基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象觀(guān)測(cè)站電量在線(xiàn)檢測(cè)方法

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(dòng)觀(guān)測(cè)站，絕大部分采用太陽(yáng)能供電，受制于蓄電池容量，在長(zhǎng)時(shí)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(cè)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(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(dòng)觀(guān)測(cè)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(shí)間的增加而增大[2]。測(cè)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(xiàn)測(cè)試，不適用于野外氣象自動(dòng)觀(guān)測(cè)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(hào)，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(hào)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(guò)DDS合成技術(shù)，利用單片機(jī)產(chǎn)生正弦信號(hào)，結(jié)合單片機(jī)的ADC模塊采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(guò)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(xiàn)監(jiān)測(cè)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(guò)測(cè)量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(hào)的相位角[5]。

利用線(xiàn)性器件在工作電流頻率較低時(shí)電阻為常數(shù)的特性，將其作為標(biāo)準(zhǔn)電阻，被測(cè)蓄電池串聯(lián)，組成測(cè)量電路，使用交流恒流源向該電路注入定頻電流，電流信號(hào)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(cè)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(cè)蓄電池電壓響應(yīng)的峰值，φ1、φ2為相位角。

同一時(shí)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(guò)檢測(cè)原理(圖2)，可得：

圖2 檢測(cè)原理

(5)

等式兩邊同時(shí)積分：

(6)

通過(guò)計(jì)算可得：

(7)

由式(7)可見(jiàn)，被測(cè)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(hào)，通過(guò)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(guò)計(jì)算Zs和φ，由式(1)得到蓄電池內(nèi)阻值。

2 監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(guò)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(lì)信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)VCCS的電阻，產(chǎn)生不同大小的電流，該橫流信號(hào)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻、被測(cè)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(wú)關(guān)信號(hào)，提高信噪比SNR。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 正弦信號(hào)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(jiǎn)單，且有完善的過(guò)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(shí)，可獲得頻率為1 kHz、電流為100 mA的恒流信號(hào)，通過(guò)電容耦合到標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測(cè)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(hào)調(diào)理

由于電池內(nèi)阻較小，注入電流信號(hào)產(chǎn)生的電壓響應(yīng)很容易淹沒(méi)在噪聲中，因此需要對(duì)信號(hào)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?jī)H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(guò)公式變換，得出Rg的取值公式：

(11)

其中,49.4(kΩ)為AD620使用手冊(cè)中給出固定值。

信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示，在放大信號(hào)的同時(shí)，噪聲也相應(yīng)放大，需要引入濾波器(圖6)對(duì)其他頻率噪聲進(jìn)行衰減，其輸入信號(hào)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(hào)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(shí)對(duì)進(jìn)入單片機(jī)ADC兩路信號(hào)進(jìn)行采樣(圖7)，經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換(FFT)，得出被測(cè)蓄電池阻抗Zs，通過(guò)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(gè)時(shí)域信號(hào)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(hào)頻率F、采樣點(diǎn)數(shù)為N，經(jīng)過(guò)FFT的結(jié)果為一個(gè)有N個(gè)點(diǎn)的復(fù)數(shù)，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)頻率點(diǎn)，這個(gè)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(cè)量方法[10]，但需要將電池移除工作模式，通過(guò)大電流放電測(cè)量?jī)?nèi)阻，為離線(xiàn)測(cè)量方式。為了驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性，取6塊使用時(shí)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(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)比試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果 mΩ

由表1結(jié)果可知，本文方法的測(cè)量結(jié)果與直流放電法測(cè)量結(jié)果誤差不大，基本控制在1%以?xún)?nèi)，但內(nèi)阻較小時(shí)誤差較大，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)是信號(hào)較小時(shí)，噪聲、AD精度等測(cè)量誤差相對(duì)較大導(dǎo)致，可通過(guò)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(guò)對(duì)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(cè)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(shí)刻的內(nèi)阻值，W(k)為過(guò)程噪聲。

同時(shí)引入測(cè)量噪聲V(k)，方差R，測(cè)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(shí)刻的協(xié)方差為P(k-1)，使用k-1時(shí)刻的測(cè)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(shí)刻的測(cè)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(cè)量的對(duì)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(cè)量誤差顯著減小。

表2 改進(jìn)后測(cè)試對(duì)比結(jié)果 mΩ

4 系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

為了在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控建設(shè)在野外的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)觀(guān)測(cè)站點(diǎn)的電池使用情況，通過(guò)本方法監(jiān)測(cè)觀(guān)測(cè)站點(diǎn)蓄電池的電量，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將觀(guān)測(cè)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(tái)[11]。

4.1 本地?cái)?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(duì)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(kāi)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(duì)比表

4.2 通信協(xié)議

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport )消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸，采用發(fā)布/訂閱模式，所有的物聯(lián)網(wǎng)終端都通過(guò)TCP連接到云端，云端通過(guò)主題的方式管理各個(gè)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(jiǎn)單可靠，尤其適合輕量級(jí)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(tái)通信的協(xié)議。

4.3 平臺(tái)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(tái)接收處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，通過(guò)設(shè)置預(yù)警閾值，通過(guò)短信、微信等方式推送消息到管理員手機(jī)及其他移動(dòng)通信端，及時(shí)維護(hù)農(nóng)業(yè)氣象野外觀(guān)測(cè)站點(diǎn)的蓄電池，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的使用，由原來(lái)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(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文通過(guò)采用在電池兩端注入交流橫流信號(hào)，利用單片機(jī)進(jìn)行DAC、ADC變換、傅里葉變換分析得出被測(cè)蓄電池內(nèi)阻值，提出了改進(jìn)的交流注入法。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在內(nèi)阻較小時(shí)，該測(cè)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(xiàn)測(cè)量。同時(shí)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(guān)測(cè)站點(diǎn)的蓄電池電量信息推送到已有的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蓄電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(cè)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)。