徐勛庭，梅領亮，駱德漢

(1.廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006； 2.廣東正業(yè)科技股份有限公司， 廣東 東莞 523808)

0 引言

在動力電池制造中，電池內部水分含量直接影響電池電壓、內阻、自放電等指標[1]。電池的含水量太高，會導致電池質量下降，報廢，甚至有爆炸的危險。因此，在動力電池的生產過程中，正極和負極芯片應多次烘烤去除水分，以提高電池質量。當前，大多數(shù)廠家使用真空烘箱來營造高真空度、高溫均勻性和低露點的環(huán)境，來減少電池的含水量[2]。電池生產過程如圖1所示。

圖1 動力電池生產流程

真空烘箱的真空度和溫度決定了鋰電池的含水量，但是目前對于真空烘箱的真空度、溫度需要人工現(xiàn)場監(jiān)測，自動化水平低，當出現(xiàn)異常情況時，若不能及時發(fā)現(xiàn)，將嚴重影響動力電池質量。通過實時在線監(jiān)測真空烘箱的環(huán)境因素，有助于控制動力電池的干燥技術，保證電池的質量。然而，在實際動力電池生產中，有大量的真空烘箱，每臺烘箱都需要監(jiān)控多個環(huán)境因素。因此，要求無線傳輸系統(tǒng)支持眾多網(wǎng)絡節(jié)點、自動化快速組網(wǎng)。

ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，工作頻率為2.4 GHz[3]，其特點是網(wǎng)絡容量大、自組織、復雜度低、功耗低、數(shù)據(jù)速率低。ZigBee可以嵌入各種設備，主要適用于自動控制和遙控，現(xiàn)已廣泛應用于軍工、農業(yè)、工業(yè)、環(huán)保、醫(yī)療等領域[4]。

本文旨在通過ZigBee模塊和WiFi模塊及相應軟件設計一種無線通信網(wǎng)關，將動力電池干燥過程中的溫度、真空度數(shù)據(jù)傳輸至云服務器，通過PC客戶端實現(xiàn)溫度、真空度數(shù)據(jù)遠程查看以及數(shù)據(jù)異常預警功能，保障動力電池的質量。

1 網(wǎng)關硬件設計

1.1 系統(tǒng)結構設計

網(wǎng)關由ZigBee模塊和WiFi模塊共同構成。ZigBee節(jié)點負責收集每臺真空爐溫度、氣壓和設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)收集到ZigBee協(xié)調器中。ZigBee協(xié)調器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎iFi模塊。WiFi模塊連接到路由器，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構圖

動力電池生產中有很多真空爐，因此有必要在每個烘箱中設置一個ZigBee節(jié)點，分別收集相應烘箱的數(shù)據(jù)。烘箱內的ZigBee節(jié)點的工作模式設置為終端(endpoint)。 網(wǎng)關內設置一個ZigBee模塊和WiFi芯片，ZigBee模塊工作模式設置為協(xié)調器(coordinator)，網(wǎng)絡拓撲結構采用星型網(wǎng)絡結構，終端數(shù)據(jù)匯集到網(wǎng)關ZigBee模塊。

1.2 硬件設計

硬件設計遵循低功耗、高穩(wěn)定性和傳輸可靠的原則，選擇相應的元器件和電路布局。

(1)ZigBee模塊

ZigBee模塊采用TI公司的CC2530，CC2530 集成了增強型工業(yè)標準的 8051 MCU，具有豐富的硬件資源(包括 256 KB 可編程Flash、8 KB的RAM、2個USART、12位ADC和21個通用 GPIO)，運行Z-Stack協(xié)議，接收靈敏度為-97 dBm，使用片內功率放大器時，傳輸距離可達到75 m，支持星型、樹狀、網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡拓撲結構[5]。

(2)WiFi模塊

WiFi模塊采用樂鑫公司的ESP8266，ESP8266是一款低成本、高性能、高度集成的無線SoC。該芯片集成TCP/IP協(xié)議，支持802.11b/g/n/e，支持AP、Station、AP+Station 3種工作模式[6]。當ESP8266負責無線互聯(lián)網(wǎng)接入，承擔WiFi適配器的任務時，可以將其添加到任何基于微控制的設計中，連接簡單，只需通過SPISDIO或I2C/UART端口即可。

(3)電源模塊

電源采用DC 5 V直流電源，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波后作為控制板電源，由于ESP8266和CC2530工作電壓是3.3 V，因此需要將5 V電源降壓為3.3 V后，輸出至芯片電源接口。

(4)接口模塊

ZigBee協(xié)調器通過串口連接至ESP8266的串口1，預留另外一個串口用于固件的燒錄和上電后設備日志的打印。

(5)硬件電路圖

WiFi模塊并不需要連接外部傳感器元件，因此在電路設計上滿足最小系統(tǒng)要求即可，如圖3所示。同時ESP8266 的GPIO0引腳的電平狀態(tài)決定了該模塊處于運行狀態(tài)還是燒錄狀態(tài)，因此需要通過撥碼開關切換引腳高低電平，當需要燒錄時切換引腳至低電平狀態(tài)，燒錄完成后切換回高電平狀態(tài)，使模塊正常運行。

圖3 WiFi模塊制作原理圖

2 網(wǎng)關軟件設計

CC2530通過Z-Stack協(xié)議發(fā)送和接收所有數(shù)據(jù)[7]，Z-Stack是半開放商業(yè)協(xié)議棧。協(xié)議棧編程環(huán)境是IAR Embedded Workbench for 8051，IAR嵌入式工作臺是一個高效的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。

ESP8266 SKD的開發(fā)環(huán)境采用安可信出品的集成開發(fā)環(huán)境ESP8266IDE，ESP8266IDE運行于Windows 環(huán)境下，集成了Cygwin、GCC等相關的開發(fā)插件，使用Makefile管理依賴與控制編譯，使編程變得高效便捷。

2.1 CC2530 軟件設計

每個具體項目開發(fā)之前都需要進行ZigBee模塊正確配置，網(wǎng)關內的ZigBee模塊設置為coordinator(協(xié)調器)，負責建立ZigBee網(wǎng)絡、接收和匯集終端節(jié)點的信息，協(xié)調工作流程如圖4所示。

圖4 協(xié)調器流程圖

2.2 ESP8266軟件設計

WiFi模塊實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸和WiFi網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)。首先，將ESP8266配置為站模式(station)，通過一鍵配置(smartconfig)接入路由器，smartconfig將設備設置于sniff模式下，監(jiān)聽網(wǎng)絡中的所有報文；手機APP將SSID和密碼編碼到UDP報文中，通過廣播包或組播包發(fā)送，ESP8266接收到UDP報文后解碼，得到正確的SSID和密碼，然后主動連接指定SSID的路由器[8]。當獲取網(wǎng)絡IP后，ESP8266與服務器建立可靠的TCP連接，然后進入監(jiān)聽狀態(tài)，監(jiān)聽 ZigBee網(wǎng)絡是否有數(shù)據(jù)傳輸和偵聽服務器下發(fā)的指令[9]。 ESP8266的工作流程如圖5所示。

圖5 ESP8266流程圖

ESP8266與CC2530之間采用串口通信，波特率設置為9 600。

2.3 抗干擾設計

ZigBee和WiFi都工作在2.4 GHz的ISM(Industrial Scientific Medical)頻段上，兩種協(xié)議都可以在相同的信道上傳輸[10]。圖6所示是ZigBee和WiFi信道圖。國內WiFi最常用的信道是信道1、信道6和信道11。與ZigBee信道對比后發(fā)現(xiàn)，無重疊的部分可以是WiFi信道4個邊角，對應于ZigBee的信道是15、20、25和26。

圖6 協(xié)調器流程圖

因此ZigBee協(xié)調器在建立ZigBee網(wǎng)絡時，優(yōu)先選擇與WiFi信道沒有重疊的15、20、25和26信道，減小或消除來自WiFi的干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和降低誤碼率。

3 網(wǎng)關測試

網(wǎng)關上電后，建立ZigBee網(wǎng)絡，等待終端節(jié)點的加入；通過固化在WiFi模塊中的程序連接到互聯(lián)網(wǎng)上的服務器。同時在遠程監(jiān)控端，上位機作為客戶端啟動后，輸入服務器的IP和端口號連接到服務器，該軟件通過解析收到的數(shù)據(jù)包得到溫度數(shù)據(jù)和真空度。測試實驗采用6個終端節(jié)點，每個節(jié)點上報的數(shù)據(jù)包括溫度值、壓強、上位機物理地址和所處的車間號。

如圖7所示，監(jiān)控軟件可以實時觀察這6個節(jié)點的數(shù)據(jù)。經(jīng)過幾天的測試，系統(tǒng)未出現(xiàn)異常，說明本文設計的網(wǎng)關穩(wěn)定可靠。

圖7 監(jiān)控軟件

4 結論

本文以CC2530和ESP8266為核心芯片，設計并實現(xiàn)了一種用于動力電池生產的無線通信網(wǎng)關。無線網(wǎng)關實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡和WiFi網(wǎng)絡之間的無縫連接、數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議轉換，滿足了生產設備的遠程監(jiān)控和生產數(shù)據(jù)上傳要求，并擴展了ZigBee網(wǎng)絡的覆蓋范圍。另外該網(wǎng)關具有功耗低、結構簡單、組網(wǎng)方便等特點，可廣泛應用于動力電池生產。

[1] CHO M H, TROTTIER J, GAGNON C, et al. The effects of moisture contamination in the Li-O2 battery[J]. Journal of Power Sources, 2014, 268(3):565-574.

[2] 王進飛, 高楓, 張輝. DCS在鋰電池真空烘烤系統(tǒng)上的應用[J]. 河南科技, 2015(18):100-102.

[3] FARAHANI S. ZigBee wireless networks and transceivers[M]. Newnes, 2008.

[4] BARONTI P, PILLAI P, CHOOK V W C, et al. Wireless sensor networks: a survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards[J]. Computer Communications, 2007, 30(7):1655-1695.

[5] 張猛, 房俊龍, 韓雨. 基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 農業(yè)工程學報, 2013, 29(s1):171-176.

[6] 范興隆. ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2016, 16(9):52-56.

[7] GONG Q C, LI G M, PANG Y. Design and implementation of smart home system based on ZigBee technology[J]. International Journal of Smart Home, 2014, 8(6):143-156.

[8] 羅回彬, 張悅, 黃嘉,等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的消防監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 科技廣場, 2017(2):90-93.

[9] LIU Y, QI M. The design of building fire monitoring system based on ZigBee-WiFi networks[C]//Eighth International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 2016:733-735.

[10] THONET G,JACQUIN P A,COLLE P.ZigBee-WiFi coexistence white paper and test report[R].Schneider Electric, 2008.