基于WSN的蓄電池組內(nèi)阻在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

呂景美，袁浩

（長沙師范學(xué)院教育技術(shù)中心，湖南 長沙 410100）

基于WSN的蓄電池組內(nèi)阻在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

呂景美，袁浩

（長沙師范學(xué)院教育技術(shù)中心，湖南 長沙 410100）

針對傳統(tǒng)UPS蓄電池內(nèi)阻在線監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜的問題，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN技術(shù)設(shè)計了蓄電池組內(nèi)阻在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由多個電壓監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、一個電流監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成。通過電流互感器和控制器的ADC口采集UPS浮充和放電兩種情況下的總電流和單節(jié)電池的端電壓，根據(jù)直流檢測方法求出單體電池的內(nèi)阻，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)是一臺裝有監(jiān)控管理軟件的計算機(jī)，負(fù)責(zé)接收、處理、顯示和統(tǒng)計分析各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池組內(nèi)阻的實(shí)時在線監(jiān)測，且工作穩(wěn)定、安裝方便，消除了由于大量布線存在的短路隱患。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；電池內(nèi)阻直流檢測；在線監(jiān)測

蓄電池組是UPS重要的儲能單元，它可以保證設(shè)備不間斷供電，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。蓄電池組一般是由電池單體串聯(lián)組成，即便只有一節(jié)電池性能出現(xiàn)惡化（一般表現(xiàn)為內(nèi)阻值增大），也會嚴(yán)重影響到整組電池的容量性能，從而影響設(shè)備的正常供電。目前已經(jīng)有一些電力系統(tǒng)采用蓄電池實(shí)時在線內(nèi)阻監(jiān)測系統(tǒng)，但大部分通過有線方式，導(dǎo)致在蓄電池機(jī)架上布滿了走線，不僅安裝和維護(hù)不方便，而且由于蓄電池容易發(fā)熱存在而短路的風(fēng)險[1-2]。本文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了蓄電池組內(nèi)阻在線監(jiān)測系統(tǒng)，使組網(wǎng)更加方便，也解決了交叉布線的繁瑣，避免重大事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及檢測原理

蓄電池內(nèi)阻可作為其容量和完好性的有效指標(biāo)，在蓄電池老化過程中，其內(nèi)阻的上升明顯早于充電時端電壓的提高，直到內(nèi)阻上升60%以上時，端電壓才有明顯的增大。電池內(nèi)阻具有很好的預(yù)測性，可以用來評估和預(yù)測蓄電池的性能，因?yàn)樾铍姵氐膬?nèi)阻與容量及其完好性有著密切的關(guān)系[3]。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

蓄電池組實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由多個電壓監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、一個電流監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)監(jiān)測管理匯聚節(jié)點(diǎn)和ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)組成。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)組成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

每個ZigBee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)具有唯一的ID號碼，用于識別對應(yīng)的電池。上位機(jī)向監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測指令后，各節(jié)點(diǎn)按照指令執(zhí)行并返回各單體電池內(nèi)阻給上位機(jī)。上位機(jī)是一臺安裝了專業(yè)研制蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測管理軟件的PC，通過串口與ZigBee模塊進(jìn)行通信，接收、處理、分析統(tǒng)計、顯示和存儲從各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，當(dāng)有內(nèi)阻值超出設(shè)置的安全范圍時，會自動發(fā)出報警信號提醒運(yùn)維工程師進(jìn)行維護(hù)或者更換。

1.2 蓄電池內(nèi)阻直流檢測方法

直流檢測法：在電池組兩端接入放電負(fù)載，對蓄電池進(jìn)行瞬間大電流放電，產(chǎn)生電壓降，測量電池端電壓在放電過程中的瞬間變化和放電電流值，據(jù)此可推導(dǎo)出蓄電池內(nèi)部真實(shí)的等效內(nèi)部阻抗值。在浮充狀態(tài)下理想認(rèn)為浮充電流近似為零[4-5]。這是一種標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻測量方法，單節(jié)電池內(nèi)阻公式可表示為式（1）：

為了在原有UPS系統(tǒng)基礎(chǔ)上改動不大的情況下實(shí)現(xiàn)內(nèi)阻直流檢測方法，本文設(shè)計了UPS蓄電池內(nèi)阻直流檢測電路，如圖2所示。

圖2 UPS蓄電池內(nèi)阻直流檢測電路

正常情況下，UPS工作在浮充狀態(tài)，此時通過電壓采集模塊和電流互感器測得單體電池的電壓1和總電流1；然后微控制器驅(qū)動繼電器斷開，使UPS工作在放電狀態(tài)，此時測得單體電池的電壓2和總電流2，根據(jù)公式（1）就可以求出該電池的內(nèi)阻。

2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計

2.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

電池參數(shù)采集模塊硬件主要由微控制器ATmega128L、電壓調(diào)理電路、電流互感器、繼電器及驅(qū)動電路、ZigBee無線通信模塊CC2420和8位撥碼ID設(shè)置單元組成。采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采集模塊硬件結(jié)構(gòu)

每個采集節(jié)點(diǎn)都有唯一的ID號碼，通過8位撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)置。無線通信模塊核心采用工作在2.4GHz的單芯片低電壓CC2420射頻收發(fā)器，它是一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件，片上集成了802.15.4的物理層功能，并硬件支持部分MAC層功能的實(shí)現(xiàn)，具有工作電壓低﹑體積小和能耗低的優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

微控制器ATmega128L作為采集節(jié)點(diǎn)的核心部分，主要負(fù)責(zé)處理運(yùn)算和協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，與ZigBee無線通信模塊CC2420的SPI口連接，直接訪問內(nèi)部寄存器和存儲器，支持高達(dá)250 kb/s數(shù)據(jù)傳輸率，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或者點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。通過ACD口直接獲取電壓和電流值，并通過PWM口驅(qū)動功放三極管控制繼電器的開合，從而實(shí)現(xiàn)UPS在浮充和放電狀態(tài)的自由切換。為了避免過多的布線，該監(jiān)測節(jié)點(diǎn)是由被測電池直接供電的。

2.2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

客戶端軟件采用C語言設(shè)計，由于結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，程序只有一個主函數(shù)，各子功能的執(zhí)行通過調(diào)用子函數(shù)完成，包括網(wǎng)絡(luò)連接、指令處理、電壓電流測量、繼電器控制、數(shù)據(jù)保存和發(fā)送等。軟件程序流程如圖4所示。

圖4 采集模塊軟件流程圖

采集模塊程序開始后，先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括配置ZigBee模塊CC2420的工作方式、讀取8位撥碼識別ID、處理器ATmega128L各接口和寄存器的初始狀態(tài)等，然后建立與上位機(jī)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接。等待上位機(jī)發(fā)來的測量指令，當(dāng)收到指令后首先通過控制器的ADC口獲取該節(jié)蓄電池的端電壓1，并通過電流互感器獲得通過該節(jié)蓄電池的總電流1；控制器控制斷開繼電器，使UPS處于放電狀態(tài)，再次測量該單節(jié)蓄電池的電壓2和電流2，閉合繼電器恢復(fù)UPS工作，保存測得的數(shù)據(jù)，并與ID號一起打包通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理和分析，最后控制器工作于睡眠模式，等待上位機(jī)發(fā)送指令。

3 上位機(jī)管理軟件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了便于直觀管理和記錄蓄電池組各單體電池的健康狀態(tài)，利用C++Builder作為開發(fā)工具編寫了管理軟件。上位機(jī)通過串口與ZigBee無線通信模塊連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收、處理、顯示、統(tǒng)計分析和存儲從各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

3.1 上位機(jī)管理軟件

上位機(jī)管理軟件工作在Windows操作系統(tǒng)下，利用串口控件MScomm控制與ZigBee的無線通信模塊進(jìn)行通信，把接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)時間和ID進(jìn)行分類和統(tǒng)計，再借助Teechart制圖控件繪出內(nèi)阻值與時間關(guān)系的直觀動態(tài)曲線圖并實(shí)時顯示。當(dāng)監(jiān)測的蓄電池內(nèi)阻值嚴(yán)重超過預(yù)設(shè)值時，預(yù)示著UPS儲能單元已經(jīng)出現(xiàn)了故障，此時系統(tǒng)將發(fā)出危機(jī)狀態(tài)預(yù)警信號，提醒運(yùn)維工程師盡快更換電池，以免影響到其他電池的性能。采用Access2003作為數(shù)據(jù)庫存儲歷史數(shù)據(jù)，它采用的是當(dāng)今流行的ADO技術(shù)，在實(shí)時顯示動態(tài)數(shù)據(jù)的同時將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的表里，以備在需要的時候分析處理查找或者歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)顯示，也可打印報表輸出[8]。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在移動基站通信機(jī)房對一組24節(jié)300 Ah的2 V蓄電池進(jìn)行安裝測試，在25℃環(huán)境下，單節(jié)標(biāo)稱內(nèi)阻值為0.65mΩ，放電電流為15.8 A。通常當(dāng)內(nèi)阻高于標(biāo)稱內(nèi)阻值的20%時，往往已無法通過容量測試；當(dāng)高于基準(zhǔn)值的50%時，完全不必進(jìn)行容量測試即可更換。蓄電池組檢測結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，4號和13號電池的內(nèi)阻已經(jīng)超過了標(biāo)稱內(nèi)阻值的21.54%和30.77%，應(yīng)該及時更換，但測得的浮充電壓值為2.42和2.73 V，顯然浮充狀態(tài)下的端電壓是難以反映電池好壞的，即使性能差的電池在浮充時也能測得合格的電壓。

表1 蓄電池組檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的蓄電池組內(nèi)阻在線監(jiān)測系統(tǒng)，工作在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸，且能夠協(xié)調(diào)繼電器、電路互感器和電壓采集單元正常工作，在保證UPS不停斷的情況下完成了蓄電池內(nèi)阻直流檢測。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠精確地檢測出蓄電池組的內(nèi)阻值，組網(wǎng)安裝方便，消除了由于大量布線存在的短路隱患，避免重大事故的發(fā)生。

[1]付海龍,賈銘椿,彭桂初.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核電站環(huán)境輻射連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2010,30(6):839-842.

[2]吳呈瑜,孫運(yùn)強(qiáng).基于ZigBee技術(shù)的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(5):38-39.

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Design of battery resistance on-linemonitoring system based onWSN

LV Jing-mei,YUAN Hao

As to the complex w iring problem of traditionalUPS battery resistance on-linemonitoring system,a battery resistance on-line monitoring system composed of voltage monitoring nodes,a currentmonitoring node and a host PC was designed by using WSN technology.The totalcurrentand the single battery term inalvoltage were collected by the current sensor and ADC on the controller in the condition of float charging and discharging of UPS,and the cell resistance was got according to direct current detection measure,and the data was packed and sent to host PC through ZigBee network.The host PC is a com puter equipped w ith monitoring management software,responsible for receiving,disposing,disp laying and analyzing the data sent from all the monitoring nodes.The experiment show that this system can realize the battery resistance real-time on-line monitoring,operating stably and easy to install, elim inating the danger of shorting due to a lotofw iring of the battery.

w ire sensor network;battery resistance direct currentdetection;on-linemonitoring

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0900-02

2013-10-28

湖南省教育廳基金項(xiàng)目(12C0955)

呂景美(1976—)，女，湖南省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用與圖像處理。