陸鎮(zhèn)華，秦 理

（廣東省輸變電工程公司 廣東 廣州 510160）

電池在出廠之前一般都要經(jīng)過(guò)一道充放電工序，對(duì)電池的性能進(jìn)行檢測(cè)，這對(duì)于保證電源供電可靠性具有十分重要的作用。充放電過(guò)程需要檢測(cè)的參數(shù)一般包括：充放電電壓、充放電電流、電池溫度、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)（SOC）、劣化狀況（SOH），以便于處理極扳活性物質(zhì)凝結(jié)、測(cè)試電池性能、防止極板鈍化，保證電池質(zhì)量。根據(jù)中國(guó)郵電電信總局頒發(fā)的《電信電源維護(hù)規(guī)程》的要求，所有閥控式鉛酸（VRLA）蓄電池出廠前都要進(jìn)行進(jìn)行2～3次充放電試驗(yàn)，考驗(yàn)和檢測(cè)各相技術(shù)指標(biāo)[1]。

本論文設(shè)計(jì)一種集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，由上位機(jī)上的讀卡器實(shí)時(shí)讀取。另外根據(jù)電池企業(yè)的特殊應(yīng)用背景，電池生產(chǎn)線(xiàn)上布置大規(guī)模、高密集度的RFID標(biāo)簽，必須設(shè)計(jì)快速大批量讀取的RFID讀寫(xiě)器，將RFID技術(shù)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行融合。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心某一節(jié)點(diǎn)的位置，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)一般都不采用全局標(biāo)識(shí)，而RFID技術(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)示有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[2]，將兩者結(jié)合共同組成網(wǎng)絡(luò)可以相互彌補(bǔ)對(duì)方的缺陷，網(wǎng)絡(luò)既可以考慮到每一個(gè)電池的充放電過(guò)程的電流、電壓信息，也可以利用RFID的標(biāo)識(shí)功能輕松的找到每一個(gè)電池的具體位置。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線(xiàn)通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域技術(shù)，是工業(yè)控制的前沿技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊。本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)由集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器組成，兼有電子標(biāo)簽和傳感器的功能。外形設(shè)計(jì)小巧，只有打火機(jī)體積大小，接在每只電池的兩個(gè)端子上。充放電機(jī)工作時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，安裝在上位機(jī)上的讀卡器將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用自組織協(xié)議支持下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]，在電磁干擾和遮擋干擾都非常嚴(yán)重的生產(chǎn)車(chē)間，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)作，并且信息采集的可靠性也比有線(xiàn)采集提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

1 集成RFID的智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

該智能節(jié)點(diǎn)由微控制單元、傳感器采集單元、射頻收發(fā)器、RF天線(xiàn)、內(nèi)部存儲(chǔ)器單元和供電單元6部分組成。集成RFID電子標(biāo)簽的智能節(jié)點(diǎn)被放置在電池頂端，接口連接電池兩個(gè)極板[4]，傳感器采集單元負(fù)責(zé)采集電池的電流、電壓、溫度等信息，采集的電量信息暫存在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，微處理器在合適的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，由SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽中的信息通過(guò)射頻收發(fā)器發(fā)送出去，由上位機(jī)上的讀卡器實(shí)時(shí)讀取。整個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 RFID電子標(biāo)簽的智能節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of RFID intelligent nodes

下面分別介紹各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)

傳感器采集單元：傳感器采集單元負(fù)責(zé)采集電池的電流、電壓、溫度等電量信息，它包含有電源模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。

圖2 智能節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖Fig.2 Hardware principle diagram of RFID intelligent nodes

①電壓采集模塊

電壓采集則需要先對(duì)電壓進(jìn)行放大和濾波，然后直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換即可由微處理器進(jìn)行讀取和處理[5]。本文選用科海模塊KV50A/P，KV50/P的被測(cè)電流為額定值10 mA （被測(cè)電壓通過(guò)連接電阻R得到，V/R=被測(cè)電流），輸出電流為額定值50 mA，測(cè)量范圍為 0～15 mA，線(xiàn)性度＜0.1%，內(nèi)阻為 450 Ω。

電壓采集模塊采樣電路圖如圖3所示。

圖3 電壓采集模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of voltage acquisition module

②電流采集模塊

電流采集使用一個(gè)霍爾電流傳感器芯片，該傳感器可將電流轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電壓值，電壓值再經(jīng)過(guò)一次AD轉(zhuǎn)換，就可以直接被微處理器接收和儲(chǔ)存。本文選用科海模塊KA50A/P。電流采集模塊采樣電路圖如圖4所示。

圖4 電流采集模塊電路圖Fig.4 The circuit diagram of current acquisition module

③溫度采集模塊

溫度采集模塊采用美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的DSl8B20單總線(xiàn)數(shù)字式智能型溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線(xiàn)性工作范圍，它的輸出電壓與攝氏溫度成線(xiàn)性比例，而且不需要外部校準(zhǔn)或微調(diào)，直接將溫度物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并以總線(xiàn)方式傳送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[6]。DS18B20對(duì)于實(shí)測(cè)的溫度提供了9～12位的數(shù)據(jù)和報(bào)警溫度寄存器，測(cè)溫范圍為55～+125℃，其中在10～+85℃的范圍內(nèi)測(cè)量精度為±0.5℃。DSl8B20的輸出電壓與攝氏溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，0℃時(shí)輸出為0 V，每升高1℃，輸出電壓增加10 mV此傳感器可適用于各種領(lǐng)域、各種環(huán)境的自動(dòng)化測(cè)量及控制系統(tǒng)，具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)。此外，每一個(gè)DSl8B20有唯一的系列號(hào)，因此多個(gè)DSl8B20可以存在于同一條單線(xiàn)總線(xiàn)上。DSl8B20溫度傳感器與主控芯片MSP430連接圖如圖5所示。

圖5 Sl8B20溫度傳感器與主控芯片連接圖Fig.5 The connection diagram of the temperature sensor and main control chip

2 射頻收發(fā)器單元

RFID射頻收發(fā)器單元和傳感器采集單元集成在一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，兼有電子標(biāo)簽和傳感器的功能，傳感器采集單元采集電壓、電流、溫度值[7]，電子標(biāo)簽將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在起來(lái)，讀寫(xiě)器通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)射頻收發(fā)器單元實(shí)時(shí)讀取標(biāo)簽的信息。實(shí)物模擬圖如圖6所示。

圖6 實(shí)物模擬圖Fig.6 Physical simulation diagram

將射頻收發(fā)器單元融入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是RFID的發(fā)展趨勢(shì)之一，RFID網(wǎng)絡(luò)如實(shí)時(shí)定位系（RTLS）己經(jīng)非常成熟，這表明我們可以把RFID標(biāo)簽融入傳感器節(jié)點(diǎn)中，來(lái)更好地讀取我們想要的數(shù)據(jù)信息。電子標(biāo)簽可以像自組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)那樣密集地部署。全自動(dòng)地工作，把數(shù)據(jù)信息采用多跳的方式發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn)。由于在同一區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽的信息比較類(lèi)似，所以這些信息可以在每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)中通過(guò)簡(jiǎn)單有效的數(shù)據(jù)壓縮方法進(jìn)行壓縮，保證數(shù)據(jù)流量不至于太大，能耗方面也有優(yōu)勢(shì)[8]。圖7為節(jié)點(diǎn)射頻收發(fā)器單元工作原理圖。

圖7 節(jié)點(diǎn)射頻收發(fā)器單元工作原理圖Fig.7 Hardware principle diagram of RFID intelligent nodes

3 讀寫(xiě)器控制單元設(shè)計(jì)

考慮電池廠高塵、高電磁影響、高酸的環(huán)境，以及批量讀取等特性和本身的需求，讀寫(xiě)器須滿(mǎn)足如下要求：讀寫(xiě)器網(wǎng)絡(luò)供電，為Ethernet802.3模式A及模式B（支持100 M線(xiàn)長(zhǎng)）；直流供電電壓10－30VDC，最大功耗 15 W；工作溫度－20～－60℃；存儲(chǔ)溫度－40～－85℃；讀寫(xiě)器被設(shè)置在上位機(jī)上，當(dāng)被檢測(cè)的電池未達(dá)到規(guī)定的參數(shù)要求時(shí)，讀寫(xiě)器發(fā)出警報(bào)信息，同時(shí)狀態(tài)顯示在哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題以及對(duì)應(yīng)的負(fù)責(zé)人和檢測(cè)時(shí)間。同時(shí)讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)考慮了與企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的連接，可以通過(guò)以太網(wǎng)端口或Wifi接口連接到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。具體的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 讀寫(xiě)器控制單元硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Hardware structure diagram reading and writing control unit

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

我們?cè)陔姵厣a(chǎn)車(chē)間進(jìn)行充放電實(shí)地實(shí)驗(yàn)，將RFID電子標(biāo)簽的智能節(jié)點(diǎn)（圖9左），射頻收發(fā)器（圖9右）固定在電池極板上，讀寫(xiě)器模塊放在控制終端連接上位機(jī)。電池進(jìn)行充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，智能節(jié)點(diǎn)不斷將充放電過(guò)程的數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻收發(fā)器。如圖10所示，上位機(jī)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理后，可得到電池的充放電實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。

圖9 RFID電子標(biāo)簽智能節(jié)點(diǎn)與射頻收發(fā)器Fig.9 RFID intelligent node and Rf transceiver

由圖10可見(jiàn)：充放電過(guò)程的參數(shù)采集能良好反應(yīng)電池的充放電過(guò)程，即：恒流充電、恒壓充電和浮充等階段。

圖10 蓄電池充電曲線(xiàn)Fig.10 Battery charging curve

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電磁干擾和遮擋非常嚴(yán)重的電池生產(chǎn)車(chē)間的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計(jì)一種集成RFID電子標(biāo)簽的傳感器網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)電池上安置一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)由集成了RFID電子標(biāo)簽的傳感器組成，兼有電子標(biāo)簽和傳感器的功能，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，由上位機(jī)上的讀卡器實(shí)時(shí)讀取，所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)龐大的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。全過(guò)程不需人工干預(yù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)將充放電過(guò)程的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)電池售后的質(zhì)量跟蹤和追溯。相對(duì)于傳統(tǒng)電池充放電方法，采集節(jié)點(diǎn)將充放電過(guò)程的監(jiān)控做到了自動(dòng)化、專(zhuān)家化。

[1]陳瑩．CDMA擴(kuò)頻通信及其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2008．

[2]王夢(mèng)珂．CDMA系統(tǒng)中多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)的研究 [D]．青島：青島科技大學(xué)，2007．

[3]戴蕭嫣．局域多基站水聲定位信號(hào)的模式設(shè)計(jì)與仿真[D]．太原：中北大學(xué)，2007．

[4]李強(qiáng)．非平穩(wěn)信號(hào)特征提取新方法和實(shí)用診斷技術(shù)的研究[D]．天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2009．

[5]張國(guó)偉，姜德生，祈耀斌．基于光纖傳感技術(shù)的油庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2007，6（1）：138－139．ZHANG Guo-wei，JIANG De-sheng，QI Yao-bin.Research on remote monitoring system used in oil warehouse[J].Sensors and Instrumentation，2007，6（1）:138－139．

[6]劉秋麗，蔣耘晨，楊明，等．ZigBee技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在天然氣聯(lián)合站中的應(yīng)用[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2007（1）：20－21．LIU Qiu-li，JIANG Yun-chen，YANG Ming.Application of zigbee-based wireless sensor networks in gas union stations[J].Instrument Technique and Sensor，2007（1）:20－21．

[7]YAN Ji-na，WANG Ling，KIMB Y，et a1.EEMC：An energy efficient multi-level clusering algorithm for wireless networks[J]．Computer Networks，2008，52（3）：542－562．

[8]LI Cheng-fa，CHEN Cui-hai，YE Mao，et al．An uneven cluster based muting protect for wireless sensor networks[J]．Journal of Computers，2007，30（1）：27－36．