一种动力电池制造环境监测的智能网关技术

徐勋庭，梅领亮，骆德汉

(1.广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006； 2.广东正业科技股份有限公司， 广东 东莞 523808)

0 引言

在动力电池制造中，电池内部水分含量直接影响电池电压、内阻、自放电等指标[1]。电池的含水量太高，会导致电池质量下降，报废，甚至有爆炸的危险。因此，在动力电池的生产过程中，正极和负极芯片应多次烘烤去除水分，以提高电池质量。当前，大多数厂家使用真空烘箱来营造高真空度、高温均匀性和低露点的环境，来减少电池的含水量[2]。电池生产过程如图1所示。

图1 动力电池生产流程

真空烘箱的真空度和温度决定了锂电池的含水量，但是目前对于真空烘箱的真空度、温度需要人工现场监测，自动化水平低，当出现异常情况时，若不能及时发现，将严重影响动力电池质量。通过实时在线监测真空烘箱的环境因素，有助于控制动力电池的干燥技术，保证电池的质量。然而，在实际动力电池生产中，有大量的真空烘箱，每台烘箱都需要监控多个环境因素。因此，要求无线传输系统支持众多网络节点、自动化快速组网。

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，工作频率为2.4 GHz[3]，其特点是网络容量大、自组织、复杂度低、功耗低、数据速率低。ZigBee可以嵌入各种设备，主要适用于自动控制和遥控，现已广泛应用于军工、农业、工业、环保、医疗等领域[4]。

本文旨在通过ZigBee模块和WiFi模块及相应软件设计一种无线通信网关，将动力电池干燥过程中的温度、真空度数据传输至云服务器，通过PC客户端实现温度、真空度数据远程查看以及数据异常预警功能，保障动力电池的质量。

1 网关硬件设计

1.1 系统结构设计

网关由ZigBee模块和WiFi模块共同构成。ZigBee节点负责收集每台真空炉温度、气压和设备状态的数据，然后将数据收集到ZigBee协调器中。ZigBee协调器将数据传输到WiFi模块。WiFi模块连接到路由器，将数据传输到互联网。该系统架构如图2所示。

图2 系统架构图

动力电池生产中有很多真空炉，因此有必要在每个烘箱中设置一个ZigBee节点，分别收集相应烘箱的数据。烘箱内的ZigBee节点的工作模式设置为终端(endpoint)。 网关内设置一个ZigBee模块和WiFi芯片，ZigBee模块工作模式设置为协调器(coordinator)，网络拓扑结构采用星型网络结构，终端数据汇集到网关ZigBee模块。

1.2 硬件设计

硬件设计遵循低功耗、高稳定性和传输可靠的原则，选择相应的元器件和电路布局。

(1)ZigBee模块

ZigBee模块采用TI公司的CC2530，CC2530 集成了增强型工业标准的 8051 MCU，具有丰富的硬件资源(包括 256 KB 可编程Flash、8 KB的RAM、2个USART、12位ADC和21个通用 GPIO)，运行Z-Stack协议，接收灵敏度为-97 dBm，使用片内功率放大器时，传输距离可达到75 m，支持星型、树状、网状3种网络拓扑结构[5]。

(2)WiFi模块

WiFi模块采用乐鑫公司的ESP8266，ESP8266是一款低成本、高性能、高度集成的无线SoC。该芯片集成TCP/IP协议，支持802.11b/g/n/e，支持AP、Station、AP+Station 3种工作模式[6]。当ESP8266负责无线互联网接入，承担WiFi适配器的任务时，可以将其添加到任何基于微控制的设计中，连接简单，只需通过SPISDIO或I2C/UART端口即可。

(3)电源模块

电源采用DC 5 V直流电源，经过稳压滤波后作为控制板电源，由于ESP8266和CC2530工作电压是3.3 V，因此需要将5 V电源降压为3.3 V后，输出至芯片电源接口。

(4)接口模块

ZigBee协调器通过串口连接至ESP8266的串口1，预留另外一个串口用于固件的烧录和上电后设备日志的打印。

(5)硬件电路图

WiFi模块并不需要连接外部传感器元件，因此在电路设计上满足最小系统要求即可，如图3所示。同时ESP8266 的GPIO0引脚的电平状态决定了该模块处于运行状态还是烧录状态，因此需要通过拨码开关切换引脚高低电平，当需要烧录时切换引脚至低电平状态，烧录完成后切换回高电平状态，使模块正常运行。

图3 WiFi模块制作原理图

2 网关软件设计

CC2530通过Z-Stack协议发送和接收所有数据[7]，Z-Stack是半开放商业协议栈。协议栈编程环境是IAR Embedded Workbench for 8051，IAR嵌入式工作台是一个高效的嵌入式集成开发环境。

ESP8266 SKD的开发环境采用安可信出品的集成开发环境ESP8266IDE，ESP8266IDE运行于Windows 环境下，集成了Cygwin、GCC等相关的开发插件，使用Makefile管理依赖与控制编译，使编程变得高效便捷。

2.1 CC2530 软件设计

每个具体项目开发之前都需要进行ZigBee模块正确配置，网关内的ZigBee模块设置为coordinator(协调器)，负责建立ZigBee网络、接收和汇集终端节点的信息，协调工作流程如图4所示。

图4 协调器流程图

2.2 ESP8266软件设计

WiFi模块实现ZigBee网络数据传输和WiFi网络数据收发。首先，将ESP8266配置为站模式(station)，通过一键配置(smartconfig)接入路由器，smartconfig将设备设置于sniff模式下，监听网络中的所有报文；手机APP将SSID和密码编码到UDP报文中，通过广播包或组播包发送，ESP8266接收到UDP报文后解码，得到正确的SSID和密码，然后主动连接指定SSID的路由器[8]。当获取网络IP后，ESP8266与服务器建立可靠的TCP连接，然后进入监听状态，监听 ZigBee网络是否有数据传输和侦听服务器下发的指令[9]。 ESP8266的工作流程如图5所示。

图5 ESP8266流程图

ESP8266与CC2530之间采用串口通信，波特率设置为9 600。

2.3 抗干扰设计

ZigBee和WiFi都工作在2.4 GHz的ISM(Industrial Scientific Medical)频段上，两种协议都可以在相同的信道上传输[10]。图6所示是ZigBee和WiFi信道图。国内WiFi最常用的信道是信道1、信道6和信道11。与ZigBee信道对比后发现，无重叠的部分可以是WiFi信道4个边角，对应于ZigBee的信道是15、20、25和26。

图6 协调器流程图

因此ZigBee协调器在建立ZigBee网络时，优先选择与WiFi信道没有重叠的15、20、25和26信道，减小或消除来自WiFi的干扰，提高系统稳定性和降低误码率。

3 网关测试

网关上电后，建立ZigBee网络，等待终端节点的加入；通过固化在WiFi模块中的程序连接到互联网上的服务器。同时在远程监控端，上位机作为客户端启动后，输入服务器的IP和端口号连接到服务器，该软件通过解析收到的数据包得到温度数据和真空度。测试实验采用6个终端节点，每个节点上报的数据包括温度值、压强、上位机物理地址和所处的车间号。

如图7所示，监控软件可以实时观察这6个节点的数据。经过几天的测试，系统未出现异常，说明本文设计的网关稳定可靠。

图7 监控软件

4 结论

本文以CC2530和ESP8266为核心芯片，设计并实现了一种用于动力电池生产的无线通信网关。无线网关实现了ZigBee网络和WiFi网络之间的无缝连接、数据传输和协议转换，满足了生产设备的远程监控和生产数据上传要求，并扩展了ZigBee网络的覆盖范围。另外该网关具有功耗低、结构简单、组网方便等特点，可广泛应用于动力电池生产。

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