基于TCP/IP協議的蓄電池監測系統的研究

羅擁軍，羅一山

(廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系，廣西南寧530226)

基于TCP/IP協議的蓄電池監測系統的研究

羅擁軍，羅一山

(廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系，廣西南寧530226)

蓄電池工作狀態，直接影響著所供電設備的可靠運行，因此對蓄電池進行在線監測就具有其必要性。提出了一種基于S3C6410開發板和嵌入式Linux操作系統的蓄電池在線監測系統的設計方案。該系統可以提供蓄電池端電壓、電池內阻、容量、溫度等參數定時巡檢并自動記錄測試數據的功能，具有診斷電池故障及自動報警的功能。

蓄電池；系統監測；嵌入式；TCP/IP

Battery monitoring system study based on TCP/IP protocol

隨著電力電子和計算機網絡技術的快速發展，許多精密的儀器出現在生產和生活中。這些設備對供電電能的要求相對較高，因此，為了提高供電的可靠性，在許多生產場合均會使用蓄電池作為備用電源和不間斷電源，特點是通信系統、重要的服務器、電力控制系統、各種計費系統等。而在這種情況下，蓄電池工作狀態的優劣，對于所供電設備可靠運行具有重要的作用。

蓄電池，是一種以充電的方式使內部的活性物質以一定的形式儲存為化學能，在需要放電時把化學能轉換為電能的電氣化學設備，其工作也存在一定的不穩定性，主要表現為電池干涸發熱、漏液、過充過放、欠充欠放、內阻增大等方面，而這些方面的變化都會帶來不能正常運行的惡劣后果。因此對蓄電池定期進行檢查和檢測是一項必需的工作。

過去蓄電池的定期檢測是由人工來完成，費時費力。隨著電力電子技術的發展，自動檢查和集中控制成為可能。本設計就是利用現代技術所實現的蓄電池實時檢測系統。的監測技術已基本成熟。本文主要研究的是蓄電池組的監測管理。

蓄電池組的在線監測系統是以蓄電池各單體內阻、連接內阻、各單體蓄電池端電壓、蓄電組總電壓、蓄電池組總電流、剩余電量和蓄電池組所在環境的溫度和濕度為主要監測參數的監測系統，可以對電池的性能、狀態進行實時監測并且依據相應的數據和一定的算法對電池性能的變化趨勢進行分析判斷的自動在線監測系統。其具體功能如表1所示。

表1 蓄電池自動監測系統功能表

1 蓄電池自動監測系統整體功能分析

蓄電池的自動監測主要可以包括單體電池的監測和蓄電池組的監測。目前市場上也有許多簡單的蓄電池監測產品在出售，這些產品的主要監測對象是單體電池的電壓、單體電池的電流及溫度、充放電管理等監控內容。因此，關于單體電池

監測系統應能達到的技術指標有[1]：(1)所監測單體電壓精度達到0.5%rdg+6 dgt；(2)所監測單體及電池組內阻范圍及精度達到：范圍0～200 Ω，精度2%rdg+6 dgt；(3)蓄電池組總體電壓：范圍0～100 V，精度0.5%rdg+6 dgt；(4)蓄電池組總體電流：范圍0～150 A，精度1.0%rdg+6 dgt；(5)監測電池數量：24節；(6)通信方式：基于TCP/IP協議的以太網通信方式。

2 監測系統總體功能設計及硬件系統實現

根據以上功能分析，蓄電池的實時在線監測系統主要包括三部分組成：(1)單體電池及電池組采集層(SCDCM)；(2)通信層；(3)客戶端應用層。具體結構如圖1所示。

圖1 監測系統整體結構圖

如圖1所示，單體電池及電池組采集層采用AVR系列的8位微處理器ATMEG128作為數據處理和采樣控制芯片。ATMEG128是一個基于AVR的低功耗CMOS8位微控制器，具有六種省電模式，工作于16 MHz時工作頻率可達16 MIPS，可提供2個8位及2個16位(擴展)的定時器，同時還有2個可編程的連續串口UART，一個無線接口模塊，可以有效地作為底層數據處理的控制芯片。

單體蓄電池及電池組的電流及電壓采用霍爾電流和電壓傳感器來完成，溫濕度由DLT11來完成。采集數據的模數轉換由AD976A負責。

底層的節點間數據通信采用無線射頻的方式，利用ATMEG128上的無線接口模塊，連接CC1100無線射頻模塊就可實現底層數據向通信層網關發送數據的功能。

通信層由嵌入式系統S3C6410來完成。S3C6410是一種32位的微處理器，可以移植Linux操作系統，具有豐富的外設接口。在本設計中，主控芯片擴展了CC1100無線通訊接口，以太網接口、串口等，同時以Linux操作系統為基礎，開發出相應的現場報警系統。

嵌入式芯片的使用可以提高系統的工作可靠性和有效性。它具有三個作用：一是網關的作用，將各節點采集來的數據通過協議的變換，轉換成符合TCP/IP協議，能夠在以太網上進行傳輸的數據；另一個作用是構建現場報警系統；第三個作用是與服務器通過串口連接，從而構建出客戶端控制接口。

3 精簡TCP/IP協議設計

基于S3C6410的監測系統實現以太網通信，就需要在S3C6410上實現TCP/IP協議棧的設計。由于嵌入式系統的硬件資源的局限性，所以在本實例中，為了提高通信的速度，對于TCP/IP協議中不需要的協議做去除的處理。

TCP/IP協議模型具有四層體系結構，分別為網絡接口層、IP層、傳輸層和應用層。作為一組專業化協議，TCP/IP協議包括IP、TCP、UDP、ARP、ICMP以及其它的一些被稱為子協議的協議，具體如圖2所示。

圖2 TCP/IP協議棧

進行協議棧的精簡具有兩種方式[2]：(1)將無關于系統功能的協議削減掉，即保留必需的協議，而對其它無關協議進行裁剪；(2)對單獨的協議進行簡化。

在本設計中，利用以上兩種方式設計如下：(1)網絡接口層：主要實現了ARP應答協議設計，用于將IP地址映射成以太網的MAC地址；(2)網際層：IP、ICMP、ARP都要實現，但是對于ARP只實現了以太網的協議，去掉了其他的網絡類型；ICMP協議中實現了Ping應答協議，以滿足網絡連通性的要求；(3)運輸層：只實現UDP協議就可；(4)應用層：去掉HTTP、FTP、SMTP 等協議。

4 總結

本文從硬件和軟件兩個方面論述了實時在線蓄電池監測系統的實現。本系統是基于嵌入式系統的實時監測系統，為了提高系統工作的可靠性和及時性，本設計采用精簡的TCP/IP協議棧來完成以太網數據的傳輸，對于其他項目也具有一定的借鑒意義。

[1]史相玲.蓄電池在線監測系統的研究[D].保定：河北農業大學，2009：36-39.

[2]唐富年.一種嵌入式TCP/IP協議棧的設計與實現[J].電腦知識與技術，2014(14):948-949.

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2201-02Abstract:The power supply equipment and reliable operation were directly influenced by the work state of battery.So making a online monitoring for the battery was necessary.A design scheme of the battery online monitoring system based on S3C6410 development board and Linux was proposed.The function of checking and automatically record test data regularly such as the voltage of the battery, the battery internal resistance, capacity and temperature parameters were provided by the system.Battery failure diagnosis and the automatic alarm function were owned by it. Key words:battery;monitoring system;embedded;TCP/IP

2015-07-04

羅擁軍(1964—)，男，廣西省人，碩士，高級實驗師，主要研究方向為信息化技術、計算機網絡、職業教育。