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)過一道充放電工序，對電池的性能進行檢測，這對于保證電源供電可靠性具有十分重要的作用。充放電過程需要檢測的參數(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)、測試電池性能、防止極板鈍化，保證電池質(zhì)量。根據(jù)中國郵電電信總局頒發(fā)的《電信電源維護規(guī)程》的要求，所有閥控式鉛酸（VRLA）蓄電池出廠前都要進行進行2～3次充放電試驗，考驗和檢測各相技術(shù)指標[1]。

本論文設(shè)計一種集成RFID電子標簽的傳感器節(jié)點，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數(shù)據(jù)存儲在電子標簽中，由上位機上的讀卡器實時讀取。另外根據(jù)電池企業(yè)的特殊應(yīng)用背景，電池生產(chǎn)線上布置大規(guī)模、高密集度的RFID標簽，必須設(shè)計快速大批量讀取的RFID讀寫器，將RFID技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行融合。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心某一節(jié)點的位置，因此對節(jié)點一般都不采用全局標識，而RFID技術(shù)對節(jié)點的標示有著得天獨厚的優(yōu)勢[2]，將兩者結(jié)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電池的充放電過程的電流、電壓信息，也可以利用RFID的標識功能輕松的找到每一個電池的具體位置。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、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)計的節(jié)點由集成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(shè)計小巧，只有打火機體積大小，接在每只電池的兩個端子上。充放電機工作時，傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)存儲在電子標簽中，安裝在上位機上的讀卡器將采集數(shù)據(jù)實時讀取。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用自組織協(xié)議支持下的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[3]，在電磁干擾和遮擋干擾都非常嚴重的生產(chǎn)車間，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運作，并且信息采集的可靠性也比有線采集提高了一個數(shù)量級。

1 集成RFID的智能節(jié)點的硬件設(shè)計

該智能節(jié)點由微控制單元、傳感器采集單元、射頻收發(fā)器、RF天線、內(nèi)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(jié)點被放置在電池頂端，接口連接電池兩個極板[4]，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(nèi)部存儲器中，微處理器在合適的時候?qū)?shù)據(jù)進行處理，由SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到電子標簽，電子標簽中的信息通過射頻收發(fā)器發(fā)送出去，由上位機上的讀卡器實時讀取。整個節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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

下面分別介紹各個部分的具體設(shè)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。

圖2 智能節(jié)點的硬件原理圖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電壓進行放大和濾波，然后直接進行AD轉(zhuǎn)換即可由微處理器進行讀取和處理[5]。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

電流采集使用一個霍爾電流傳感器芯片，該傳感器可將電流轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電壓值，電壓值再經(jīng)過一次AD轉(zhuǎn)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。

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Dallas公司生產(chǎn)的DSl8B20單總線數(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性工作范圍，它的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例，而且不需要外部校準或微調(diào)，直接將溫度物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并以總線方式傳送到控制器進行數(shù)據(jù)處理[6]。DS18B20對于實測的溫度提供了9～12位的數(shù)據(jù)和報警溫度寄存器，測溫范圍為55～+125℃，其中在10～+85℃的范圍內(nèi)測量精度為±0.5℃。DSl8B20的輸出電壓與攝氏溫度呈線性關(guān)系，0℃時輸出為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)境的自動化測量及控制系統(tǒng)，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。此外，每一個DSl8B20有唯一的系列號，因此多個DSl8B20可以存在于同一條單線總線上。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傳感器節(jié)點上，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[7]，電子標簽將數(shù)據(jù)存儲在起來，讀寫器通過訪問射頻收發(fā)器單元實時讀取標簽的信息。實物模擬圖如圖6所示。

圖6 實物模擬圖Fig.6 Physical simulation diagram

將射頻收發(fā)器單元融入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是RFID的發(fā)展趨勢之一，RFID網(wǎng)絡(luò)如實時定位系（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(jié)點中，來更好地讀取我們想要的數(shù)據(jù)信息。電子標簽可以像自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點那樣密集地部署。全自動地工作，把數(shù)據(jù)信息采用多跳的方式發(fā)送到sink節(jié)點。由于在同一區(qū)域內(nèi)的標簽的信息比較類似，所以這些信息可以在每個智能節(jié)點中通過簡單有效的數(shù)據(jù)壓縮方法進行壓縮，保證數(shù)據(jù)流量不至于太大，能耗方面也有優(yōu)勢[8]。圖7為節(jié)點射頻收發(fā)器單元工作原理圖。

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

3 讀寫器控制單元設(shè)計

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，讀寫器須滿足如下要求：讀寫器網(wǎng)絡(luò)供電，為Ethernet802.3模式A及模式B（支持100 M線長）；直流供電電壓10－30VDC，最大功耗 15 W；工作溫度－20～－60℃；存儲溫度－40～－85℃；讀寫器被設(shè)置在上位機上，當被檢測的電池未達到規(guī)定的參數(shù)要求時，讀寫器發(fā)出警報信息，同時狀態(tài)顯示在哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題以及對應(yīng)的負責人和檢測時間。同時讀寫器的設(shè)計考慮了與企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的連接，可以通過以太網(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 讀寫器控制單元硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Hardware structure diagram reading and writing control unit

4 實驗和結(jié)論

我們在電池生產(chǎn)車間進行充放電實地實驗，將RFID電子標簽的智能節(jié)點（圖9左），射頻收發(fā)器（圖9右）固定在電池極板上，讀寫器模塊放在控制終端連接上位機。電池進行充放電循環(huán)實驗，智能節(jié)點不斷將充放電過程的數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻收發(fā)器。如圖10所示，上位機將實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理后，可得到電池的充放電實時曲線。

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

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

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

5 結(jié)束語

本文針對電磁干擾和遮擋非常嚴重的電池生產(chǎn)車間的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計一種集成RFID電子標簽的傳感器網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點。在每個電池上安置一個采集節(jié)點，節(jié)點由集成了RFID電子標簽的傳感器組成，兼有電子標簽和傳感器的功能，在采集的電壓、電流、溫度值之后將數(shù)據(jù)存儲在電子標簽中，由上位機上的讀卡器實時讀取，所有節(jié)點構(gòu)成一個龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。全過程不需人工干預(yù)進行實時監(jiān)控，同時將充放電過程的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，以實現(xiàn)電池售后的質(zhì)量跟蹤和追溯。相對于傳統(tǒng)電池充放電方法，采集節(jié)點將充放電過程的監(jiān)控做到了自動化、專家化。

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