基于OneNET云平臺的充電寶剩余價值評估與回收導引系統

霍彥明 谷自航 陳 彪 王元瑞 李 爭

（河北科技大學電氣工程學院 石家莊 050018）

引言

隨著人們對于信息、娛樂等需求的不斷提升和手機、平板等移動終端產品的普及，人們對于電量的需求隨之提高。電子產品的“電池短板”問題變成了困擾全民的問題，而移動電源就是為了解決這一問題而衍生出來的產物，本系統把人們日常大量使用的移動電源作為切入點，希望借助移動電源各方面參數的檢測，得出一個規范化的健康評估指數[1]，來作為用戶二次利用或者是給廠家進行回收的憑證，從而減少環境的污染和資源的浪費。另外本項目立足于當今物聯網的大背景下，結合目前的OneNET技術（由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺），實現設備接入與設備連接，快速完成產品開發部署[5]，把數據上傳到云端，生成二維碼供用戶和廠家直觀看到電池的性能指標，從而進行對電池價值的判斷。

1 系統框架

1.1 系統功能

此系統的功能是顯示移動電源當前的健康指數、電量、峰值電壓、溫度、充放電次數、健康指數變化趨勢等。這涉及以下功能的實現：檢測模塊對移動電源的數據讀?。粏纹瑱C模塊對檢測模塊數據的接收與處理；單片機模塊與無線通信模塊之間的通信與數據傳輸；網頁顯示移動電源各項數據。

1.2 系統模塊

此系統是為移動電源回收提供重要指標的檢測和顯示系統，由移動電源、檢測模塊、單片機控制模塊、無線通信模塊、網頁顯示模塊等組成，如圖1所示。

移動電源與電路模塊:主要連接系統的控制器與各個硬件外設，負責供電；

檢測模塊：用于檢測移動電源充放電過程中電流電壓的變化情況；

單片機控制模塊:用于處理接收的數據，并負責與檢測模塊和無線通信模塊進行串口通信；

無線通信模塊：此模塊采用BC26模塊，負責接收單片機串口發送的各項數據，并將各項數據以無線通信的方式上傳到物聯網平臺；

網頁顯示模塊：負責對物聯網平臺接收到的各項數據以網頁直觀的顯示出來。

2 系統數據檢測部分設計

2.1 總體設計

首先檢測模塊采用的是IM1253B 單相交直流電能計量模塊和單片機的AD轉換電路，通過檢測模塊對移動電源充放電過程進行實時檢測，IM1253B模塊檢測到的數據通過串口通信由單片機接收，模塊和單片機之間使用CRC校驗對接受的數據進行校驗，然后單片機進行數據讀取，讀取的數據通過公式計算和電源健康指數算法等處理得到移動電源當前的電壓、電流、峰值電壓、溫度、充放電次數、移動電源的健康指數等數據，這些數據以串口通信的方式發送到BC26模塊。

2.2 數據檢測和處理方法

電流和溫度檢測方法：采用IM1253B 單相交直流電能計量模塊，該模塊在電流和溫度上具有精度高和量程大的優點，可以很好的應用在本系統的參數測量上。

電壓檢測方法：電壓檢測通過電阻的比例分壓實現，所用的移動電源在充放電過程中的最大電壓為5 V，而STM32單片機AD轉換電路的測量范圍為0～3.3 V，因此需要對被測電壓進行電阻上的分壓，系統采用兩個100 kΩ的電阻進行分壓，在減小分流的同時采集到的電壓值。

電量檢測方法：采用電壓測量法，由于電池電量和電壓存在函數關系，因此可以根據這一函數關系和此時的電壓值來得出此時的電量值，根據這一原理可以得出電壓-電量函數關系曲線，而對應于電池的各個時刻或是不同材料的電池，由于電池自身內阻和總容量的變化，會導致得出的函數關系并不唯一，因此在測量容量前需要進行放電過程來得到準確的電壓-電量函數特性曲線[2，3]，從而快速得到電量。

充放電次數計算方法：根據電池的額定容量和電量值的變動，由變動值除以額定容量可得到電量變動的百分比，由此進行累加可以分別得出充放電次數。

健康指數的計算方法：采用容量SOH[2，3]來進行計算，即下式：

圖1 e+充電電源監控與價值評估系統整體框圖

式中：

SOH—電池的健康指數；

Q當前—電池當前所測得的總容量；

Q額定—電池額定容量。

當SOH小于等于80 %[1，3，4]時，可以判定電池已經報廢，即為健康指數的零值，當SOH等于100 %時，可以判定電池還未老化，即為健康指數的滿值，由此進行平均劃分來作為健康指數。當前容量通過一次完整的放電（充電），利用電流對時間的積分[3]來獲得，積分式如下：

式中：

Q—電池當前的總容量；

T— 一次完整的放電（充電）所需要的時間；

I—在完整放電（充電）過程中的電流平均值；

i(t)—放電（充電）過程中時間t時的電流值。

2.3 單片機程序執行流程（圖2）

內部執行的大致流程如下：系統進行初始化之后等待檢測模塊傳輸數據，數據在進行CRC校驗無誤后，在默認模式下會對接收到的數據通過公式計算，算出移動電源當前的容量、峰值電壓、溫度、充放電次數、移動電源的健康指數等數據，用戶也可以通過按鍵來調到放電校準模式，設置放電截止電壓，通過對電流的積分得到電量，從而得到電壓和電量的對應關系，并且建立電壓電量的函數曲線，此后通過串口通信將數據傳輸給BC26模塊，最后進行數據和函數存儲。

3 系統OneNET部分設計

3.1 執行流程（圖3）

內部程序執行的大致流程如下：等待單片機的數據傳送，接收到數據后傳給用戶端和管理端：用戶端把數據以圖標展示，生成一個二維碼，用戶通過掃描二維碼得到這些數據圖標；管理端對數據進行存儲同時建立數據庫，同時有一個提醒機制，當充電寶健康指數低于設定值會進行提醒。

3.2 用戶端網頁界面

圖2 單片機程序執行流程圖

圖3 應用端流程圖

用戶端網頁界面給出了電池的電源容量，峰值電壓，剩余充電次數等基本參數，并由這些基本參數計算得出了電源健康指數來使用戶確定自己的電池健康狀態。另外本界面還給出了電池的異常警告記錄，溫度監控曲線，健康指數趨勢圖，最近的電池回收站地圖等可供用戶參考的界面。如圖4所示。

圖4 用戶端界面

4 系統測試

4.1 系統功能測試

考慮到利用系統擬合函數計算所得的數據會與實際值有一定誤差，進行電量精確度測試，本次測試取同一電池的一次充電過程的隨機4組數據來進行擬合函數的精確度測試，程序根據函數關系和電壓得到的此時的電量與實際值進行誤差分析來反映精確度。容量測試結果見表1。

從表1幾組數據得到測試平均誤差為44.5 mAh，可知該函數計算所得數據可以滿足用戶對于充放電次數的精確度要求。

4.2 系統驗證性測試

為驗證系統在實際條件下的使用效果，結合實際生活中慢充和快充對于充電寶電源的實際影響[6]，利用此系統對于兩個同一類型的充電寶（原容量為10 000 mAh，不支持快充）分別在慢充和快充的條件下進行容量測試，隨機取出4組數據，得到表2。

表1 容量測試結果

表2 系統驗證測試結果

由表2知，慢充對于快充而言，電池的容量變化較少，可知電池的使用壽命也較長，由此對應于慢充方式比快充方式更保護電池的實際情況，可進一步證明本系統的可靠性。

5 結語

本系統具有采集電壓、電流、電能、溫度等數據的功能，進而檢測得到移動電源當前的容量、峰值電壓、溫度、充放電次數等數據，最終這些數據通過電源健康指數算法得到移動電源當前的健康指數。配合充電寶梯次利用標準不健全的問題[7，8]，系統網頁頁面最終顯示情況可以作為移動電源回收利用的一個重要指標。

本研究通過采集移動電源充放電過程中的電壓、電流、功率等參數，通過電源健康指數算法得到移動電源當前的健康指數，給出詳細的實現方法。但是移動電源可回收的參數標準不僅限于此[8，10]，對此仍有很大的探討空間。