羅擁軍，羅一山

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，廣西南寧530226)

基于TCP/IP協(xié)議的蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

羅擁軍，羅一山

(廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，廣西南寧530226)

蓄電池工作狀態(tài)，直接影響著所供電設(shè)備的可靠運(yùn)行，因此對(duì)蓄電池進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)就具有其必要性。提出了一種基于S3C6410開(kāi)發(fā)板和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)可以提供蓄電池端電壓、電池內(nèi)阻、容量、溫度等參數(shù)定時(shí)巡檢并自動(dòng)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)的功能，具有診斷電池故障及自動(dòng)報(bào)警的功能。

蓄電池；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)；嵌入式；TCP/IP

Battery monitoring system study based on TCP/IP protocol

隨著電力電子和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，許多精密的儀器出現(xiàn)在生產(chǎn)和生活中。這些設(shè)備對(duì)供電電能的要求相對(duì)較高，因此，為了提高供電的可靠性，在許多生產(chǎn)場(chǎng)合均會(huì)使用蓄電池作為備用電源和不間斷電源，特點(diǎn)是通信系統(tǒng)、重要的服務(wù)器、電力控制系統(tǒng)、各種計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等。而在這種情況下，蓄電池工作狀態(tài)的優(yōu)劣，對(duì)于所供電設(shè)備可靠運(yùn)行具有重要的作用。

蓄電池，是一種以充電的方式使內(nèi)部的活性物質(zhì)以一定的形式儲(chǔ)存為化學(xué)能，在需要放電時(shí)把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的電氣化學(xué)設(shè)備，其工作也存在一定的不穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為電池干涸發(fā)熱、漏液、過(guò)充過(guò)放、欠充欠放、內(nèi)阻增大等方面，而這些方面的變化都會(huì)帶來(lái)不能正常運(yùn)行的惡劣后果。因此對(duì)蓄電池定期進(jìn)行檢查和檢測(cè)是一項(xiàng)必需的工作。

過(guò)去蓄電池的定期檢測(cè)是由人工來(lái)完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)檢查和集中控制成為可能。本設(shè)計(jì)就是利用現(xiàn)代技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的蓄電池實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。的監(jiān)測(cè)技術(shù)已基本成熟。本文主要研究的是蓄電池組的監(jiān)測(cè)管理。

蓄電池組的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以蓄電池各單體內(nèi)阻、連接內(nèi)阻、各單體蓄電池端電壓、蓄電組總電壓、蓄電池組總電流、剩余電量和蓄電池組所在環(huán)境的溫度和濕度為主要監(jiān)測(cè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)電池的性能、狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并且依據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)和一定的算法對(duì)電池性能的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析判斷的自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其具體功能如表1所示。

表1 蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能表

1 蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體功能分析

蓄電池的自動(dòng)監(jiān)測(cè)主要可以包括單體電池的監(jiān)測(cè)和蓄電池組的監(jiān)測(cè)。目前市場(chǎng)上也有許多簡(jiǎn)單的蓄電池監(jiān)測(cè)產(chǎn)品在出售，這些產(chǎn)品的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象是單體電池的電壓、單體電池的電流及溫度、充放電管理等監(jiān)控內(nèi)容。因此，關(guān)于單體電池

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)有[1]：(1)所監(jiān)測(cè)單體電壓精度達(dá)到0.5%rdg+6 dgt；(2)所監(jiān)測(cè)單體及電池組內(nèi)阻范圍及精度達(dá)到：范圍0～200 Ω，精度2%rdg+6 dgt；(3)蓄電池組總體電壓：范圍0～100 V，精度0.5%rdg+6 dgt；(4)蓄電池組總體電流：范圍0～150 A，精度1.0%rdg+6 dgt；(5)監(jiān)測(cè)電池?cái)?shù)量：24節(jié)；(6)通信方式：基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信方式。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)及硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上功能分析，蓄電池的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括三部分組成：(1)單體電池及電池組采集層(SCDCM)；(2)通信層；(3)客戶端應(yīng)用層。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，單體電池及電池組采集層采用AVR系列的8位微處理器ATMEG128作為數(shù)據(jù)處理和采樣控制芯片。ATMEG128是一個(gè)基于AVR的低功耗CMOS8位微控制器，具有六種省電模式，工作于16 MHz時(shí)工作頻率可達(dá)16 MIPS，可提供2個(gè)8位及2個(gè)16位(擴(kuò)展)的定時(shí)器，同時(shí)還有2個(gè)可編程的連續(xù)串口UART，一個(gè)無(wú)線接口模塊，可以有效地作為底層數(shù)據(jù)處理的控制芯片。

單體蓄電池及電池組的電流及電壓采用霍爾電流和電壓傳感器來(lái)完成，溫濕度由DLT11來(lái)完成。采集數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換由AD976A負(fù)責(zé)。

底層的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信采用無(wú)線射頻的方式，利用ATMEG128上的無(wú)線接口模塊，連接CC1100無(wú)線射頻模塊就可實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)向通信層網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。

通信層由嵌入式系統(tǒng)S3C6410來(lái)完成。S3C6410是一種32位的微處理器，可以移植Linux操作系統(tǒng)，具有豐富的外設(shè)接口。在本設(shè)計(jì)中，主控芯片擴(kuò)展了CC1100無(wú)線通訊接口，以太網(wǎng)接口、串口等，同時(shí)以Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng)。

嵌入式芯片的使用可以提高系統(tǒng)的工作可靠性和有效性。它具有三個(gè)作用：一是網(wǎng)關(guān)的作用，將各節(jié)點(diǎn)采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議的變換，轉(zhuǎn)換成符合TCP/IP協(xié)議，能夠在以太網(wǎng)上進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；另一個(gè)作用是構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng)；第三個(gè)作用是與服務(wù)器通過(guò)串口連接，從而構(gòu)建出客戶端控制接口。

3 精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)

基于S3C6410的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，就需要在S3C6410上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)。由于嵌入式系統(tǒng)的硬件資源的局限性，所以在本實(shí)例中，為了提高通信的速度，對(duì)于TCP/IP協(xié)議中不需要的協(xié)議做去除的處理。

TCP/IP協(xié)議模型具有四層體系結(jié)構(gòu)，分別為網(wǎng)絡(luò)接口層、IP層、傳輸層和應(yīng)用層。作為一組專業(yè)化協(xié)議，TCP/IP協(xié)議包括IP、TCP、UDP、ARP、ICMP以及其它的一些被稱為子協(xié)議的協(xié)議，具體如圖2所示。

圖2 TCP/IP協(xié)議棧

進(jìn)行協(xié)議棧的精簡(jiǎn)具有兩種方式[2]：(1)將無(wú)關(guān)于系統(tǒng)功能的協(xié)議削減掉，即保留必需的協(xié)議，而對(duì)其它無(wú)關(guān)協(xié)議進(jìn)行裁剪；(2)對(duì)單獨(dú)的協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化。

在本設(shè)計(jì)中，利用以上兩種方式設(shè)計(jì)如下：(1)網(wǎng)絡(luò)接口層：主要實(shí)現(xiàn)了ARP應(yīng)答協(xié)議設(shè)計(jì)，用于將IP地址映射成以太網(wǎng)的MAC地址；(2)網(wǎng)際層：IP、ICMP、ARP都要實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于ARP只實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的協(xié)議，去掉了其他的網(wǎng)絡(luò)類型；ICMP協(xié)議中實(shí)現(xiàn)了Ping應(yīng)答協(xié)議，以滿足網(wǎng)絡(luò)連通性的要求；(3)運(yùn)輸層：只實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議就可；(4)應(yīng)用層：去掉HTTP、FTP、SMTP 等協(xié)議。

4 總結(jié)

本文從硬件和軟件兩個(gè)方面論述了實(shí)時(shí)在線蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)是基于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)工作的可靠性和及時(shí)性，本設(shè)計(jì)采用精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧來(lái)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)于其他項(xiàng)目也具有一定的借鑒意義。

[1]史相玲.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009：36-39.

[2]唐富年.一種嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2014(14):948-949.

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2201-02Abstract:The power supply equipment and reliable operation were directly influenced by the work state of battery.So making a online monitoring for the battery was necessary.A design scheme of the battery online monitoring system based on S3C6410 development board and Linux was proposed.The function of checking and automatically record test data regularly such as the voltage of the battery, the battery internal resistance, capacity and temperature parameters were provided by the system.Battery failure diagnosis and the automatic alarm function were owned by it. Key words:battery;monitoring system;embedded;TCP/IP

2015-07-04

羅擁軍(1964—)，男，廣西省人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)樾畔⒒夹g(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、職業(yè)教育。