集成RFID的電池充放電參數采集節點(diǎn)設計

電池在出廠(chǎng)之前一般都要經(jīng)過(guò)一道充放電工序，對電池的性能進(jìn)行檢測，這對于保證電源供電可靠性具有十分重要的作用。充放電過(guò)程需要檢測的參數一般包括：充放電電壓、充放電電流、電池溫度、內阻、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、測試電池性能、防止極板鈍化，保證電池質(zhì)量。根據中國郵電電信總局頒發(fā)的《電信電源維護規程》的要求，所有閥控式鉛酸（VRLA）蓄電池出廠(chǎng)前都要進(jìn)行進(jìn)行2～3次充放電試驗，考驗和檢測各相技術(shù)指標。

本論文設計一種集成RFID電子標簽的傳感器節點(diǎn)，實(shí)現實(shí)時(shí)數據采集，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數據存儲在電子標簽中，由上位機上的讀卡器實(shí)時(shí)讀取。另外根據電池企業(yè)的特殊應用背景，電池生產(chǎn)線(xiàn)上布置大規模、高密集度的RFID標簽，必須設計快速大批量讀取的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)心某一節點(diǎn)的位置，因此對節點(diǎn)一般都不采用全局標識，而RFID技術(shù)對節點(diǎn)的標示有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢，將兩者結合共同組成網(wǎng)絡(luò )可以相互彌補對方的缺陷，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的標識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、嵌入式計算、現代網(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)，應用前景十分廣闊。本文設計的節點(diǎn)由集成RFID電子標簽的傳感器組成，兼有電子標簽和傳感器的功能。外形設計小巧，只有打火機體積大小，接在每只電池的兩個(gè)端子上。充放電機工作時(shí)，傳感器節點(diǎn)采集數據，并且將數據存儲在電子標簽中，安裝在上位機上的讀卡器將采集數據實(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 )拓撲結構，在電磁干擾和遮擋干擾都非常嚴重的生產(chǎn)車(chē)間，系統可以穩定運作，并且信息采集的可靠性也比有線(xiàn)采集提高了一個(gè)數量級。

1集成RFID的智能節點(diǎn)的硬件設計

該智能節點(diǎn)由微控制單元、傳感器采集單元、射頻收發(fā)器、RF天線(xiàn)、內部存儲器單元和供電單元6部分組成。集成RFID電子標簽的智能節點(diǎn)被放置在電池頂端，接口連接電池兩個(gè)極板，傳感器采集單元負責采集電池的電流、電壓、溫度等信息，采集的電量信息暫存在內部存儲器中，微處理器在合適的時(shí)候將數據進(jìn)行處理，由SPI接口將數據發(fā)送到電子標簽，電子標簽中的信息通過(guò)射頻收發(fā)器發(fā)送出去，由上位機上的讀卡器實(shí)時(shí)讀取。整個(gè)節點(diǎn)的硬件結構圖如圖1所示。



下面分別介紹各個(gè)部分的具體設計

傳感器采集單元：傳感器采集單元負責采集電池的電流、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。



①電壓采集模塊

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

　　電壓采集模塊采樣電路圖如圖3所示。

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　　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換成與之對應的電壓值，電壓值再經(jīng)過(guò)一次AD轉換，就可以直接被微處理器接收和儲存。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。

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　　溫度采集模塊采用美國Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20單總線(xiàn)數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或微調，直接將溫度物理量轉化為數字信號，并以總線(xiàn)方式傳送到控制器進(jìn)行數據處理。DS18B20對于實(shí)測的溫度提供了9～12位的數據和報警溫度寄存器，測溫范圍為55～+125℃，其中在10～+85℃的范圍內測量精度為±0.5 ℃。DS18B20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)化測量及控制系統，具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)。此外，每一個(gè)DS18B20有唯一的系列號，因此多個(gè)DS18B20可以存在于同一條單線(xiàn)總線(xiàn)上。DS18B20溫度傳感器與主控芯片MSP430連接圖如圖5所示。

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)傳感器節點(diǎn)上，兼有電子標簽和傳感器的功能，傳感器采集單元采集電壓、電流、溫度值，電子標簽將數據存儲在起來(lái)，讀寫(xiě)器通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)射頻收發(fā)器單元實(shí)時(shí)讀取標簽的信息。實(shí)物模擬圖如圖6所示。



將射頻收發(fā)器單元融入網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是RFID的發(fā)展趨勢之一，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標簽融入傳感器節點(diǎn)中，來(lái)更好地讀取我們想要的數據信息。電子標簽可以像自組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)那樣密集地部署。全自動(dòng)地工作，把數據信息采用多跳的方式發(fā)送到sink節點(diǎn)。由于在同一區域內的標簽的信息比較類(lèi)似，所以這些信息可以在每個(gè)智能節點(diǎn)中通過(guò)簡(jiǎn)單有效的數據壓縮方法進(jìn)行壓縮，保證數據流量不至于太大，能耗方面也有優(yōu)勢。圖7為節點(diǎn)射頻收發(fā)器單元工作原理圖。