區(qū)域自動站蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化

孫建強

山東省泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗站 山東泰安 271000

本項目旨在設(shè)計一款區(qū)域自動站蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，其能較為精準對蓄電池電量進行實時監(jiān)測并通過GPRS 無線傳輸方式將采集到的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱谡{(diào)試助手上，并對低電量進行預(yù)警。運維人員根據(jù)調(diào)試助手發(fā)出的預(yù)警信息對故障點的蓄電池進行現(xiàn)場檢測和更換已經(jīng)老化的蓄電池。這樣切實保障自動站蓄電池的高水平運行，同時也提高數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量。

1 測量系統(tǒng)原理與組成

蓄電池電量監(jiān)測目前國內(nèi)外采取的監(jiān)測方法多種多樣，比如電壓巡檢法、容量放電法、放電曲線法、溫度測量法和內(nèi)阻測量的方法等，本項目研究的核心是通過對蓄電池電量的監(jiān)測，來判斷蓄電池老化的程度，從而對于老化嚴重的蓄電池發(fā)出報警信號，通過軟件系統(tǒng)提供運維人員對故障點蓄電池進行更換。由于此次研究暫不考慮引起蓄電池老化的各個因素，也不對已經(jīng)老化的蓄電池進行二次修復(fù)，只是對過度老化的電池進行人為更換，所以對電量監(jiān)測的精度的要求也不算太高。項目的核心是驗證此種方式是否可以較為有效的對蓄電池老化進行預(yù)警，整個系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運行，在實際運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到。根據(jù)參與人員的研究方向與經(jīng)費預(yù)算為基礎(chǔ)，項目組通過查閱資料文選，決定采取監(jiān)測蓄電池的電壓變化來作為蓄電池老化的參數(shù)，并對長時間的低電壓進行告警[1]。

系統(tǒng)由電壓檢測模塊、無線傳輸模塊和串口調(diào)試助手（以下簡稱上位機）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）到上位機端。整個系統(tǒng)的安裝是將電壓檢測模塊的檢測端安裝在蓄電池的正負極上，電壓檢測模塊將實時采集的數(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。整個系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 電壓測量原理

先對蓄電池的正負電壓端進行電阻分壓處理，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)換就是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便單片機處理，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 時屬于嚴重老化，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)測模塊在蓄電池的電壓端用一個80k 和10k 的高精度標準電阻進行分壓，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)部基準電壓源。測量電路中經(jīng)放大濾波處理過的信號由A/D 模塊轉(zhuǎn)換并輸出對應(yīng)的數(shù)字量，送給STM32 單片機處理，處理好的數(shù)據(jù)信息再通過RS485 控制信號接入到無線模塊上（無線模塊同時具備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 上位機軟件設(shè)計

上位機具有數(shù)據(jù)實時顯示和異常報警兩個主要功能，數(shù)據(jù)1分鐘一個數(shù)據(jù)在上位機界面實時顯示，并對蓄電池監(jiān)測電壓低于10.8V 進行報警。測量流程圖如圖4 所示。

圖4 測量流程圖

2 現(xiàn)場驗證情況

2.1 模擬驗證階段

系統(tǒng)設(shè)計并研發(fā)測試完成后進入模擬現(xiàn)場情況驗證階段，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，并對開關(guān)電源的電壓進行監(jiān)測并與開關(guān)電壓上顯示的電壓進行對比，用來驗證電壓檢測模塊的精度和可靠性，并通過RS485 有線和4G無線方式對系統(tǒng)進行驗證，觀察此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是否準確可靠。

2.2 實地驗證階段

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

2.3 項目完成情況

項目的軟硬件均已完成。硬件的各個設(shè)備能夠準確檢測各個參數(shù)，其結(jié)果符合誤差要求。上位機能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)并對過低的電壓提供報警信號，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)，各項功能已經(jīng)完成。

3 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

采用高速AD 轉(zhuǎn)換器與微處理器，為后續(xù)硬件功能的擴展打下基礎(chǔ)。監(jiān)測模塊采用先進的高度AD 與微處理器，其端口眾多，速度快，可擴展功能強大，為后續(xù)電壓監(jiān)測的其他參數(shù)測（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

通過項目的研究工作，我們研制完成了區(qū)域自動站蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，并達到了預(yù)期的效果。希望能在后續(xù)的工作中進行成果轉(zhuǎn)化帶來一定的經(jīng)濟價值。

在項目研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過總結(jié)和分析，如果具備條件將系統(tǒng)進一步的融合和優(yōu)化，希望能做成功更加強大的電壓監(jiān)測模塊，同時提高硬件的自我保護措施和抗惡劣環(huán)境的能力，增強軟的功能，并通過對長時間大量數(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)備維護成本。