基于WSN的蓄電池組內阻在線監測系統設計

呂景美，袁浩

（長沙師范學院教育技術中心，湖南 長沙 410100）

基于WSN的蓄電池組內阻在線監測系統設計

呂景美，袁浩

（長沙師范學院教育技術中心，湖南 長沙 410100）

針對傳統UPS蓄電池內阻在線監測系統布線復雜的問題，采用無線傳感器網絡WSN技術設計了蓄電池組內阻在線監測系統，系統主要由多個電壓監測節點、一個電流監測節點和上位機組成。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電池的端電壓，根據直流檢測方法求出單體電池的內阻，通過ZigBee網絡將數據打包發送至上位機。上位機是一臺裝有監控管理軟件的計算機，負責接收、處理、顯示和統計分析各監測節點發送來的數據。實驗證明，該系統能夠實現蓄電池組內阻的實時在線監測，且工作穩定、安裝方便，消除了由于大量布線存在的短路隱患。

無線傳感器網絡；電池內阻直流檢測；在線監測

蓄電池組是UPS重要的儲能單元，它可以保證設備不間斷供電，直接關系到整個系統的可靠運行。蓄電池組一般是由電池單體串聯組成，即便只有一節電池性能出現惡化（一般表現為內阻值增大），也會嚴重影響到整組電池的容量性能，從而影響設備的正常供電。目前已經有一些電力系統采用蓄電池實時在線內阻監測系統，但大部分通過有線方式，導致在蓄電池機架上布滿了走線，不僅安裝和維護不方便，而且由于蓄電池容易發熱存在而短路的風險[1-2]。本文采用無線傳感器網絡技術設計了蓄電池組內阻在線監測系統，使組網更加方便，也解決了交叉布線的繁瑣，避免重大事故的發生。

1 系統總體設計及檢測原理

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

1.1 系統總體結構

蓄電池組實時在線監測系統主要由多個電壓監測節點、一個電流監測節點、上位機監測管理匯聚節點和ZigBee通信網絡組成。監測節點與上位機組成星型拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統星型拓撲結構

每個ZigBee監測節點具有唯一的ID號碼，用于識別對應的電池。上位機向監測節點發送檢測指令后，各節點按照指令執行并返回各單體電池內阻給上位機。上位機是一臺安裝了專業研制蓄電池內阻監測管理軟件的PC，通過串口與ZigBee模塊進行通信，接收、處理、分析統計、顯示和存儲從各監測節點發來的數據，當有內阻值超出設置的安全范圍時，會自動發出報警信號提醒運維工程師進行維護或者更換。

1.2 蓄電池內阻直流檢測方法

直流檢測法：在電池組兩端接入放電負載，對蓄電池進行瞬間大電流放電，產生電壓降，測量電池端電壓在放電過程中的瞬間變化和放電電流值，據此可推導出蓄電池內部真實的等效內部阻抗值。在浮充狀態下理想認為浮充電流近似為零[4-5]。這是一種標準內阻測量方法，單節電池內阻公式可表示為式（1）：

為了在原有UPS系統基礎上改動不大的情況下實現內阻直流檢測方法，本文設計了UPS蓄電池內阻直流檢測電路，如圖2所示。

圖2 UPS蓄電池內阻直流檢測電路

正常情況下，UPS工作在浮充狀態，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；然后微控制器驅動繼電器斷開，使UPS工作在放電狀態，此時測得單體電池的電壓2和總電流2，根據公式（1）就可以求出該電池的內阻。

2 監測節點設計

2.1 監測節點硬件設計

電池參數采集模塊硬件主要由微控制器ATmega128L、電壓調理電路、電流互感器、繼電器及驅動電路、ZigBee無線通信模塊CC2420和8位撥碼ID設置單元組成。采集節點硬件結構如圖3所示。

圖3 采集模塊硬件結構

每個采集節點都有唯一的ID號碼，通過8位撥碼開關實現設置。無線通信模塊核心采用工作在2.4GHz的單芯片低電壓CC2420射頻收發器，它是一款適用于ZigBee產品的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層功能的實現，具有工作電壓低﹑體積小和能耗低的優點[6-7]。

微控制器ATmega128L作為采集節點的核心部分，主要負責處理運算和協調各模塊之間的工作，與ZigBee無線通信模塊CC2420的SPI口連接，直接訪問內部寄存器和存儲器，支持高達250 kb/s數據傳輸率，可實現點對點或者點對多點的快速組網。通過ACD口直接獲取電壓和電流值，并通過PWM口驅動功放三極管控制繼電器的開合，從而實現UPS在浮充和放電狀態的自由切換。為了避免過多的布線，該監測節點是由被測電池直接供電的。

2.2 監測節點軟件設計

客戶端軟件采用C語言設計，由于結構不復雜，程序只有一個主函數，各子功能的執行通過調用子函數完成，包括網絡連接、指令處理、電壓電流測量、繼電器控制、數據保存和發送等。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，先進行系統的初始化，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等，然后建立與上位機的ZigBee網絡連接。等待上位機發來的測量指令，當收到指令后首先通過控制器的ADC口獲取該節蓄電池的端電壓1，并通過電流互感器獲得通過該節蓄電池的總電流1；控制器控制斷開繼電器，使UPS處于放電狀態，再次測量該單節蓄電池的電壓2和電流2，閉合繼電器恢復UPS工作，保存測得的數據，并與ID號一起打包通過ZigBee網絡發送至上位機進行處理和分析，最后控制器工作于睡眠模式，等待上位機發送指令。

3 上位機管理軟件和實驗結果

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，利用C++Builder作為開發工具編寫了管理軟件。上位機通過串口與ZigBee無線通信模塊連接進行數據交互，接收、處理、顯示、統計分析和存儲從各監測節點發送來的數據。

3.1 上位機管理軟件

上位機管理軟件工作在Windows操作系統下，利用串口控件MScomm控制與ZigBee的無線通信模塊進行通信，把接收到的數據根據時間和ID進行分類和統計，再借助Teechart制圖控件繪出內阻值與時間關系的直觀動態曲線圖并實時顯示。當監測的蓄電池內阻值嚴重超過預設值時，預示著UPS儲能單元已經出現了故障，此時系統將發出危機狀態預警信號，提醒運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作為數據庫存儲歷史數據，它采用的是當今流行的ADO技術，在實時顯示動態數據的同時將數據錄入數據庫中相應的表里，以備在需要的時候分析處理查找或者歷史數據再現顯示，也可打印報表輸出[8]。

3.2 實驗結果

在移動基站通信機房對一組24節300 Ah的2 V蓄電池進行安裝測試，在25℃環境下，單節標稱內阻值為0.65mΩ，放電電流為15.8 A。通常當內阻高于標稱內阻值的20%時，往往已無法通過容量測試；當高于基準值的50%時，完全不必進行容量測試即可更換。蓄電池組檢測結果如表1所示。

從表1中可以看出，4號和13號電池的內阻已經超過了標稱內阻值的21.54%和30.77%，應該及時更換，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 蓄電池組檢測結果

4 結束語

本文提出了基于無線傳感器網絡的蓄電池組內阻在線監測系統，工作在星型拓撲結構下能夠實現數據的正常傳輸，且能夠協調繼電器、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阻直流檢測。經實驗表明，該系統工作穩定可靠，能夠精確地檢測出蓄電池組的內阻值，組網安裝方便，消除了由于大量布線存在的短路隱患，避免重大事故的發生。

[1]付海龍,賈銘椿,彭桂初.基于無線傳感器網絡的核電站環境輻射連續監測系統研究[J].核電子學與探測技術,2010,30(6):839-842.

[2]吳呈瑜,孫運強.基于ZigBee技術的短距離無線數據傳輸系統[J].儀表技術與傳感器,2008(5):38-39.

[3]武靜濤,馬長寶,劉永波.水質監測無線傳感器網絡節點的設計[J].計算機測量與控制,2009,17(12):2575-2578.

[4]涂巧玲,張杰.基于C/S的傳感器網絡在生命信息監測系統中的應用[J].傳感器與微系統,2008,27(6):107-109.

[5]樸昌浩,劉其峰,黃智宇,等.基于LIN總線的閥控式鉛酸蓄電池管理系統設計[J].電源技術,2011(12):1562-1565.

[6]張慧熙,孫亞萍.實時遠程電源和UPS監控網絡節點機硬件設計與實現[J].計算機測量與控制,2010(1):142-143.

[7]李志宇,史浩山.基于ATmega128L的無線傳感器網絡節點設計與實現[J].計算機工程與應用,2006,42(27):76-79.

[8]文玉梅,葉建平,李平,等.一種振動自供能無線傳感器的電源管理電路[J].電子技術應用,2011,37(11):84-87.

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目(12C0955)

呂景美(1976—)，女，湖南省人，碩士，講師，主要研究方向為計算機應用與圖像處理。