区域自动站蓄电池在线监测系统的优化

孙建强

山东省泰安农业气象试验站 山东泰安 271000

本项目旨在设计一款区域自动站蓄电池在线监测系统，其能较为精准对蓄电池电量进行实时监测并通过GPRS 无线传输方式将采集到的实时数据传输到串口调试助手上，并对低电量进行预警。运维人员根据调试助手发出的预警信息对故障点的蓄电池进行现场检测和更换已经老化的蓄电池。这样切实保障自动站蓄电池的高水平运行，同时也提高数据观测质量。

1 测量系统原理与组成

蓄电池电量监测目前国内外采取的监测方法多种多样，比如电压巡检法、容量放电法、放电曲线法、温度测量法和内阻测量的方法等，本项目研究的核心是通过对蓄电池电量的监测，来判断蓄电池老化的程度，从而对于老化严重的蓄电池发出报警信号，通过软件系统提供运维人员对故障点蓄电池进行更换。由于此次研究暂不考虑引起蓄电池老化的各个因素，也不对已经老化的蓄电池进行二次修复，只是对过度老化的电池进行人为更换，所以对电量监测的精度的要求也不算太高。项目的核心是验证此种方式是否可以较为有效的对蓄电池老化进行预警，整个系统是否能稳定运行，在实际运用中是否还存在未考虑到的问题，这些问题是否都可以得到解决，预期的效果是否可以达到。根据参与人员的研究方向与经费预算为基础，项目组通过查阅资料文选，决定采取监测蓄电池的电压变化来作为蓄电池老化的参数，并对长时间的低电压进行告警[1]。

系统由电压检测模块、无线传输模块和串口调试助手（以下简称上位机）三部分组成。数据采集后的传输可以采用RS485（有线）传输或4G 网络（无线）到上位机端。整个系统的安装是将电压检测模块的检测端安装在蓄电池的正负极上，电压检测模块将实时采集的数据收集后通过RS485 传输给无线模块，无线模块再通过4G网络将数据发往指定的网络IP 地址端。整个系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

1.1 电压测量原理

先对蓄电池的正负电压端进行电阻分压处理，再在较低的电阻两端接入AD 直接获取分得的电压，A/D 转换就是把模拟信号转换为数字信号，以便单片机处理，最后根据蓄电池厂家的蓄电池电压曲线与电量的关系，找出电压过低的阈值并进行预警。根据查阅的资料和说明书，此款蓄电池的电压在长期低于10.8V 时属于严重老化，不能在继续使用，应尽快更换电池。取样电路如图2 所示。

图2 取样电路

1.2 硬件部分

电压监测模块在蓄电池的电压端用一个80k 和10k 的高精度标准电阻进行分压，再10k 的高精度电阻两端连接AD 公司的一款16 位模数转换器芯片（AD），片内集成了过压保护电路、二阶模拟抗混叠滤波器、模拟多路复用器、16 位200kSPS 的ADC 和内部基准电压源。测量电路中经放大滤波处理过的信号由A/D 模块转换并输出对应的数字量，送给STM32 单片机处理，处理好的数据信息再通过RS485 控制信号接入到无线模块上（无线模块同时具备RS485 与4G 无线传输方式），再采用塔石公司的4GDTU无线通信模块将数据传输到指定的IP 地址端。系统的硬件框图如图3 所示。

图3 硬件框图

1.3 上位机软件设计

上位机具有数据实时显示和异常报警两个主要功能，数据1分钟一个数据在上位机界面实时显示，并对蓄电池监测电压低于10.8V 进行报警。测量流程图如图4 所示。

图4 测量流程图

2 现场验证情况

2.1 模拟验证阶段

系统设计并研发测试完成后进入模拟现场情况验证阶段，购入一电压范围可调的直流开关电压。用此开关电源来代替蓄电池，并对开关电源的电压进行监测并与开关电压上显示的电压进行对比，用来验证电压检测模块的精度和可靠性，并通过RS485 有线和4G无线方式对系统进行验证，观察此系统的数据是否准确可靠。

2.2 实地验证阶段

模拟验证阶段完成后进入实地验证环节，选择一处已经出现电池老化的蓄电池进行系统的实地安装和监测，并通过4G 无线方式对系统进行验证，观察此系统的数据是否准确可靠。

2.3 项目完成情况

项目的软硬件均已完成。硬件的各个设备能够准确检测各个参数，其结果符合误差要求。上位机能够实时显示数据并对过低的电压提供报警信号，且软硬件之间的通信状况良好，能够稳定完成指令传递以及数据收发，各项功能已经完成。

3 关键技术与创新点

采用高速AD 转换器与微处理器，为后续硬件功能的扩展打下基础。监测模块采用先进的高度AD 与微处理器，其端口众多，速度快，可扩展功能强大，为后续电压监测的其他参数测（杂波、内阻、电解液浓度等）试提供了硬件保障。

4 总结与展望

通过项目的研究工作，我们研制完成了区域自动站蓄电池在线监测系统，并达到了预期的效果。希望能在后续的工作中进行成果转化带来一定的经济价值。

在项目研究的基础上，经过总结和分析，如果具备条件将系统进一步的融合和优化，希望能做成功更加强大的电压监测模块，同时提高硬件的自我保护措施和抗恶劣环境的能力，增强软的功能，并通过对长时间大量数据的收集与分析，找出蓄电池老化的原因与规律，通过更加智能的手段来延长蓄电池的使用寿命，降低人工与设备维护成本。