过CAN总线接收各单体检测单元上传的CAN报文，进行报文读取后，将各单体检测单元的电压、温度、电流数据与设置的极限值进行比较，若超限则对相应的单体检测单元进行报警;最后对该模块的各项数据通过液晶屏进行显示，并通过ZigBee网络发送到监控中心。

图8　蓄电池组模块控制单元程序流程图

3.3总成控制单元程序设计

图9为总成控制单元的程序流程图。总成控制单元上电后同样首先对硬件进行初始化，然后创建新的ZigBee网络，等待其他ZigBee节点加入，当检测到有新的ZigBee节点加入后，分配给该节点新的网络地址，并发送数据上传命令到该节点;接着通过ZigBee网络依次接收各蓄电池组模块上传的数据，进行数据分析处理后判断各蓄电池组模块是否存在异常，若存在异常，则对异常模块进行报警，最后将各蓄电池组模块的数据进行编码后，通过串口发送到PC机。

图9　总成控制单元的程序流程

3.4上位机界面设计

文中上位机软件使用C#高级语言在.NET平台上进行开发设计，配合SQL Server 2008数据库进行系统数据的存储和管理。用户通过上位机软件可以直观的对后备电源的各项参数数据及运行状态进行监测。

4　系统测试及结果分析

系统功能测试主要包括ZigBee网络和CAN网络能否正常通讯的测试以及电池参数测量精度的测试。测试对象选择了由8节标称电压为3.2 V、容量为50 AH的磷酸铁锂单体电池串联组成的蓄电池组模块，通过上位机界面对蓄电池组模块的各单体电池的电压、温度以及充放电电流等参数进行显示。系统启动后，ZigBee网络和CAN网络通讯正常，上位机界面可以正确地显示蓄电池组模块的电池参数数据。表1～3所示的测试结果分别为蓄电池组模块8节单体电池的电压、温度和充放电电流3项电池参数的检测值与实际值的对比。

《矿用隔爆(兼本安)型锂离子蓄电池电源安全技术要求(试行)》中规定，矿用电源监测系统对单体锂离子蓄电池电压、温度和充放电电流的检测误差分别不大于0.5%、±2℃、2%。根据表1～3数据可知，系统正常工作时，能准确完成各项监测任务，并且各项电池参数测量精度均符合安标的要求。

表1 8节单体电池电压检测值与实际值对比

表2 8节单体电池温度检测值与实际值对比

表3　蓄电池组模块充/放电电流检测值与实际值对比

5　结束语

文中将ZigBee无线通讯技术和CAN总线通讯技术相结合，开发了一套两级通信网络三层结构的后备电源监测系统。该系统采用的无线通讯形式，在保证通信稳定性和准确性的基础上，有效地摆脱了传统有线通讯对监测系统的束缚，使系统安装维护更加方便。目前，该系统已在煤矿井下得以应用，实际使用过程中，该系统运行稳定可靠，能够完成矿用后备电源各项监测任务，对于保障煤矿安全生产具有重要意义。

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Design of mine back-up power wireless monitoring system
based on ZigBee and CAN bus

YU Pengjie，ZHANG Sen，YU Shuangmao

College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China

In order to guarantee the safe and reliable operation of downhole back-up power and to extend the life of the back-up power，a kind of mine back-up power wireless monitoring system based on ZigBee and CAN bus is designed.The overall design of the system is presented，the design of hardware circuit and software program of the main functional unit is introduced in the paper.The system combines the ZigBee communication network and CAN bus communication network，and builds a kind of two-stage communication network three-layer structure system architecture，which effectively guarantees the timeliness and accuracy of data transmission of the monitoring system.The practical results show that the monitoring system is stable，reliable，convenient，and easy to use.It has reached the desired goal，having a good practical value.

monitoring system; ZigBee; CAN bus; communication network; data transmission

TP277

A

1009-671X(2015) 04-058-06

10.3969/j.issn.1009-671X.201502003

2015-02-05.网络出版日期: 2015-07-27.

山东省科技发展计划资助项目(2012GSF11606).

于鹏杰(1990-)，男，硕士研究生.

于鹏杰，E-mail: 1091679925@qq.com.