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        基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象觀測站電量在線檢測方法

        2021-08-25 11:10:28徐建鵬王東旭周鹿揚(yáng)王杰
        氣象科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)阻電量蓄電池

        徐建鵬 王東旭 周鹿揚(yáng) 王杰

        (1 安徽省農(nóng)村綜合經(jīng)濟(jì)信息中心,合肥 230061; 2 安徽斯瑪特物聯(lián)網(wǎng)有限公司,合肥 230061)

        引言

        目前野外的氣象自動觀測站,絕大部分采用太陽能供電,受制于蓄電池容量,在長時間光照不足的天氣條件下,蓄電池的續(xù)航能力嚴(yán)重不足,需要采取人工巡查定期更換蓄電池,極大增加了維護(hù)成本。本文提出了一種改進(jìn)的交流注入法,測量電池內(nèi)阻,并增加Kalman濾波降低干擾,實(shí)現(xiàn)了蓄電池電量的在線實(shí)時監(jiān)測,維護(hù)人員能夠?qū)嵤┱莆招铍姵仉娏壳闆r,為野外氣象自動觀測站的維護(hù)提供了技術(shù)方法支持[1]。

        電池內(nèi)阻是反應(yīng)蓄電池容量的關(guān)鍵因子,通常內(nèi)阻是隨著電池使用時間的增加而增大[2]。測量電池內(nèi)阻的方法較多,常用的有直流放電法和交流注入法[3]。直流放電法需人工干預(yù),讓電池處在大電流放電狀態(tài),進(jìn)行離線測試,不適用于野外氣象自動觀測站。交流注入法通常向蓄電池注入幾kHz到幾十kHz的恒流信號,采集電池兩端的電壓降,計(jì)算出電池內(nèi)阻。

        交流注入法因電流小、信號頻率低,容易受到外界干擾,大部分方案采用AD630鎖相放大方案,成本較高。本文采用改進(jìn)的交流注入法[4],通過DDS合成技術(shù),利用單片機(jī)產(chǎn)生正弦信號,結(jié)合單片機(jī)的ADC模塊采集數(shù)據(jù),經(jīng)過傅里葉變換獲取頻域信息變化,獲取蓄電池內(nèi)阻,最后通過增加Kalman濾波降低干擾,提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

        1 電量在線監(jiān)測原理

        蓄電池的內(nèi)阻與電荷強(qiáng)度之間有較高的相關(guān)性,通過測量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地預(yù)測剩余電量。蓄電池等效內(nèi)阻如圖1所示。

        圖1 蓄電池內(nèi)阻示意

        等效內(nèi)阻計(jì)算公式如下:

        Rs=|Zs|cosφ

        (1)

        其中,Rs為蓄電池內(nèi)阻,Zs為交流阻抗,φ為注入蓄電池的交流電流和其兩端響應(yīng)電壓信號的相位角[5]。

        利用線性器件在工作電流頻率較低時電阻為常數(shù)的特性,將其作為標(biāo)準(zhǔn)電阻,被測蓄電池串聯(lián),組成測量電路,使用交流恒流源向該電路注入定頻電流,電流信號響應(yīng)如式(2),標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓響應(yīng)為式(3),被測蓄電池兩端的電壓響應(yīng)為式(4):

        it=Isin(ωt)

        (2)

        uR=URsin(ωt+φ1)

        (3)

        uZ=UZsin(ωt+φ2)

        (4)

        其中,UR為標(biāo)準(zhǔn)電阻電壓響應(yīng)的峰值,UZ為被測蓄電池電壓響應(yīng)的峰值,φ1、φ2為相位角。

        同一時刻流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻與蓄電池的交流電流是相同的,通過檢測原理(圖2),可得:

        圖2 檢測原理

        (5)

        等式兩邊同時積分:

        (6)

        通過計(jì)算可得:

        (7)

        由式(7)可見,被測蓄電池阻抗值與蓄電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓比成正比,連續(xù)采集蓄電池兩端的電壓信號,通過傅里葉變換,可得蓄電池兩端響應(yīng)電壓的相位角[5-6]:

        (8)

        其中,a為傅里葉變換后實(shí)部,b為虛部。通過計(jì)算Zs和φ,由式(1)得到蓄電池內(nèi)阻值。

        2 監(jiān)測方法與實(shí)現(xiàn)

        試驗(yàn)系統(tǒng)(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示)由主控制器、壓控恒流源電路、調(diào)理電路等組成。主控制器采用STM32F103RCT6單片機(jī),其最高運(yùn)行頻率72 MHz,程序存儲器256 KB,RAM容量48 K,12通道DMA,支持ADC、DAC、SPI 等功能,片內(nèi)資源非常豐富。利用STM32F103RCT6內(nèi)部12位DAC,通過DDS產(chǎn)生1 kHz正弦波,將該正弦波作為壓控橫流源(VCCS)的輸入激勵信號,通過調(diào)節(jié)VCCS的電阻,產(chǎn)生不同大小的電流,該橫流信號經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)電阻、被測蓄電池后產(chǎn)生電壓響應(yīng)。調(diào)理電路采用高精度儀表放大器AD620進(jìn)行放大,帶通濾波器本設(shè)計(jì)采用有源四階巴特沃斯濾波器,設(shè)計(jì)頻段響應(yīng)為1 kHz±100 Hz,盡可能衰減無關(guān)信號,提高信噪比SNR。

        圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        2.1 正弦信號發(fā)生器

        2.2 壓控恒流源(VCCS)

        壓控恒流源電路主要由LM1875T與兩片OP07組成,LM1875T集成了功率放大塊,外圍電路簡單,且有完善的過載保護(hù)和較強(qiáng)的功率輸出。其產(chǎn)生的電流Is大小僅與反饋電阻Rs、輸入電壓Ui有關(guān),數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

        (9)

        由于單片機(jī)工作電壓為3.3 V,當(dāng)Rs=33 Ω時,可獲得頻率為1 kHz、電流為100 mA的恒流信號,通過電容耦合到標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測蓄電池兩端,電路如圖4所示。

        圖4 壓控恒流源產(chǎn)生電路

        2.3 信號調(diào)理

        由于電池內(nèi)阻較小,注入電流信號產(chǎn)生的電壓響應(yīng)很容易淹沒在噪聲中,因此需要對信號進(jìn)行放大。系統(tǒng)放大芯片使用高精度儀表放大器AD620,該芯片外部僅需要一顆電阻Rg,增益G即可在1~10000 kΩ范圍內(nèi)調(diào)節(jié),其增益計(jì)算公式[7]為:

        (10)

        通過公式變換,得出Rg的取值公式:

        (11)

        其中,49.4(kΩ)為AD620使用手冊中給出固定值。

        信號調(diào)理電路如圖5所示,在放大信號的同時,噪聲也相應(yīng)放大,需要引入濾波器(圖6)對其他頻率噪聲進(jìn)行衰減,其輸入信號為AD620的輸出。本設(shè)計(jì)采用4階帶通巴特沃斯濾波器,衰減率每倍頻24 dB,帶通頻率為1 kHz±100 Hz[8]。

        圖5 信號放大電路

        圖6 濾波器電路

        2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)值計(jì)算

        采用DMA方式同時對進(jìn)入單片機(jī)ADC兩路信號進(jìn)行采樣(圖7),經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT),得出被測蓄電池阻抗Zs,通過式(8)可得出電池內(nèi)阻Rs[9]。FFT是離散傅立葉變換的快速算法,將一個時域信號變換到頻域,是常用的數(shù)學(xué)分析工具。假設(shè)采樣頻率為Fs、信號頻率F、采樣點(diǎn)數(shù)為N,經(jīng)過FFT的結(jié)果為一個有N個點(diǎn)的復(fù)數(shù),每個點(diǎn)對應(yīng)著一個頻率點(diǎn),這個點(diǎn)的模值,就是該頻率值下的幅度特性。

        圖7 單片機(jī)ADC采樣

        3 試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化

        直流放電法是較為準(zhǔn)確的蓄電池內(nèi)阻測量方法[10],但需要將電池移除工作模式,通過大電流放電測量內(nèi)阻,為離線測量方式。為了驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性,取6塊使用時間各不相同的蓄電池,容量為12 V/200 Ah,以直流放電法試驗(yàn)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值,進(jìn)行了6組對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        表1 對比試驗(yàn)測量結(jié)果 mΩ

        由表1結(jié)果可知,本文方法的測量結(jié)果與直流放電法測量結(jié)果誤差不大,基本控制在1%以內(nèi),但內(nèi)阻較小時誤差較大,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)是信號較小時,噪聲、AD精度等測量誤差相對較大導(dǎo)致,可通過采用更高精度的濾波器或者使用軟件濾波器進(jìn)行優(yōu)化,為了控制硬件成本,本文使用軟件濾波器進(jìn)行優(yōu)化,通過對比不同的軟件濾波算法,選定Kalman 濾波算法進(jìn)行優(yōu)化。

        由于測量的內(nèi)阻值是一維變量,引入狀態(tài)方程:

        X(k)=X(k-1)+W(k-1)

        (12)

        其中,狀態(tài)X(k)為k時刻的內(nèi)阻值,W(k)為過程噪聲。

        同時引入測量噪聲V(k),方差R,測量方程為:

        Z(k)=X(k)+V(k)

        (13)

        W(k)與V(k)的方差為Q、R(均為器件表明的已知量),k-1時刻的協(xié)方差為P(k-1),使用k-1時刻的測量值估計(jì)出偏差為:

        P(k|k-1)=P(k)+Q

        (14)

        卡爾曼增益K為:

        (15)

        k時刻的測量值為:

        P(k)=(1-K)

        (16)

        這樣不斷的方差遞歸,從而估算出內(nèi)阻最優(yōu)值。重復(fù)上述與直流放電法測量的對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,使用Kalman濾波算法優(yōu)化效果明顯,測量誤差顯著減小。

        表2 改進(jìn)后測試對比結(jié)果 mΩ

        4 系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

        為了在線實(shí)時監(jiān)控建設(shè)在野外的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)觀測站點(diǎn)的電池使用情況,通過本方法監(jiān)測觀測站點(diǎn)蓄電池的電量,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將觀測站內(nèi)所有電池信息進(jìn)行傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)平臺[11]。

        4.1 本地數(shù)據(jù)傳輸

        在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中常用通信技術(shù)有藍(lán)牙、WIFI、LoRa、NB-IoT等,對比如表3所示。使用NB-IOT構(gòu)建的通信網(wǎng)絡(luò),傳輸距離遠(yuǎn),配套產(chǎn)品成熟,開發(fā)成本、使用資費(fèi)低[11]。本系統(tǒng)選用了上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)股份有限公司的BC20通信模組。

        表3 常用通信方式對比表

        4.2 通信協(xié)議

        MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )消息隊(duì)列遙測傳輸,采用發(fā)布/訂閱模式,所有的物聯(lián)網(wǎng)終端都通過TCP連接到云端,云端通過主題的方式管理各個設(shè)備關(guān)注的通訊內(nèi)容,負(fù)責(zé)將設(shè)備與設(shè)備之間消息的轉(zhuǎn)發(fā)[12]。該協(xié)議簡單可靠,尤其適合輕量級的窄帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸,本系統(tǒng)采用了MQTT作為終端與平臺通信的協(xié)議。

        4.3 平臺搭建

        利用現(xiàn)有安徽省氣象局農(nóng)村綜合信息中心農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)平臺接收處理數(shù)據(jù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示,通過設(shè)置預(yù)警閾值,通過短信、微信等方式推送消息到管理員手機(jī)及其他移動通信端,及時維護(hù)農(nóng)業(yè)氣象野外觀測站點(diǎn)的蓄電池,經(jīng)過6個月的使用,由原來的電池故障率6%降到了1.5%,達(dá)到了預(yù)期目的。

        圖8 物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        5 結(jié)論

        本文通過采用在電池兩端注入交流橫流信號,利用單片機(jī)進(jìn)行DAC、ADC變換、傅里葉變換分析得出被測蓄電池內(nèi)阻值,提出了改進(jìn)的交流注入法。同時發(fā)現(xiàn)在內(nèi)阻較小時,該測量辦法容易受到噪聲干擾,采用Kalman 濾波進(jìn)行了優(yōu)化,試驗(yàn)效果明顯,實(shí)現(xiàn)了蓄電池電量的可靠直接在線測量。同時利用NB-IOT通信技術(shù),結(jié)合MQTT協(xié)議,將農(nóng)業(yè)氣象野外觀測站點(diǎn)的蓄電池電量信息推送到已有的觀測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了蓄電池電量的實(shí)時監(jiān)測。但是由于在真實(shí)的使用環(huán)境中,還有很多不確定因素影響測量結(jié)果,比如溫度、適度、電磁環(huán)境等,還需要進(jìn)一步增加相應(yīng)的補(bǔ)償、保護(hù)電路,優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)。

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