基于5G無(wú)線通信的電池狀態(tài)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張創(chuàng)奧，吳暉，李云鵬，王黎明，黃澤民

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司樂(lè)清市供電公司，浙江 樂(lè)青 325600）

0 引言

在高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，供電質(zhì)量的好壞將影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。現(xiàn)有的電網(wǎng)供電大多十分穩(wěn)定，一般來(lái)說(shuō)，只有在進(jìn)行線路檢修時(shí)才會(huì)停電。在電網(wǎng)供電中，一般會(huì)采用蓄電池組作為停電時(shí)的應(yīng)急電源。但是，由于蓄電池組的運(yùn)行狀態(tài)受到多種因素的影響，容易出現(xiàn)蓄能不足的情況。如果蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)欠佳，將會(huì)因?yàn)樾铍姵毓收蠈?dǎo)致在需要使用時(shí)不能啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，影響供電質(zhì)量[1]。

當(dāng)前，我國(guó)的變電站大多無(wú)人值守，如果用傳統(tǒng)的方式來(lái)維護(hù)變電站，必然會(huì)增加人力成本。另外，蓄電池完成一次充放電循環(huán)將耗費(fèi)30個(gè)小時(shí)，如果依靠人工監(jiān)測(cè)，不僅耗費(fèi)大量的人力成本，而且監(jiān)測(cè)效率、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度也較低。本系統(tǒng)主要是采集蓄電池的電壓、電流、溫度和剩余電量等信息，從而了解蓄電池的電流、電壓、溫度、剩余電量等運(yùn)行參數(shù)，并且對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)判及預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本系統(tǒng)所采集的信號(hào)包括電壓采集信號(hào)、電流采集信號(hào)和溫度采集信號(hào)，其中，電壓采集信號(hào)和電流采集信號(hào)是由芯片DS2438采集，溫度采集信號(hào)是由AT89S52單片機(jī)采集。將采集到的電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)輸給單片機(jī)。最后，由5G通信模塊將所采集到的電壓、電流和溫度傳輸給終端機(jī)，在人機(jī)交互界面上顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器選擇

Atmel公司生產(chǎn)AT89S52單片機(jī)有8位CPU，256字節(jié)RAM，自帶8K編程，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，功能十分強(qiáng)大，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為控制器，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供多樣化的解決方案，為本系統(tǒng)各項(xiàng)功能的順利開(kāi)展提供可行方案。

2.2 電流電壓信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)

美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS2438智能電池監(jiān)測(cè)芯片具有極高的穩(wěn)定性，并且支持1-Wire單總線的通信方式。本系統(tǒng)采用DS2438智能電池監(jiān)測(cè)芯片來(lái)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓和電流，接線方式如圖2所示。將DS2438芯片的DQ和單片機(jī)AT89S52的I/O物理連接，就可以實(shí)現(xiàn)電流和電壓數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)電流和電壓采集需求。

圖2 DS2438 芯片與單片機(jī)的連線圖

2.2.1 電流信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)

DS2438芯片采用SOIC方式封裝，允許通過(guò)的最大電流為毫安級(jí)。如果直接用于采集DS2438芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，顯然容易過(guò)流，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。智能電池監(jiān)測(cè)芯片采用SOIC方式封裝，可測(cè)電流范圍一般為毫安級(jí)。但是，變電站的蓄電池組電流可以達(dá)到10安培，如果直接采用DS2438智能電池監(jiān)測(cè)芯片監(jiān)測(cè)，必然會(huì)出現(xiàn)電流過(guò)大的情況。因此，本系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的方式來(lái)轉(zhuǎn)化電流，讓轉(zhuǎn)化后的電流范圍減少到毫安級(jí)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，本系統(tǒng)采用閉環(huán)電流霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)電流的轉(zhuǎn)換，具體的轉(zhuǎn)換公式為：

蓄電池的測(cè)量電流與刪除測(cè)量電流之間的關(guān)系為：

其中，IBAT表示蓄電池電流，ISENS表示刪除蓄電池電流，K表示閉壞電流霍爾傳感器的比例系數(shù)。

電流信號(hào)采集的接線方式為：將芯片DS2438的引腳VSENS+和VSENS-與閉環(huán)電流霍爾傳感器的RSENS兩端相連。用電容Cf和電阻R構(gòu)成RC低通濾波器，該RC低通濾波器的頻率為15.9Hz。由于RC低通濾波器能夠有效消除電流尖峰對(duì)采集電路的影響，因而，測(cè)量精度更高。

2.2.2 電壓信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)

通常情況下，需要兩個(gè)選通信號(hào)來(lái)采集單個(gè)蓄電池的電壓，如果蓄電池組的串聯(lián)單體越多，光耦開(kāi)發(fā)的數(shù)量就會(huì)增加，在測(cè)量準(zhǔn)確度、測(cè)量精度等方面將會(huì)受到較大影響。本系統(tǒng)采用Altera公司生產(chǎn)的EPM7064可編程邏輯控制器來(lái)控制光耦，減少光耦對(duì)電壓測(cè)量結(jié)果的影響。

2.3 蓄電池剩余容量采集單元設(shè)計(jì)

蓄電池的標(biāo)稱容量受到多個(gè)因素的影響，并且會(huì)隨著環(huán)境變化而波動(dòng)，并不是一個(gè)定值。所以，在實(shí)踐中，大多采用蓄電池的實(shí)際容量來(lái)計(jì)算剩余容量。剩余容量的計(jì)算公式為：

其中，ICA是直流過(guò)蓄電池寄存器的電流。

2.4 蓄電池溫度信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)

美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20是以“一線總線”的方式采集和傳輸溫度。該數(shù)字傳感器無(wú)需額外的A/D轉(zhuǎn)換器，可以直接將采集到的溫度傳輸給CPU，具有極強(qiáng)的敏感度和抗干擾能力。本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度信號(hào)，接線方式如圖3所示。將溫度傳感器DS18B20的DQ端與單片機(jī)的I/O端相連，VDD接+5V電壓，GND接地。

圖3 DS18B20 測(cè)溫電路

2.5 通信單元電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用5G通信，主控制器的I/O接口分別與5G通信模塊的TX與RX連接，能夠與5G模塊實(shí)現(xiàn)同頻率雙向信號(hào)傳輸。通信模塊采用WH-LTE-7S4V2芯片作為控制器，該芯片具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠在移動(dòng)、聯(lián)通、電信等任何一種5G網(wǎng)絡(luò)制式下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信和傳遞。通信單元支持Socket連接，能夠?yàn)榫W(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)的更新提供數(shù)據(jù)，便于用戶實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)來(lái)查看電池信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DS2438芯片作為主控器，對(duì)蓄電池的電壓、電流、溫度等運(yùn)行參進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的蓄電池監(jiān)測(cè)。根據(jù)實(shí)踐需要系統(tǒng)主程序如圖4所示。系統(tǒng)初始化完成以后，控制器將會(huì)根據(jù)實(shí)際情況判斷是否啟動(dòng)中斷程序。如果關(guān)閉中斷程序，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行主程序及其他功能模塊，等待信號(hào)接收和發(fā)出。如果定時(shí)中斷，智能電池采集芯片DS2438將采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完成以后定時(shí)器復(fù)位，等待信號(hào)接收和發(fā)出[3]。

圖4 系統(tǒng)框圖

3.2 后端軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的后端軟件主要包括電流電壓采集模塊的程序設(shè)計(jì)、剩余電量采集模塊的程序設(shè)計(jì)、溫度采集模塊的程序設(shè)計(jì)和通信模塊的程序設(shè)計(jì)。

電壓采集模塊的程序設(shè)計(jì)思路如下：電壓傳感器采集到電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)DS2438芯片轉(zhuǎn)化為電壓指令。ROM將會(huì)根據(jù)電壓指令去配置/控制寄存器數(shù)據(jù)，并將SRAM00頁(yè)數(shù)據(jù)存放暫存器，用戶就可以查詢到電壓值。

剩余電量采集模塊的數(shù)據(jù)并非直接讀出，而是通過(guò)計(jì)算得出。具體的計(jì)算方法為：控制器自動(dòng)讀取電流累加器ICA寄存器的值，然后，按照公式來(lái)計(jì)算蓄電池所剩電量。

溫度采集模塊是指溫度傳感器采集到數(shù)據(jù)以后，通過(guò)1-Wire總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)尚未涉及較為復(fù)雜的溫度采集，因而，僅用1片DS18B20芯片就可以完成操作。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)轉(zhuǎn)換溫度命令（44H），讀暫存器命令（BEH）等命令就可以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)通信與傳輸。值得注意的是，在溫度數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，該線路不能傳輸任何其他數(shù)據(jù)。如果需要傳輸其他數(shù)據(jù)，啟動(dòng)中斷程序，傳輸完畢后，通過(guò)復(fù)位脈沖就可以發(fā)起溫度數(shù)據(jù)傳輸。

在蓄電池實(shí)體設(shè)置了多個(gè)溫度信息采集點(diǎn)，單片機(jī)將各溫度點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以后封裝成幀。單片機(jī)發(fā)起定時(shí)傳輸功能，并且通過(guò)5G串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器端接受到相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)人機(jī)交互界面呈現(xiàn)給用戶。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于5G無(wú)線通信的蓄電池狀態(tài)信息采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電流監(jiān)測(cè)、電壓監(jiān)測(cè)、剩余電量監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)，滿足對(duì)電池信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著應(yīng)用的不斷深入，后續(xù)還可以增加蓄電池狀態(tài)采集參數(shù)來(lái)監(jiān)控蓄電池，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘍?chǔ)能無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，解決現(xiàn)有蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足。