集成RFID的電池充放電參數采集節點設計

陸鎮華，秦 理

（廣東省輸變電工程公司 廣東 廣州 510160）

電池在出廠之前一般都要經過一道充放電工序，對電池的性能進行檢測，這對于保證電源供電可靠性具有十分重要的作用。充放電過程需要檢測的參數一般包括：充放電電壓、充放電電流、電池溫度、內阻、荷電狀態（SOC）、劣化狀況（SOH），以便于處理極扳活性物質凝結、測試電池性能、防止極板鈍化，保證電池質量。根據中國郵電電信總局頒發的《電信電源維護規程》的要求，所有閥控式鉛酸（VRLA）蓄電池出廠前都要進行進行2～3次充放電試驗，考驗和檢測各相技術指標[1]。

本論文設計一種集成RFID電子標簽的傳感器節點，實現實時數據采集，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數據存儲在電子標簽中，由上位機上的讀卡器實時讀取。另外根據電池企業的特殊應用背景，電池生產線上布置大規模、高密集度的RFID標簽，必須設計快速大批量讀取的RFID讀寫器，將RFID技術與無線傳感器網絡技術進行融合。無線傳感器網絡一般不關心某一節點的位置，因此對節點一般都不采用全局標識，而RFID技術對節點的標示有著得天獨厚的優勢[2]，將兩者結合共同組成網絡可以相互彌補對方的缺陷，網絡既可以考慮到每一個電池的充放電過程的電流、電壓信息，也可以利用RFID的標識功能輕松的找到每一個電池的具體位置。

無線傳感器網絡技術綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡及無線通信、分布式信息處理等多領域技術，是工業控制的前沿技術，應用前景十分廣闊。本文設計的節點由集成RFID電子標簽的傳感器組成，兼有電子標簽和傳感器的功能。外形設計小巧，只有打火機體積大小，接在每只電池的兩個端子上。充放電機工作時，傳感器節點采集數據，并且將數據存儲在電子標簽中，安裝在上位機上的讀卡器將采集數據實時讀取。無線傳感器網絡采用自組織協議支持下的網絡拓撲結構[3]，在電磁干擾和遮擋干擾都非常嚴重的生產車間，系統可以穩定運作，并且信息采集的可靠性也比有線采集提高了一個數量級。

1 集成RFID的智能節點的硬件設計

該智能節點由微控制單元、傳感器采集單元、射頻收發器、RF天線、內部存儲器單元和供電單元6部分組成。集成RFID電子標簽的智能節點被放置在電池頂端，接口連接電池兩個極板[4]，傳感器采集單元負責采集電池的電流、電壓、溫度等信息，采集的電量信息暫存在內部存儲器中，微處理器在合適的時候將數據進行處理，由SPI接口將數據發送到電子標簽，電子標簽中的信息通過射頻收發器發送出去，由上位機上的讀卡器實時讀取。整個節點的硬件結構圖如圖1所示。

圖1 RFID電子標簽的智能節點的硬件結構圖Fig.1 Hardware structure diagram of RFID intelligent nodes

下面分別介紹各個部分的具體設計

傳感器采集單元：傳感器采集單元負責采集電池的電流、電壓、溫度等電量信息，它包含有電源模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。

圖2 智能節點的硬件原理圖Fig.2 Hardware principle diagram of RFID intelligent nodes

①電壓采集模塊

電壓采集則需要先對電壓進行放大和濾波，然后直接進行AD轉換即可由微處理器進行讀取和處理[5]。本文選用科海模塊KV50A/P，KV50/P的被測電流為額定值10 mA （被測電壓通過連接電阻R得到，V/R=被測電流），輸出電流為額定值50 mA，測量范圍為 0～15 mA，線性度＜0.1%，內阻為 450 Ω。

電壓采集模塊采樣電路圖如圖3所示。

圖3 電壓采集模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of voltage acquisition module

②電流采集模塊

電流采集使用一個霍爾電流傳感器芯片，該傳感器可將電流轉換成與之對應的電壓值，電壓值再經過一次AD轉換，就可以直接被微處理器接收和儲存。本文選用科海模塊KA50A/P。電流采集模塊采樣電路圖如圖4所示。

圖4 電流采集模塊電路圖Fig.4 The circuit diagram of current acquisition module

③溫度采集模塊

溫度采集模塊采用美國Dallas公司生產的DSl8B20單總線數字式智能型溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，它的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例，而且不需要外部校準或微調，直接將溫度物理量轉化為數字信號，并以總線方式傳送到控制器進行數據處理[6]。DS18B20對于實測的溫度提供了9～12位的數據和報警溫度寄存器，測溫范圍為55～+125℃，其中在10～+85℃的范圍內測量精度為±0.5℃。DSl8B20的輸出電壓與攝氏溫度呈線性關系，0℃時輸出為0 V，每升高1℃，輸出電壓增加10 mV此傳感器可適用于各種領域、各種環境的自動化測量及控制系統，具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強、易配微處理器等優點。此外，每一個DSl8B20有唯一的系列號，因此多個DSl8B20可以存在于同一條單線總線上。DSl8B20溫度傳感器與主控芯片MSP430連接圖如圖5所示。

圖5 Sl8B20溫度傳感器與主控芯片連接圖Fig.5 The connection diagram of the temperature sensor and main control chip

2 射頻收發器單元

RFID射頻收發器單元和傳感器采集單元集成在一個傳感器節點上，兼有電子標簽和傳感器的功能，傳感器采集單元采集電壓、電流、溫度值[7]，電子標簽將數據存儲在起來，讀寫器通過訪問射頻收發器單元實時讀取標簽的信息。實物模擬圖如圖6所示。

圖6 實物模擬圖Fig.6 Physical simulation diagram

將射頻收發器單元融入網絡節點是RFID的發展趨勢之一，RFID網絡如實時定位系（RTLS）己經非常成熟，這表明我們可以把RFID標簽融入傳感器節點中，來更好地讀取我們想要的數據信息。電子標簽可以像自組織的無線傳感器網絡節點那樣密集地部署。全自動地工作，把數據信息采用多跳的方式發送到sink節點。由于在同一區域內的標簽的信息比較類似，所以這些信息可以在每個智能節點中通過簡單有效的數據壓縮方法進行壓縮，保證數據流量不至于太大，能耗方面也有優勢[8]。圖7為節點射頻收發器單元工作原理圖。

圖7 節點射頻收發器單元工作原理圖Fig.7 Hardware principle diagram of RFID intelligent nodes

3 讀寫器控制單元設計

考慮電池廠高塵、高電磁影響、高酸的環境，以及批量讀取等特性和本身的需求，讀寫器須滿足如下要求：讀寫器網絡供電，為Ethernet802.3模式A及模式B（支持100 M線長）；直流供電電壓10－30VDC，最大功耗 15 W；工作溫度－20～－60℃；存儲溫度－40～－85℃；讀寫器被設置在上位機上，當被檢測的電池未達到規定的參數要求時，讀寫器發出警報信息，同時狀態顯示在哪個環節出現問題以及對應的負責人和檢測時間。同時讀寫器的設計考慮了與企業內部局域網的連接，可以通過以太網端口或Wifi接口連接到企業內部網絡。具體的硬件結構圖如圖8所示。

圖8 讀寫器控制單元硬件結構圖Fig.8 Hardware structure diagram reading and writing control unit

4 實驗和結論

我們在電池生產車間進行充放電實地實驗，將RFID電子標簽的智能節點（圖9左），射頻收發器（圖9右）固定在電池極板上，讀寫器模塊放在控制終端連接上位機。電池進行充放電循環實驗，智能節點不斷將充放電過程的數據發送至射頻收發器。如圖10所示，上位機將實時數據進行統計處理后，可得到電池的充放電實時曲線。

圖9 RFID電子標簽智能節點與射頻收發器Fig.9 RFID intelligent node and Rf transceiver

由圖10可見：充放電過程的參數采集能良好反應電池的充放電過程，即：恒流充電、恒壓充電和浮充等階段。

圖10 蓄電池充電曲線Fig.10 Battery charging curve

5 結束語

本文針對電磁干擾和遮擋非常嚴重的電池生產車間的復雜環境，設計一種集成RFID電子標簽的傳感器網絡智能節點。在每個電池上安置一個采集節點，節點由集成了RFID電子標簽的傳感器組成，兼有電子標簽和傳感器的功能，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數據存儲在電子標簽中，由上位機上的讀卡器實時讀取，所有節點構成一個龐大的無線傳感器網絡。全過程不需人工干預進行實時監控，同時將充放電過程的數據存儲在數據庫中，以實現電池售后的質量跟蹤和追溯。相對于傳統電池充放電方法，采集節點將充放電過程的監控做到了自動化、專家化。

[1]陳瑩．CDMA擴頻通信及其實驗系統的設計與實現[D]．武漢：武漢理工大學，2008．

[2]王夢珂．CDMA系統中多用戶檢測技術的研究 [D]．青島：青島科技大學，2007．

[3]戴蕭嫣．局域多基站水聲定位信號的模式設計與仿真[D]．太原：中北大學，2007．

[4]李強．非平穩信號特征提取新方法和實用診斷技術的研究[D]．天津：天津大學機械工程學院，2009．

[5]張國偉，姜德生，祈耀斌．基于光纖傳感技術的油庫監測系統的設計[J]．微計算機信息，2007，6（1）：138－139．ZHANG Guo-wei，JIANG De-sheng，QI Yao-bin.Research on remote monitoring system used in oil warehouse[J].Sensors and Instrumentation，2007，6（1）:138－139．

[6]劉秋麗，蔣耘晨，楊明，等．ZigBee技術無線傳感器網絡在天然氣聯合站中的應用[J]．儀表技術與傳感器，2007（1）：20－21．LIU Qiu-li，JIANG Yun-chen，YANG Ming.Application of zigbee-based wireless sensor networks in gas union stations[J].Instrument Technique and Sensor，2007（1）:20－21．

[7]YAN Ji-na，WANG Ling，KIMB Y，et a1.EEMC：An energy efficient multi-level clusering algorithm for wireless networks[J]．Computer Networks，2008，52（3）：542－562．

[8]LI Cheng-fa，CHEN Cui-hai，YE Mao，et al．An uneven cluster based muting protect for wireless sensor networks[J]．Journal of Computers，2007，30（1）：27－36．