基于WSN的蓄电池组内阻在线监测系统设计

吕景美，袁浩

（长沙师范学院教育技术中心，湖南 长沙 410100）

基于WSN的蓄电池组内阻在线监测系统设计

吕景美，袁浩

（长沙师范学院教育技术中心，湖南 长沙 410100）

针对传统UPS蓄电池内阻在线监测系统布线复杂的问题，采用无线传感器网络WSN技术设计了蓄电池组内阻在线监测系统，系统主要由多个电压监测节点、一个电流监测节点和上位机组成。通过电流互感器和控制器的ADC口采集UPS浮充和放电两种情况下的总电流和单节电池的端电压，根据直流检测方法求出单体电池的内阻，通过ZigBee网络将数据打包发送至上位机。上位机是一台装有监控管理软件的计算机，负责接收、处理、显示和统计分析各监测节点发送来的数据。实验证明，该系统能够实现蓄电池组内阻的实时在线监测，且工作稳定、安装方便，消除了由于大量布线存在的短路隐患。

无线传感器网络；电池内阻直流检测；在线监测

蓄电池组是UPS重要的储能单元，它可以保证设备不间断供电，直接关系到整个系统的可靠运行。蓄电池组一般是由电池单体串联组成，即便只有一节电池性能出现恶化（一般表现为内阻值增大），也会严重影响到整组电池的容量性能，从而影响设备的正常供电。目前已经有一些电力系统采用蓄电池实时在线内阻监测系统，但大部分通过有线方式，导致在蓄电池机架上布满了走线，不仅安装和维护不方便，而且由于蓄电池容易发热存在而短路的风险[1-2]。本文采用无线传感器网络技术设计了蓄电池组内阻在线监测系统，使组网更加方便，也解决了交叉布线的繁琐，避免重大事故的发生。

1 系统总体设计及检测原理

蓄电池内阻可作为其容量和完好性的有效指标，在蓄电池老化过程中，其内阻的上升明显早于充电时端电压的提高，直到内阻上升60%以上时，端电压才有明显的增大。电池内阻具有很好的预测性，可以用来评估和预测蓄电池的性能，因为蓄电池的内阻与容量及其完好性有着密切的关系[3]。

1.1 系统总体结构

蓄电池组实时在线监测系统主要由多个电压监测节点、一个电流监测节点、上位机监测管理汇聚节点和ZigBee通信网络组成。监测节点与上位机组成星型拓扑结构如图1所示。

图1 系统星型拓扑结构

每个ZigBee监测节点具有唯一的ID号码，用于识别对应的电池。上位机向监测节点发送检测指令后，各节点按照指令执行并返回各单体电池内阻给上位机。上位机是一台安装了专业研制蓄电池内阻监测管理软件的PC，通过串口与ZigBee模块进行通信，接收、处理、分析统计、显示和存储从各监测节点发来的数据，当有内阻值超出设置的安全范围时，会自动发出报警信号提醒运维工程师进行维护或者更换。

1.2 蓄电池内阻直流检测方法

直流检测法：在电池组两端接入放电负载，对蓄电池进行瞬间大电流放电，产生电压降，测量电池端电压在放电过程中的瞬间变化和放电电流值，据此可推导出蓄电池内部真实的等效内部阻抗值。在浮充状态下理想认为浮充电流近似为零[4-5]。这是一种标准内阻测量方法，单节电池内阻公式可表示为式（1）：

为了在原有UPS系统基础上改动不大的情况下实现内阻直流检测方法，本文设计了UPS蓄电池内阻直流检测电路，如图2所示。

图2 UPS蓄电池内阻直流检测电路

正常情况下，UPS工作在浮充状态，此时通过电压采集模块和电流互感器测得单体电池的电压1和总电流1；然后微控制器驱动继电器断开，使UPS工作在放电状态，此时测得单体电池的电压2和总电流2，根据公式（1）就可以求出该电池的内阻。

2 监测节点设计

2.1 监测节点硬件设计

电池参数采集模块硬件主要由微控制器ATmega128L、电压调理电路、电流互感器、继电器及驱动电路、ZigBee无线通信模块CC2420和8位拨码ID设置单元组成。采集节点硬件结构如图3所示。

图3 采集模块硬件结构

每个采集节点都有唯一的ID号码，通过8位拨码开关实现设置。无线通信模块核心采用工作在2.4GHz的单芯片低电压CC2420射频收发器，它是一款适用于ZigBee产品的RF器件，片上集成了802.15.4的物理层功能，并硬件支持部分MAC层功能的实现，具有工作电压低﹑体积小和能耗低的优点[6-7]。

微控制器ATmega128L作为采集节点的核心部分，主要负责处理运算和协调各模块之间的工作，与ZigBee无线通信模块CC2420的SPI口连接，直接访问内部寄存器和存储器，支持高达250 kb/s数据传输率，可实现点对点或者点对多点的快速组网。通过ACD口直接获取电压和电流值，并通过PWM口驱动功放三极管控制继电器的开合，从而实现UPS在浮充和放电状态的自由切换。为了避免过多的布线，该监测节点是由被测电池直接供电的。

2.2 监测节点软件设计

客户端软件采用C语言设计，由于结构不复杂，程序只有一个主函数，各子功能的执行通过调用子函数完成，包括网络连接、指令处理、电压电流测量、继电器控制、数据保存和发送等。软件程序流程如图4所示。

图4 采集模块软件流程图

采集模块程序开始后，先进行系统的初始化，包括配置ZigBee模块CC2420的工作方式、读取8位拨码识别ID、处理器ATmega128L各接口和寄存器的初始状态等，然后建立与上位机的ZigBee网络连接。等待上位机发来的测量指令，当收到指令后首先通过控制器的ADC口获取该节蓄电池的端电压1，并通过电流互感器获得通过该节蓄电池的总电流1；控制器控制断开继电器，使UPS处于放电状态，再次测量该单节蓄电池的电压2和电流2，闭合继电器恢复UPS工作，保存测得的数据，并与ID号一起打包通过ZigBee网络发送至上位机进行处理和分析，最后控制器工作于睡眠模式，等待上位机发送指令。

3 上位机管理软件和实验结果

为了便于直观管理和记录蓄电池组各单体电池的健康状态，利用C++Builder作为开发工具编写了管理软件。上位机通过串口与ZigBee无线通信模块连接进行数据交互，接收、处理、显示、统计分析和存储从各监测节点发送来的数据。

3.1 上位机管理软件

上位机管理软件工作在Windows操作系统下，利用串口控件MScomm控制与ZigBee的无线通信模块进行通信，把接收到的数据根据时间和ID进行分类和统计，再借助Teechart制图控件绘出内阻值与时间关系的直观动态曲线图并实时显示。当监测的蓄电池内阻值严重超过预设值时，预示着UPS储能单元已经出现了故障，此时系统将发出危机状态预警信号，提醒运维工程师尽快更换电池，以免影响到其他电池的性能。采用Access2003作为数据库存储历史数据，它采用的是当今流行的ADO技术，在实时显示动态数据的同时将数据录入数据库中相应的表里，以备在需要的时候分析处理查找或者历史数据再现显示，也可打印报表输出[8]。

3.2 实验结果

在移动基站通信机房对一组24节300 Ah的2 V蓄电池进行安装测试，在25℃环境下，单节标称内阻值为0.65mΩ，放电电流为15.8 A。通常当内阻高于标称内阻值的20%时，往往已无法通过容量测试；当高于基准值的50%时，完全不必进行容量测试即可更换。蓄电池组检测结果如表1所示。

从表1中可以看出，4号和13号电池的内阻已经超过了标称内阻值的21.54%和30.77%，应该及时更换，但测得的浮充电压值为2.42和2.73 V，显然浮充状态下的端电压是难以反映电池好坏的，即使性能差的电池在浮充时也能测得合格的电压。

表1 蓄电池组检测结果

4 结束语

本文提出了基于无线传感器网络的蓄电池组内阻在线监测系统，工作在星型拓扑结构下能够实现数据的正常传输，且能够协调继电器、电路互感器和电压采集单元正常工作，在保证UPS不停断的情况下完成了蓄电池内阻直流检测。经实验表明，该系统工作稳定可靠，能够精确地检测出蓄电池组的内阻值，组网安装方便，消除了由于大量布线存在的短路隐患，避免重大事故的发生。

[1]付海龙,贾铭椿,彭桂初.基于无线传感器网络的核电站环境辐射连续监测系统研究[J].核电子学与探测技术,2010,30(6):839-842.

[2]吴呈瑜,孙运强.基于ZigBee技术的短距离无线数据传输系统[J].仪表技术与传感器,2008(5):38-39.

[3]武静涛,马长宝,刘永波.水质监测无线传感器网络节点的设计[J].计算机测量与控制,2009,17(12):2575-2578.

[4]涂巧玲,张杰.基于C/S的传感器网络在生命信息监测系统中的应用[J].传感器与微系统,2008,27(6):107-109.

[5]朴昌浩,刘其峰,黄智宇,等.基于LIN总线的阀控式铅酸蓄电池管理系统设计[J].电源技术,2011(12):1562-1565.

[6]张慧熙,孙亚萍.实时远程电源和UPS监控网络节点机硬件设计与实现[J].计算机测量与控制,2010(1):142-143.

[7]李志宇,史浩山.基于ATmega128L的无线传感器网络节点设计与实现[J].计算机工程与应用,2006,42(27):76-79.

[8]文玉梅,叶建平,李平,等.一种振动自供能无线传感器的电源管理电路[J].电子技术应用,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

湖南省教育厅基金项目(12C0955)

吕景美(1976—)，女，湖南省人，硕士，讲师，主要研究方向为计算机应用与图像处理。