基于近場通信與低頻喚醒的電池監測系統設計

王鵬程，朱長青，劉暢

(1.陸軍工程大學，石家莊 050000； 2.32214部隊，南京 210000)

0 引 言

目前電池監測系統發展非常迅速，從大型的電力系統儲能電池組，到少量電池組成的電動汽車動力電池組，均研發出了相應的電池監測系統，但有線通信需要安裝大量額外線束，存在靈活性和擴展性差、安裝和維護不便等問題。近些年來，隨著物聯網技術的發展，又衍生出了基于物聯網技術的無線電池監測系統，針對不同使用場景的電池，電池監測系統又可以分為儲能電池監測系統[1-2]、動力電池監測系統[3-6]和專用電池監測系統[7]等。

以上各種類型的無線電池監測系統發揮了物聯網技術的優勢[8-9]，避免了有線電池監測系統的線束問題，但是相比于成組使用并且位置相對固定的儲能或動力電池組，用于內燃機起動的起動電池，由于其零散的使用方式和位置不確定的使用場景，加上目前相對應的監測系統很少，導致此類電池存在失管失控問題。

若將儲能或動力電池監測系統直接應用到起動電池上，會出現明顯的弊端。例如起動電池由于使用位置不固定，其監測裝置不能由室電供電，只能依托自身的電量，文獻[1]提出的監測系統依賴于室電，不適用于起動電池；文獻[2]提出的監測系統Zigbee及GSM若全天候開啟，會對起動電池造成較大的電量損失；文獻[10]提出的基于WiFi的軍用蓄電池監測系統同樣存在WiFi模塊功耗過大的問題。

如文獻[11]所述，已經開發出了針對零散分布電池的無線監測系統，其提出的“低頻喚醒+RFID模塊”的通信策略，解決了無線通信模塊的待機功耗問題，但是在不知道蓄電池監測板ID的情況下，低頻喚醒方式不能讀取指定電池的信息，靈活性受限，且低頻喚醒接收機本身存在無線接收功能，導致RFID模塊的接收功能冗余。

1 電池監測系統設計

1.1 功能要求

起動電池在軍事、工業生產和生活中發揮著重要的作用[12]，小到家用摩托車、汽車，大到軍用雷達、導彈車輛，要想正常工作均離不開起動電池，但目前缺少針對此類電池的專用監測系統，究其原因主要是起動電池使用分散、分布不定、應用環境復雜等。

起動電池不像儲能電池那樣大規模、成組使用，因此針對起動電池的監測裝置必須精確地監測到電池單體，這要求監測裝置必須高度集成以滿足體積限制；起動電池使用或儲藏位置不固定，電池與內燃機沒有固定的配套關系，因此監測裝置不能由AC 220 V室電供電，而應使用蓄電池本身電量，這對監測裝置功耗有一定限制；同樣由于起動電池應用位置的不確定性，受限于RFID模塊的工作距離，電池監測系統的終端應該是可移動的裝置。

1.2 電池監測系統總體架構

提出一種基于近場通信(NFC)與低頻喚醒的低功耗無線電池監測系統設計，如圖1所示，該系統包括“監測板+手持機+上位機”三層結構。。

圖1 系統整體框架

監測板負責采集蓄電池參數并實時估計蓄電池狀態；手持機可以以無線方式與監測板交互，獲取蓄電池的實時狀態，這里的無線方式包括兩種：近場通信方式和“低頻喚醒+433 MHz透傳”組合RFID方式；上位機主要以USB有線通信方式從手持機獲取蓄電池的狀態，并存入數據庫中供管理人員查看

2 系統硬件設計

2.1 監測板硬件設計

監測板是指封裝到蓄電池外殼內部的印制電路板(PCB)模塊，該模塊集成有微控制器(MCU)、AD采集電路、低頻接收電路、433 MHz超高頻(UHF)發射電路、NFC標簽電路及其相應的天線，可以實時采集蓄電池電壓、電流、溫度參數并通過內置蓄電池狀態估計算法準確估計蓄電池荷電狀態(SOC)、健康狀態(SOH)、循環次數等，并可以通過無線方式與手持機進行交互，具體結構見圖2。

圖2 監測板結構圖

由于監測板由蓄電池自身供電，所以監測板的功耗問題是無線電池監測系統設計的難點。監測板的功耗主要來源于微控制器、AD采集電路和無線通信電路三部分。

2.1.1 微控制器

為降低功耗，微控制器選用STM32L412C8T6單片機，該單片機位寬32位，主頻可達80 MHz，可運行大多數蓄電池狀態估計算法，且其正常運行模式功耗低至86 μA/MHz，低于傳統的MSP430等低功耗單片機。

2.1.2 AD采集電路

AD采集電路負責采集蓄電池電壓、電流、溫度參數，用于蓄電池狀態估計算法的輸入。為降低電路的功耗，采用了最簡化的電路設計，省去了耗電大的光耦等器件，電壓、電流參數采集電路由分壓電阻和低功耗運放構成的跟隨器構成，溫度采集功能由微控制器內部的溫度通道實現。

2.1.3 無線通信電路

手持機作為通信主動發起方，應該隨時都能與監測板建立可靠的通信，但是設置監測板的無線通信模塊始終處于接收模式會帶來很大的電量損耗，文獻[13]提出的Zigbee模塊定時喚醒策略并沒有從根本上解決問題，文獻[11]提出一種“低頻喚醒+RFID模塊”的組合式通信方式的確解決了無線通信模塊的接收功耗問題，但是這種方式存在上文所述的兩個固有缺點。

為此，提出“NFC+低頻喚醒+433 MHz透傳”的無線通信方式來解決單獨使用低頻喚醒方式的固有缺點，手持機可以使用兩種方式與監測板通信：NFC方式、“低頻喚醒+433 MHz透傳”組合方式。監測板集成有雙界面NFC標簽芯片M24SR64及其板載天線，可利用NFC讀寫器發出的場能量與讀寫器通信，而不必耗費蓄電池的電量，用戶可使用手持機刷卡式讀取蓄電池信息，方便快捷。同時使用“低頻喚醒接收+433 MHz發射”的組合式RFID來代替傳統的Zigbee、nRF24L01等RFID模塊，低頻喚醒模塊待機時小于2.2 μA，433 MHz發射模塊待機時小于1 μA，遠小于傳統RFID模塊的接收功耗，具體實物圖見圖3。

圖3 監測板實物圖

2.2 手持機設計

手持機是指用戶用以讀取蓄電池狀態信息的手持電子設備，該設備集成有微控制器、OLED屏幕、低頻天線驅動電路、 433 MHz接收機、NFC讀寫器及其相應的天線等，可以讀取、顯示并存儲蓄電池實時狀態信息，可以通過USB方式與上位機交互，具體結構見圖4、圖5。

圖4 手持機結構圖

圖5 手持機實物圖

3 系統軟件設計

3.1 監測板軟件設計

監測板封裝到蓄電池外殼后即上電，首先進行AD采集模塊、低頻接收模塊、433 MHz發射模塊、NFC標簽模塊的初始化，隨后進入低功耗模式運行內置的蓄電池狀態估計算法，根據AD采集的蓄電池參數實時運算蓄電池狀態信息。

當達到中斷條件時，會進入中斷以執行預設好的程序，中斷源有兩個：低頻喚醒中斷和NFC中斷。手持機接近監測板時，會觸發NFC中斷，在中斷程序中，監測板將蓄電池實時狀態信息通過負載調制方式傳送回手持機。當手持機發送低頻喚醒廣播信號時，會觸發低頻喚醒中斷，在中斷程序中，監測板首先解析低頻喚醒幀，幀結構見表1，如果該幀中的命令字節為廣播喚醒，或所指定的監測板ID字節與自身ID對應，則通過433 MHz發射模塊將蓄電池實時狀態信息幀返回給手持機，否則忽略該低頻喚醒幀，幀結構見表2。具體流程見圖6。

表1 低頻喚醒幀

表2 蓄電池信息幀

圖6 監測板流程圖

3.2 手持機軟件設計

手持機上電后，會初始化低頻天線驅動模塊、433 MHz接收模塊、NFC讀寫器模塊等，用戶將手持機貼近監測板時，會通過NFC方式讀取并顯示蓄電池當前狀態信息；用戶按下廣播按鍵時，會通過低頻天線向外廣播低頻喚醒幀，并通過433 MHz接收模塊接收多個電池的實時狀態信息。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件采用C++編程，并結合Qt5軟件平臺進行開發，主要完成數據存儲、分析和管理功能。內置Sqlite數據庫用來存儲蓄電池狀態信息，可視化操作界面配合Sqlite數據庫使得蓄電池管理人員方便地對蓄電池進行批量管理。上位機軟件通過USB接口連接手持機并與之通信，獲取最新的蓄電池狀態信息并導入自身數據庫。

4 實驗結果及分析

通過在監測板電源回路上串聯電阻來測量監測板相應模塊消耗的電流[14]，相應結果如圖7所示。

圖7 不同模式下電流消耗對比

由圖7可知，監測板在正常運行期間，電流消耗僅為544 μA；用戶通過手持機以NFC方式讀取蓄電池信息時，由于NFC標簽的能量大部分來自于手持機產生的射頻場，僅有線通信部分的電量由電池提供，所以電流消耗上升不明顯，總電流大小為694 μA；用戶通過廣播方式讀取蓄電池信息時，由于監測板收到低頻喚醒信號后要通過433 MHz發射模塊向手持機返回信息，433 MHz模塊發射電流大約為12 mA，因此監測板的電流消耗會出現較大上升，達到12.5 mA。

相對于文獻[11]提出的“低頻喚醒+RFID模塊”的低功耗通信策略，設計了更為靈活且功耗更低的通信策略：將昂貴的RFID模塊換成只具備發射功能的433 MHz透傳模塊SYN115，成本更低，且保留了廣播喚醒的功能；添加NFC標簽模塊來彌補廣播喚醒針對性不足的缺點，使得讀取方式更靈活。

管理人員進行電池巡檢時，近距離下，可以通過NFC以不消耗設備端電池能量用于通信的情況下進行抄讀數據；遠距離下，可以通過本裝置的低功耗低頻無線以主動方式喚醒，而節省了無線通信模塊平時無意義定時喚醒的能源消耗量，實現抄讀。兩種情況下，均實現了對設備端能源節省的主要目標，又都是基于用戶實時主動喚醒操作，使得實時性相對原本定時喚醒而言變得更強。另外，如有廣播抄讀的提升工作效率的臨時訴求，則可通過低頻無線主動喚醒進行近距離、遠距離的抄讀，供用戶靈活選擇以適應不同任務目標。表3顯示了不同讀取方式的在速率、距離和功耗方面的特點。

表3 不同讀取模式的特點

在成本上，監測板在蓄電池報廢之后仍可以繼續用在新蓄電池上，可重復利用性使成本大大降低。當然仍存在幾點不足：采用廣播方式讀取的距離受限于低頻喚醒的距離，經測試，低頻喚醒最大10 m左右，這使得433 MHz透傳模塊幾十米的通信距離沒有發揮出來；由于鉛酸蓄電池作為起動電池時，標稱電壓為12 V，需要經過DC-DC降壓后才能為監測板供電，由圖7可知，DC-DC電源電路仍有一定的功率損失

5 結束語

針對目前起動電池或其他零散分布的電池的失管失控問題，提出了一種功耗低且實時性好的無線電池監測系統，該系統具有以下優點：

(1)合理利用低頻喚醒技術，使蓄電池監測板能夠在低功耗狀態下保持通信的實時性；

(2)使用“低頻喚醒+433 MHz收/發透傳模塊”來代替傳統的“低頻喚醒+RFID模塊”，降低成本的同時，也降低了電路板布線難度；

(3)提出NFC與低頻喚醒相結合的通信架構，在保持監測板低功耗狀態下，提高了管理人員對蓄電池進行巡檢的靈活性。