http://www.pf001.com/blog 网商博客 zh-cn 2008-12-05 03:57:30 http://www.pf001.com/blog lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 　　在此次的AABC-07上，各厂商就提高锂离子充电电池安全性的新措施发表了多篇演讲(见表1)，并展出了一系列具有高耐热性能的产品。 20071019112811493.jpg"width=360> A123系统公司领先一步 　　许多公司都选择了采用LiFePO4作为锂离子充电电池的正极材料，虽然其平均电压很低，只有3.5V，能量密度也很低，但在高温下的安全性却非常高，并且价格稳定。因此，厂商对LiFePO4寄予了厚望。 　　在实际应用方面，美国A123系统公司处于领先地位。在此次的AABC-07上，他们就LiFePO4正极材料的特点及电池单元盼性能进行了两次演讲。A123系统公司从2005年11月就开始向美国电动工具制造商Black&Decker公司提供电池单元。目前，该公司正在开发面向混合动力车及插入式混合动力车的电池单元。 　　A123系统公司正在加快向汽车行业扩展业务的步伐，2007年5月，他们收购了生产燃料电池单元及插入式混合动力车电池单元的加拿大Hymotion公司，并在中国建立了面向车载锂离子充电电池的批量生产线。 　　据介绍，A123系统公司的正极材料利用了在粒径很小的磷酸铁中适量添加碳素的方法，从而提高了电池的充放电周期寿命特性。该公司的试验结果表明，其面向插入式混合动力车所开发的电池单元在放电深度(DOD)100％的条件下经过3000个充放电周期后，仍然能维持90％的容量。 体积膨胀率很小的负极材料 　　美国EnerDel公司展示的混合动力车锂离子充电电池引起了人们的注意。这款电池的正极采用了业内公认安全性较好的LiMn2O4，负极则采用了安全性更高的Li4Ti5O12。Li4Ti5O12不仅能够提高安全性，还可以提高电池单元在低温下的放电特性和在整个温度区间内的充放电周期寿命特性。 　　和通常的石墨不同，Li4Ti5O12与电解液之间的界面上不会形成SEI(固态电解质界面)薄膜，因此，内阻不会增加。而且，由于不会产生树枝状晶体，电池单元也能够避免热失控现象。为了证明这种电池单元具有很高的安全性，EnerDel公司在演讲中播放了一段录像，展示了用人手对电池单元进行钉刺试验时的情况。 　　在放电特性方面，该电池单元的放电率可以达到50C。而且，由于内阻较低，并可以利用与石墨作负极材料时不同的电解液，因此在低温下的放电特性也很优异。在放电率为1C时的试验结果表明，-30℃的条件下可以确保90％以上的放电容量。 　　对于充放电周期寿命特性来说，EnerDel公司在温度55℃、DOD100%、放电率5C的条件下反复对电池单元进行充放电，基本没有出现容量下降的现象。上述性能得以实现的原因在于，在进行充放电的过程中，Li4Ti5O12的体积膨胀率很小，还不到0.2％，即使反复进行充放电，晶体结构也不会崩溃。相比之下，石墨的体积膨胀率通常为9%左右，限制了其充放电周期寿命特性的提高。 　　不过，因为新开发的电池单元的平均电压很低，仅为2.5V，同负极采用石墨的锂离子充电电池相比，其缺点是能量密度较低。所以，EnerDel公司认为，此次开发的电池单元不适合用于电动汽车，而最适合于需要高输出功率的混合动力车。 能替代LiPF6的电解质盐 　　在电解液方面引起人们关注的是美国AirProductsandChemicals公司发布的Li2B12FxH12-x。据介绍，用Li2B12FxH12-x替代目前在电解液中的主流电解质盐LiPF6，可以提高锂离子充电电池在高温下的充放电周期寿命特性。该公司认为，Li2B12FxH12-x的氟化水平越高(即x值越大)，则效果越好。它适用于采用LiMn2O4或LiNi1／3Mn1／3Co1／3O2等含有锰的材料作正极的锂离子充电电池。公司表示，将这种材料作为锂离子充电电池中电解液的电解质盐利用时，最重要的是水和氯化物离子(C1-)的含量，目前已确认，在生成时可以将其分别控制在20ppm和2ppm以下。今后，将加快开展面向实际应用的研发工作。 　　此外，宇部兴产公司就具有不可燃性的电解液材料发表了演讲。该公司提供的试验结果显示，即使在电解液(1M-LiPF6Ec／MEC)中添加20质量％的难燃性溶剂或是难以燃烧的离子性液体，电解液仍然会燃烧。难燃性溶剂包括TMP(三甲基磷酸盐)、FCPN、F-MEC；难以燃烧的离子性液体包括EMI-TLF或HMI-FAP。 　　在宇部兴产公司的演讲中，该公司功能产品技术开发部首席部员牛越由浩认为：“在保持目前电池性能的前提条件下，要使电解液具有不可燃性是相当困难的。” 　　演讲中还介绍了应用功能性电解液作为防止热失控现象的手段，防止电池发生过度充电的实例。具体来说，在电解液中添加2质量％的CHB(环己基苯)可以防止电压上升，从而避免热失控现象的发生。由于CHB发生分解时的电压低于电解液的主要成分EC的分解电压，因此，电池单元的温度能够控制在100℃以下。而且，与不添加CHB时相比，添加CHB之后不仅放电容量不会下降，而且还可能提高100个充放电周期之后的容量保持率。 190℃都不会溶化的隔膜 　　在耐热性隔膜方面，东燃化学公司展示了在190℃时不会溶化的产品。目前的隔膜在150℃左右将会溶解，即发生熔化现象。而此次开发的隔膜在190℃时也不会发生熔化现象。 　　锂离子充电电池是否会发生热失控现象，基本取决于190℃以下的温度区间，所以，该公司认为，使用此次开发的隔膜可以提高电池的安全性。至于电池中的微多孔膜的孔洞会由于发热而堵塞，并停止锂离子交换的切断功能，仍然和以前一样，会在大约130℃时发挥作用。 　　而且，此次开发的隔膜是面向混合动力车等高输出功率产品的，所以提高了锂离子的透过性。对于混合动力车来说，瞬间可达到的输出功率是非常重要的指标。东燃化学那须公司研究开发部长河野公一表示，如果使用此次开发的隔膜，在实际应用中即使放电率达到100C，透过性也可以确保不会发生问题。此外，同该公司以前的产品相比，其内阻减少了一半。 　　和东燃化学公司的耐热性隔膜一样，韩国SK公司也自行开发出在190℃时不会溶化的隔膜，并就采用这种隔膜的锂聚合物充电电池进行了演讲。SK公司所开发的电池单元是面向混合动力车应用的，正极采用LiMn2O4，负极采用碳素类材料。在聚合物中含有由DEC(碳酸二乙酯)和LiPF6组合而成的电解液。电池单元单位重量能量密度为110Wh／kg，输出功率密度在DOD为50％时是4000W／kg。 　　该公司在AABC-07的会场上展出了试制的两款样品车，将目前Prius混合动力车中的镍氢充电电池单元置换为SK公司的锂离子充电电池单元。其中一款是混合动力车，采用了功率容量为1.6kWh的电池单元；另一款是插入式混合动力车，采用了7kWh的电池单元。面向插入式混合动力车的锂离子充电电池单元的重量是78kg，容积是75L。 铅蓄电池也在进化 　　对于有可能利用电动机来驱动引擎的弱混合动力车来说，采用铅蓄电池开始具有现实意义。 　　由于目前的铅蓄电池很难获得大电流并且充放电周期寿命特性不佳，因此被认为很难应用于混合动力车。但据介绍，通过对电极进行优化配置，就有可能获得大电流；通过在负极添加碳素以防止劣化，就有可能提高充放电周期寿命特性。 　　美国Enersys公司、瑞典Effpower公司、日本古河电池公司正在开发面向混合动力车的铅蓄电池。Enersys公司开发的铅蓄电池采用圆筒型电池单元，其特点是引出了两对用于放电的接头(通常只有一对)。Effpower公司开发的铅蓄电池采用叠层电池单元，其特点是使用了多孔质的陶瓷作正极。古河电池公司正在开发的超级电池，因为正极采用PdO2、负极采用碳素，因此兼具了铅蓄电池和双电荷层电容器的特性。]]> lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30 　　其中，Pre表示前导码，这些字符杂波不容易产生，通过测试和试验发现，噪声中不容易产生0x55和0xAA等非常有规律的信号；Key表示关键字，用来区分各种情况下的数据，接收节点会根据这些关键字分别进入不同的数据处理单元；From表示源地址，是发送数据的节点自身信息；Final表示数据的目标地址；Data表示有效数据，这些数据随着字符Key的不同采用不同的格式，可携带不同的信息；Check表示检验位，可避免接收错误的数据包；Flag表示数据包的结束标志位。 　　根据协议格式中的Key，可以将节点通信时捎带的数据包分为自组网信息、环境突变信息、上位机的控制命令、广播信息等。节点在发送状态突变时的数据包格式如下： 500)this.width=500"border="0"src="http://www.dzsc.com/data/uploadfile/200792991619449.gif"/> 　　其中，0x55和0xAA为数据前导码，0xFF为传感器节点在感测到其状态突变时向外发送数据的关键字，0x11表示发送节点的地址，0x00为数据包要到达的目标地址，0x01表示数据包在网络传输中的跳数，接着的0x01表示节点在当前网络中的级别，0x15表示节点当时采集的温度，0x20表示节点当时采集的电源电压值，0x03表示节点的状态量,0x00…0x00为11个字节的有效数据，可记录数据包经过节点的地址，0x3A为前面核心数据和的低8位，作为数据包的检验码，0xBB为数据包的结束标志。 　　接收节点需要向发送节点做出应答，应答状态突变时的数据包格式如下： 500)this.width=500"border="0"src="http://www.dzsc.com/data/uploadfile/200792991620496.gif"/> 　　其中，0xFF就表示应答状态突变的关键字，后面分别是发送节点和接收节点的地址。 1.2?自组网过程 　　网络包含一个与上位机相连接的基站节点和若干传感器节点。基站节点上电初始化后就进入低功耗模式。传感器节点随机布放，上电初始化后，传感器节点首先会向基站节点发出请求分配级别的命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。若在设定时间内收到基站节点分配的级别，该传感器节点就会向基站节点发送自组织信息的数据包。如果在设定时间内没有收到基站节点分配的级别，该节点会从低功耗状态唤醒，再次发送请求分配级别的命令，如此循环。当传感器节点发出请求基站分配级别的命令达到设定上限后，但仍然没有确定自己在网络中的级别时，该节点就会向全网发出广播命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。定时时间到，节点重新回到发射广播命令状态。当传感器节点发射广播的次数达到设定值时，该节点就会将接收到的应答信息进行整理，确定自己在网络中的级别，并确定上级、同级和下级节点的相关信息。该节点再向上级节点发送包含这些信息的数据包，直到数据包传送到基站节点，从而确定整个网络的拓扑结构。节点的自组织流程如图1所示。 500)this.width=500"border="0"src="http://www.dzsc.com/data/uploadfile/200792991620120.gif"/> 图1?节点的自组织流程 2?硬件研制 　　为了验证提出的自组织协议，本文选用了片上资源丰富的MSP430F149单片机作为处理器，研制了一种微型传感器节点[5]。 2.1?总体方案 　　系统由基站节点和传感器节点组成。节点硬件选择了支持低功耗工作模式的MSP430F149单片机和NRF905射频模块，使用32768Hz的低频晶振，采用2节5号电池供电。在设计节点的过程中，拨码开关、蜂鸣器、LCD指示灯的设计极大方便了实验的调试。 2.2?节点设计 　　图2为传感器节点的框图，该节点使用电池供电，体积小巧，只有打火机般大小。 500)this.width=500"border="0"src="http://www.dzsc.com/data/uploadfile/200792991620178.gif"/> 图2?传感器节点框图 　　MSP430系列单片机是TI公司生产的一种混合信号控制器，其突出优点是低电源电压、超低功耗，可采用电池工作，有很长的使用时间[6]。 　　NRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，低电压工作，功耗非常低，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650μs[7]。ShockBurstTM工作模式，能自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)。通过SPI串口与微控制器通信，使用非常方便；内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。NRF905适用于无线数据通信、无线开锁等诸多领域。 　　天线的设计是整个系统设计的一个非常重要的环节。系统功耗的高低以及网络性能的好坏与天线的设计都有密切关系。天线部分的设计采用整体PCB环行差分天线。与传统的鞭状天线相比，不仅节省空间，降低生产成本，机构上也更稳固可靠。 　　因为本文主要研究无线传感器网络的自组网和低功耗技术，所以只选择了MSP430系列单片机的内部集成热敏二极管来测量节点的工作温度，但预留了大量外接传感器接口，外接传感器的信号能以中断方式唤醒节点。 2.3?系统功耗 　　传感器节点采用电池供电，功耗的高低直接影响整个网络的生命期。系统的功耗不仅与选择的元器件有关，还与整个网络的控制策略有关。采用不同的控制策略，系统的工作时间就会不同。若希望节点工作一年的时间（365×24=8760小时），则理论上要求平均工作电流约为263μA（2300÷8760）。发射数据到接收应答的工作时间约为50ms，这样可推算出每次工作前的平均休眠时间为2.3s[8]。实际应用中，可以根据网络的反应速度和信息的采样率来选择系统工作和休眠的时间。 3?软件开发 　　低功耗系统的设计是一种综合硬件和软件为一体的技术，必须在使用低功耗芯片的同时，采用智能的控制策略。例如,让系统在需要工作时全速运行；而当整个系统处理完事件就进入低功耗模式，等待外部事件的唤醒。 　　系统软件包括基站节点软件、传感器节点软件和上位机处理软件。 3.1?基站节点软件 　　基站节点的主程序比较简单，初始化后就进入低功耗模式，等待外部事件唤醒。外部事件包括串口中断事件、接收到数据事件和定时器的中断事件。 　　图3给出了基站节点的串口中断流程。 500)this.width=500"border="0"src="http://www.dzsc.com/data/uploadfile/200792991620691.gif"/> 图3?基站节点串口中断流程 　　为了防止串口通信过程中丢失数据，软件设计上加了握手协议。当基站节点每发送一个数据包给上位机时，上位机都会向基站节点发送应答信号，直到数据包发送给上位机。接收到数据包后，节点会从低功耗模式中唤醒,根据接收到的数据中标志位的不同字符分别进入不同的处理单元。 　　当多个传感器节点同时与某个传感器节点通信时，存在挣抢信道的现象。为了避免多个传感器节点同时与某个传感器节点通信造成数据丢失，软件上采用一定的退避机制。一方面，利用射频芯片NRF905的CD（载波侦听）信号来产生随机延时，以避免同时发送信号；另一方面，当一个传感器节点与某个传感器节点建立了通信通道时，其他发送数据的节点会增加发射数据的次数。 3.2?传感器节点软件 　　传感器节点初始化后，首先发送请求基站节点分配级别的命令，同时打开一个定时唤醒的定时器；然后进入低功耗模式，等待外部事件的唤醒。若传感器发送请求基站节点分配级别的次数达到设定上限，仍未确定节点在网络中的级别，则该节点就会向周围传感器节点广播信息。当广播次数达到设定值时，传感器节点就根据收到的信息确定自己的级别以及与该节点有直接联系的节点的信息，并把这些信息发送给基站节点。传感器节点的外部中断事件包括接收到数据事件、定时器中断事件、状态突变事件。 　　当传感器节点检测到状态突变后，会从低功耗状态唤醒，并及时采集此时的环境参数（包括状态量、温度值及节点电压值），将这些数据发送出去。该数据包通过单跳或多跳到达基站节点并在上位机软件上显示。 3.3?上位机处理软件 　　为了监测整个网络情况，需要在主机上建立良好的人机交互界面。采用VisualBasic(VB)来设计人机界面。利用VB的MSComm控件实现上、下位机的串口通信，利用其他控件实现对无线传感器网络的分析、显示和操作。 　　上位机主程序主要完成一些变量和控件初始化，然后等待串口数据。数据的接收和发送都是由中断程序完成的，其流程如图4所示。 500)this.width=500"border="0"src="http://www.dzsc.com/data/uploadfile/200792991620312.gif"/> 图4?上位机的串口中断流程 　　上位机接收到完整的数据包后，会根据数据包中的关键字进行不同的处理。发送数据时，根据保存的网络数据计算中转数据的路径。为节约基站节点的能量，网络中有很多的数据处理是在上位机中进行的。 4?实验结果 　　系统研制完成后，需要设计实验来考核自组网效果及网络性能。实验中，首先关注的问题是随机分布的传感器节点在自定义的组织协议下的组网情况。为了考核自组织效果，首先让基站节点通过串口与上位机相连并打开上位机处理软件；然后打开传感器节点的电源，并通过人工安放或者随机撒播方式布置好传感器节点。 　　借助上位机的处理软件，可以非常清楚地看到整个网络的拓扑结构和网络节点的环境参数。当上位机处理软件检测到网络内的传感器节点后，会在上位机上进行显示并保存传感器节点的数据。图5为系统演示的11个传感器节点自由组网时界面的显示情况。组网时间约3min。 　　图5中的黑色曲线为数据的传输路径。当鼠标点击某个节点，会弹出该节点的信息采集卡。信息采集卡反映了节点的状态量、温度值、电压值以及剩余能量，通过采集卡可直接对该节点进行远程控制。 500)this.width=500"border="0"src="http://www.dzsc.com/data/uploadfile/200792991620659.gif"/> 图5?网络拓扑及数据传输路线图 　　在检测网络性能的实验中，让传感器节点一级一级分布下去。通过上位机软件可以很清楚地看到所投放的传感器节点可组成的最大跳数的网络拓扑结构。当网络组成后，可通过上位机界面对网内各个节点进行远程控制；当各个节点发生状态突变时，会以中断形式唤醒节点，以能量优先的原则逐级传送到基站节点，并在上位机界面上进行相应显示。 　　当新的传感器节点加入到网络中，系统会及时反映新加入节点。当系统检测到传感器节点由于电源电压低于工作电压，或人为破坏引起失效时，会从网络中删除该节点的拓扑结构及相关信息，检测方法有手动刷新和定时采样两种。网络内传送的数据都保存在网络数据库中，便于查寻。通过上位机软件还能够对网络进行复位，让所有传感器节点进行重新组网。 结语 　　本文首先提出了一种无线传感器网络的自组织协议，然后选用MSP430F149和NRF905设计了微型传感器节点，并实现了一种低功耗无线网络，其特点如下： 　　①?利用无线通信携带的信息自动生成多级网状网络，并按能量优先的原则自动生成数据的传输路径。 　　②?采取应答和退避机制，防止多个传感器节点向一个节点发送数据时所导致的数据丢失。 　　③?无线通信的双向性，不仅被动显示各个传感器节点的信息，还可主动对每个传感器节点进行远程控制。 　　④?使用支持低功耗工作模式的硬件，配合软件上的智能控制策略来实现系统低功耗，尽可能延长网络寿命。]]> lanlan527 个人博客 2008-12-05 03:57:30