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【摘 要】本系统提出了应用ZigBee技术无线组网的方式解决UPS电池的状态数据的采集，解决了采集线路复杂、老化等问题，避免了现有技术的不足，帮助运行人员及时了解UPS蓄电池的工作状态。
【关键词】ZigBee;UPS;状态采集
引言
本系统针对电网现有的UPS电池状态数据采集系统采用有线传输而进行的改进，现有技术存在采样线路复杂，施工难度大，长时间运行线路易老化，发生短路、断路等故障，给UPS的运行维护造成很大困难。严重的还会引起火灾等事故。本系统提出了应用ZigBee技术无线组网的方式解决UPS电池的状态数据的采集，避免了现有技术的不足。
1.ZigBee技术概述
ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术，与蓝牙技术类似。虽然，蓝牙技术具有很多优点，但随着该技术在工业控制领域中的应用，其缺点也逐渐开始暴露。对许多工业监测与家庭智能控制来说，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，且无线通信距离近和组网规模小等。蓝牙技术的这些缺点，加剧了工业控制市场对低成本、低功耗无线数据通信的需求。当然，对于工业控制领域，这种无线通信技术必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年正式问世。ZigBee协议是在传统无线协议无法适应无线传感器网络低成本、低能量、高容错性等要求的情况下产生的。
ZigBee联盟成立于2002年8月，起初由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司组成，现在，已经吸引了上百家芯片公司和无线设备公司加入。ZigBee联盟主要负责网络层和应用层协议的标准化工作，IEEE802.5.4工作组负责制定底层协议，即物理层和MAC层的协议。
2.采集UPS蓄电池状态信息的必要性
UPS系统是各类信息机房的核心基础设施，特别在电力系统等特殊行业有着重要地位，蓄电池的安全运行及寿命直接威胁系统安全，因此做好蓄电池的信息采集，提高蓄电池运行安全及寿命，具有重要意义。影响蓄电池安全及寿命的主要因素有：
1）自放电。蓄电池由于自身的原因构成了放电回路，如电池内部极板短路、外部正负极绝缘状况不良等，造成的容量损失，叫做蓄电池的自放电。
2）电池温度。温度是蓄电池的一个重要参数。蓄电池的容量受温度影响较 大，随着电池温度的升高，电池内部的活性物质的化学反应会明显加快，此时蓄 电池的容量随温度的升高而增加。但是温度过高，效果也不好，甚至会严重损害 蓄电池的寿命。
3）电池内阻。电池内阻一般在50.70微欧，其可分为极化内阻和欧姆内阻 两部分。极化内阻是由电化学极化和浓差极化引起，电池在充放电时所发生的化 学反应产生极化内阻。欧姆内阻受很多因素影响，如电极材料、隔膜以及结构等。目前，大量研究资料及文献都表明，电池内阻与电池荷电状态相关，且与电池荷 电状态成近似反比关系。
4）电池寿命。电池寿命是指在一定放电条件下，电池容量降至某一规定容 量之前，电池所能承受的循环次数。其中，循环是指电池经历一次充电和放电过 程。随着电池使用次数的增加，电池容量会不断减少。有相关文献指出，电池内阻和电池寿命存在一定关系。
5）电池充放电的不均衡性。由于实际应用中，蓄电池大都采用串联方式连接。电池在制造差异、工作环境、初始容量等方面的差异，会引起蓄电池组中的某些单体电池出现过充电和过放电现象。电池充放电的不均衡性进一步影响这些电池的寿命和容量，甚至让整个蓄电池组不能正常工作。
3.有线方式采集蓄电池状态数据的弊端
传统的蓄电池状态数据采集系统均采用有线方式传输，其布线方式基本上都是在每节电池上安装采集传感器，每个传感器通过线路汇集到集采装置，再将所有集采装置通过汇集到采集工控机，已实现所有蓄电池的状态数据采集。传统有线方式实现简单，但由于蓄电池本身的特点及运行环境的特殊性，有线采集方式存在以下问题：
（1）施工难度大。蓄电池一般都集中安装于机柜或机架中，空间小，施工难度大，布线困难，布线过程中也不安全。
（2）运行不安全。蓄电池长时间运行后，容易损坏，内阻升高，发热。这样，敷设在蓄电池上的线缆很容易老化，严重的还可能发生短路，甚至火灾，严重威胁系统安全。
（3）运行维护成本高。线路及组件容易老化，更换成本高，检修不方便，造成总体维护成本高。
4.基于ZigBee技术的蓄电池数据采集系统设计方案
1、ZigBee采集网络搭建
ZigBee网络结构由协调器、路由器和传感器三个子节点组成。并且此传感器节点有两种工作模式：即在线采集模式和离线工作模式。
所谓的在线采集模式，就是当用户请求数据时，需要将分布在各个监测区域内的传感器节点所得到的信息加以采集，这时每个传感器都会把得到的数据先传送到协调器，协调器会把收到的信息加以集中整合，然后再通过串口把信息傳送给Pc机，Pc机将数据处理后就会以图形化的方式显示给用户，用户就可以根据得到的信息对电池的工作状态加以判断和调整，使电池工作在最佳状态。但是当传感器周围的障碍物太多或者传感器离协调器太远时，这时就需要路由器的帮忙来增加传输的可靠性。离线工作模式：当用户没有数据需求时，传感器只进行简单的信道扫描，以减少能量的消耗。当需要对环境信息进行离线采集 时，传感器和协调器是分离工作的。传感器会将采集得到的数据暂时存放在节点的Flash中。当用户发送数据请求时，位于协调器 网络覆盖范围内的传感器就会把暂时存放在Flash中的数据通过串口逐级传送给PC机，如此用户就可以进行数据分析处理，这可以 使用户对环境的监测信息进行动态跟踪。
针对ZigBee的网络特点，采用德州仪器公司生产的ZigBeeCC2530芯片。CC2530是一块适用于2.4GHz的IEEE802.15.4、ZigBee芯片。当然它同样可以应用于RF4CE系统。CC2530足以支撑起庞大的网络节点。CC2530有许多自身的技术优势：它吸收了RF收发器的良好性能，有着强悍的8051CPU，8-KBRAM，并且其系统闪 存是可编程的。CC2530的运行模式不尽相同，所以CC2530～常适用于对低功耗要求非常高的系统。而且其模式之间的转换所需 要的时间是微乎其微的，这进一步减少了该芯片对功耗的要求。
以L6920为核心的升压电路。L6920是一种集成电路放大器，通过震荡放大的原理将输入的直流低压升高为高电压（Ac，Dc转换）。速度非常快。通过L6920的典型的外部电路设计连接，可以使输入为 1.5V左右的直流电压升高为3.3V左右。
2、组网测试
1）先用 PC机 USB端口给协调器供电后，选择正确COM端口。打开PC机的设备管理器，找到协调器所占用的端口号。本次实验协调器所占用的端口是COM2。
2）可使用串口调试软件来进行相关设置。打开串口调试助手，选择COM2，并将波特率调整成 38400。
3）给传感器节点上电，LED绿灯闪烁后不久，发现串口调试软件显示了数据，则表明组网通信成功。
4）若打开更多的节点，则会显示出不同的设备通信地址。
3、温度电压检测测试
打开PC机终端的监测软件，将串口设置为COM2。
确定后，打开“电池组状态监控”选项，便可以直观的观察到单个电池的电压、温度、内阻信息。
5.结语
该系统创新的将ZigBee无线组网技术应用于UPS电池状态数据采集，同时采用单体电池采样，避免蓄电池组中的某些单体电池出现过充电和过放电现象。电池充放电的不均衡性进一步影响这些电池的寿命和容量。该系统在某地区电网自动化中心机房已投入运行一年多，运行效果良好，可靠安全，提升了UPS蓄电池的运维效率，有极大的推广价值。
（作者单位：1.国网浙江省电力公司衢州供电公司）
【关键词】ZigBee;UPS;状态采集
引言
本系统针对电网现有的UPS电池状态数据采集系统采用有线传输而进行的改进，现有技术存在采样线路复杂，施工难度大，长时间运行线路易老化，发生短路、断路等故障，给UPS的运行维护造成很大困难。严重的还会引起火灾等事故。本系统提出了应用ZigBee技术无线组网的方式解决UPS电池的状态数据的采集，避免了现有技术的不足。
1.ZigBee技术概述
ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术，与蓝牙技术类似。虽然，蓝牙技术具有很多优点，但随着该技术在工业控制领域中的应用，其缺点也逐渐开始暴露。对许多工业监测与家庭智能控制来说，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，且无线通信距离近和组网规模小等。蓝牙技术的这些缺点，加剧了工业控制市场对低成本、低功耗无线数据通信的需求。当然，对于工业控制领域，这种无线通信技术必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年正式问世。ZigBee协议是在传统无线协议无法适应无线传感器网络低成本、低能量、高容错性等要求的情况下产生的。
ZigBee联盟成立于2002年8月，起初由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司组成，现在，已经吸引了上百家芯片公司和无线设备公司加入。ZigBee联盟主要负责网络层和应用层协议的标准化工作，IEEE802.5.4工作组负责制定底层协议，即物理层和MAC层的协议。
2.采集UPS蓄电池状态信息的必要性
UPS系统是各类信息机房的核心基础设施，特别在电力系统等特殊行业有着重要地位，蓄电池的安全运行及寿命直接威胁系统安全，因此做好蓄电池的信息采集，提高蓄电池运行安全及寿命，具有重要意义。影响蓄电池安全及寿命的主要因素有：
1）自放电。蓄电池由于自身的原因构成了放电回路，如电池内部极板短路、外部正负极绝缘状况不良等，造成的容量损失，叫做蓄电池的自放电。
2）电池温度。温度是蓄电池的一个重要参数。蓄电池的容量受温度影响较 大，随着电池温度的升高，电池内部的活性物质的化学反应会明显加快，此时蓄 电池的容量随温度的升高而增加。但是温度过高，效果也不好，甚至会严重损害 蓄电池的寿命。
3）电池内阻。电池内阻一般在50.70微欧，其可分为极化内阻和欧姆内阻 两部分。极化内阻是由电化学极化和浓差极化引起，电池在充放电时所发生的化 学反应产生极化内阻。欧姆内阻受很多因素影响，如电极材料、隔膜以及结构等。目前，大量研究资料及文献都表明，电池内阻与电池荷电状态相关，且与电池荷 电状态成近似反比关系。
4）电池寿命。电池寿命是指在一定放电条件下，电池容量降至某一规定容 量之前，电池所能承受的循环次数。其中，循环是指电池经历一次充电和放电过 程。随着电池使用次数的增加，电池容量会不断减少。有相关文献指出，电池内阻和电池寿命存在一定关系。
5）电池充放电的不均衡性。由于实际应用中，蓄电池大都采用串联方式连接。电池在制造差异、工作环境、初始容量等方面的差异，会引起蓄电池组中的某些单体电池出现过充电和过放电现象。电池充放电的不均衡性进一步影响这些电池的寿命和容量，甚至让整个蓄电池组不能正常工作。
3.有线方式采集蓄电池状态数据的弊端
传统的蓄电池状态数据采集系统均采用有线方式传输，其布线方式基本上都是在每节电池上安装采集传感器，每个传感器通过线路汇集到集采装置，再将所有集采装置通过汇集到采集工控机，已实现所有蓄电池的状态数据采集。传统有线方式实现简单，但由于蓄电池本身的特点及运行环境的特殊性，有线采集方式存在以下问题：
（1）施工难度大。蓄电池一般都集中安装于机柜或机架中，空间小，施工难度大，布线困难，布线过程中也不安全。
（2）运行不安全。蓄电池长时间运行后，容易损坏，内阻升高，发热。这样，敷设在蓄电池上的线缆很容易老化，严重的还可能发生短路，甚至火灾，严重威胁系统安全。
（3）运行维护成本高。线路及组件容易老化，更换成本高，检修不方便，造成总体维护成本高。
4.基于ZigBee技术的蓄电池数据采集系统设计方案
1、ZigBee采集网络搭建
ZigBee网络结构由协调器、路由器和传感器三个子节点组成。并且此传感器节点有两种工作模式：即在线采集模式和离线工作模式。
所谓的在线采集模式，就是当用户请求数据时，需要将分布在各个监测区域内的传感器节点所得到的信息加以采集，这时每个传感器都会把得到的数据先传送到协调器，协调器会把收到的信息加以集中整合，然后再通过串口把信息傳送给Pc机，Pc机将数据处理后就会以图形化的方式显示给用户，用户就可以根据得到的信息对电池的工作状态加以判断和调整，使电池工作在最佳状态。但是当传感器周围的障碍物太多或者传感器离协调器太远时，这时就需要路由器的帮忙来增加传输的可靠性。离线工作模式：当用户没有数据需求时，传感器只进行简单的信道扫描，以减少能量的消耗。当需要对环境信息进行离线采集 时，传感器和协调器是分离工作的。传感器会将采集得到的数据暂时存放在节点的Flash中。当用户发送数据请求时，位于协调器 网络覆盖范围内的传感器就会把暂时存放在Flash中的数据通过串口逐级传送给PC机，如此用户就可以进行数据分析处理，这可以 使用户对环境的监测信息进行动态跟踪。
针对ZigBee的网络特点，采用德州仪器公司生产的ZigBeeCC2530芯片。CC2530是一块适用于2.4GHz的IEEE802.15.4、ZigBee芯片。当然它同样可以应用于RF4CE系统。CC2530足以支撑起庞大的网络节点。CC2530有许多自身的技术优势：它吸收了RF收发器的良好性能，有着强悍的8051CPU，8-KBRAM，并且其系统闪 存是可编程的。CC2530的运行模式不尽相同，所以CC2530～常适用于对低功耗要求非常高的系统。而且其模式之间的转换所需 要的时间是微乎其微的，这进一步减少了该芯片对功耗的要求。
以L6920为核心的升压电路。L6920是一种集成电路放大器，通过震荡放大的原理将输入的直流低压升高为高电压（Ac，Dc转换）。速度非常快。通过L6920的典型的外部电路设计连接，可以使输入为 1.5V左右的直流电压升高为3.3V左右。
2、组网测试
1）先用 PC机 USB端口给协调器供电后，选择正确COM端口。打开PC机的设备管理器，找到协调器所占用的端口号。本次实验协调器所占用的端口是COM2。
2）可使用串口调试软件来进行相关设置。打开串口调试助手，选择COM2，并将波特率调整成 38400。
3）给传感器节点上电，LED绿灯闪烁后不久，发现串口调试软件显示了数据，则表明组网通信成功。
4）若打开更多的节点，则会显示出不同的设备通信地址。
3、温度电压检测测试
打开PC机终端的监测软件，将串口设置为COM2。
确定后，打开“电池组状态监控”选项，便可以直观的观察到单个电池的电压、温度、内阻信息。
5.结语
该系统创新的将ZigBee无线组网技术应用于UPS电池状态数据采集，同时采用单体电池采样，避免蓄电池组中的某些单体电池出现过充电和过放电现象。电池充放电的不均衡性进一步影响这些电池的寿命和容量。该系统在某地区电网自动化中心机房已投入运行一年多，运行效果良好，可靠安全，提升了UPS蓄电池的运维效率，有极大的推广价值。
（作者单位：1.国网浙江省电力公司衢州供电公司）