區(qū)域自動(dòng)站蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化

孫建強(qiáng)

山東省泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站 山東泰安 271000

本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一款區(qū)域自動(dòng)站蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其能較為精準(zhǔn)對(duì)蓄電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過GPRS 無線傳輸方式將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱谡{(diào)試助手上，并對(duì)低電量進(jìn)行預(yù)警。運(yùn)維人員根據(jù)調(diào)試助手發(fā)出的預(yù)警信息對(duì)故障點(diǎn)的蓄電池進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和更換已經(jīng)老化的蓄電池。這樣切實(shí)保障自動(dòng)站蓄電池的高水平運(yùn)行，同時(shí)也提高數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。

1 測(cè)量系統(tǒng)原理與組成

蓄電池電量監(jiān)測(cè)目前國內(nèi)外采取的監(jiān)測(cè)方法多種多樣，比如電壓巡檢法、容量放電法、放電曲線法、溫度測(cè)量法和內(nèi)阻測(cè)量的方法等，本項(xiàng)目研究的核心是通過對(duì)蓄電池電量的監(jiān)測(cè)，來判斷蓄電池老化的程度，從而對(duì)于老化嚴(yán)重的蓄電池發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過軟件系統(tǒng)提供運(yùn)維人員對(duì)故障點(diǎn)蓄電池進(jìn)行更換。由于此次研究暫不考慮引起蓄電池老化的各個(gè)因素，也不對(duì)已經(jīng)老化的蓄電池進(jìn)行二次修復(fù)，只是對(duì)過度老化的電池進(jìn)行人為更換，所以對(duì)電量監(jiān)測(cè)的精度的要求也不算太高。項(xiàng)目的核心是驗(yàn)證此種方式是否可以較為有效的對(duì)蓄電池老化進(jìn)行預(yù)警，整個(gè)系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)用中是否還存在未考慮到的問題，這些問題是否都可以得到解決，預(yù)期的效果是否可以達(dá)到。根據(jù)參與人員的研究方向與經(jīng)費(fèi)預(yù)算為基礎(chǔ)，項(xiàng)目組通過查閱資料文選，決定采取監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓變化來作為蓄電池老化的參數(shù)，并對(duì)長時(shí)間的低電壓進(jìn)行告警[1]。

系統(tǒng)由電壓檢測(cè)模塊、無線傳輸模塊和串口調(diào)試助手（以下簡稱上位機(jī)）三部分組成。數(shù)據(jù)采集后的傳輸可以采用RS485（有線）傳輸或4G 網(wǎng)絡(luò)（無線）到上位機(jī)端。整個(gè)系統(tǒng)的安裝是將電壓檢測(cè)模塊的檢測(cè)端安裝在蓄電池的正負(fù)極上，電壓檢測(cè)模塊將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)收集后通過RS485 傳輸給無線模塊，無線模塊再通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)往指定的網(wǎng)絡(luò)IP 地址端。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 電壓測(cè)量原理

先對(duì)蓄電池的正負(fù)電壓端進(jìn)行電阻分壓處理，再在較低的電阻兩端接入AD 直接獲取分得的電壓，A/D 轉(zhuǎn)換就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)處理，最后根據(jù)蓄電池廠家的蓄電池電壓曲線與電量的關(guān)系，找出電壓過低的閾值并進(jìn)行預(yù)警。根據(jù)查閱的資料和說明書，此款蓄電池的電壓在長期低于10.8V 時(shí)屬于嚴(yán)重老化，不能在繼續(xù)使用，應(yīng)盡快更換電池。取樣電路如圖2 所示。

圖2 取樣電路

1.2 硬件部分

電壓監(jiān)測(cè)模塊在蓄電池的電壓端用一個(gè)80k 和10k 的高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行分壓，再10k 的高精度電阻兩端連接AD 公司的一款16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片（AD），片內(nèi)集成了過壓保護(hù)電路、二階模擬抗混疊濾波器、模擬多路復(fù)用器、16 位200kSPS 的ADC 和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。測(cè)量電路中經(jīng)放大濾波處理過的信號(hào)由A/D 模塊轉(zhuǎn)換并輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，送給STM32 單片機(jī)處理，處理好的數(shù)據(jù)信息再通過RS485 控制信號(hào)接入到無線模塊上（無線模塊同時(shí)具備RS485 與4G 無線傳輸方式），再采用塔石公司的4GDTU無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ腎P 地址端。系統(tǒng)的硬件框圖如圖3 所示。

圖3 硬件框圖

1.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和異常報(bào)警兩個(gè)主要功能，數(shù)據(jù)1分鐘一個(gè)數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)蓄電池監(jiān)測(cè)電壓低于10.8V 進(jìn)行報(bào)警。測(cè)量流程圖如圖4 所示。

圖4 測(cè)量流程圖

2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證情況

2.1 模擬驗(yàn)證階段

系統(tǒng)設(shè)計(jì)并研發(fā)測(cè)試完成后進(jìn)入模擬現(xiàn)場(chǎng)情況驗(yàn)證階段，購入一電壓范圍可調(diào)的直流開關(guān)電壓。用此開關(guān)電源來代替蓄電池，并對(duì)開關(guān)電源的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)并與開關(guān)電壓上顯示的電壓進(jìn)行對(duì)比，用來驗(yàn)證電壓檢測(cè)模塊的精度和可靠性，并通過RS485 有線和4G無線方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠。

2.2 實(shí)地驗(yàn)證階段

模擬驗(yàn)證階段完成后進(jìn)入實(shí)地驗(yàn)證環(huán)節(jié)，選擇一處已經(jīng)出現(xiàn)電池老化的蓄電池進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)地安裝和監(jiān)測(cè)，并通過4G 無線方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠。

2.3 項(xiàng)目完成情況

項(xiàng)目的軟硬件均已完成。硬件的各個(gè)設(shè)備能夠準(zhǔn)確檢測(cè)各個(gè)參數(shù)，其結(jié)果符合誤差要求。上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)顯示數(shù)據(jù)并對(duì)過低的電壓提供報(bào)警信號(hào)，且軟硬件之間的通信狀況良好，能夠穩(wěn)定完成指令傳遞以及數(shù)據(jù)收發(fā)，各項(xiàng)功能已經(jīng)完成。

3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

采用高速AD 轉(zhuǎn)換器與微處理器，為后續(xù)硬件功能的擴(kuò)展打下基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)模塊采用先進(jìn)的高度AD 與微處理器，其端口眾多，速度快，可擴(kuò)展功能強(qiáng)大，為后續(xù)電壓監(jiān)測(cè)的其他參數(shù)測(cè)（雜波、內(nèi)阻、電解液濃度等）試提供了硬件保障。

4 總結(jié)與展望

通過項(xiàng)目的研究工作，我們研制完成了區(qū)域自動(dòng)站蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并達(dá)到了預(yù)期的效果。希望能在后續(xù)的工作中進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化帶來一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過總結(jié)和分析，如果具備條件將系統(tǒng)進(jìn)一步的融合和優(yōu)化，希望能做成功更加強(qiáng)大的電壓監(jiān)測(cè)模塊，同時(shí)提高硬件的自我保護(hù)措施和抗惡劣環(huán)境的能力，增強(qiáng)軟的功能，并通過對(duì)長時(shí)間大量數(shù)據(jù)的收集與分析，找出蓄電池老化的原因與規(guī)律，通過更加智能的手段來延長蓄電池的使用壽命，降低人工與設(shè)備維護(hù)成本。