基于近場通信與低頻喚醒的電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鵬程，朱長青，劉暢

(1.陸軍工程大學(xué)，石家莊 050000； 2.32214部隊(duì)，南京 210000)

0 引 言

目前電池監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，從大型的電力系統(tǒng)儲能電池組，到少量電池組成的電動汽車動力電池組，均研發(fā)出了相應(yīng)的電池監(jiān)測系統(tǒng)，但有線通信需要安裝大量額外線束，存在靈活性和擴(kuò)展性差、安裝和維護(hù)不便等問題。近些年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，又衍生出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線電池監(jiān)測系統(tǒng)，針對不同使用場景的電池，電池監(jiān)測系統(tǒng)又可以分為儲能電池監(jiān)測系統(tǒng)[1-2]、動力電池監(jiān)測系統(tǒng)[3-6]和專用電池監(jiān)測系統(tǒng)[7]等。

以上各種類型的無線電池監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢[8-9]，避免了有線電池監(jiān)測系統(tǒng)的線束問題，但是相比于成組使用并且位置相對固定的儲能或動力電池組，用于內(nèi)燃機(jī)起動的起動電池，由于其零散的使用方式和位置不確定的使用場景，加上目前相對應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)很少，導(dǎo)致此類電池存在失管失控問題。

若將儲能或動力電池監(jiān)測系統(tǒng)直接應(yīng)用到起動電池上，會出現(xiàn)明顯的弊端。例如起動電池由于使用位置不固定，其監(jiān)測裝置不能由室電供電，只能依托自身的電量，文獻(xiàn)[1]提出的監(jiān)測系統(tǒng)依賴于室電，不適用于起動電池；文獻(xiàn)[2]提出的監(jiān)測系統(tǒng)Zigbee及GSM若全天候開啟，會對起動電池造成較大的電量損失；文獻(xiàn)[10]提出的基于WiFi的軍用蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)同樣存在WiFi模塊功耗過大的問題。

如文獻(xiàn)[11]所述，已經(jīng)開發(fā)出了針對零散分布電池的無線監(jiān)測系統(tǒng)，其提出的“低頻喚醒+RFID模塊”的通信策略，解決了無線通信模塊的待機(jī)功耗問題，但是在不知道蓄電池監(jiān)測板ID的情況下，低頻喚醒方式不能讀取指定電池的信息，靈活性受限，且低頻喚醒接收機(jī)本身存在無線接收功能，導(dǎo)致RFID模塊的接收功能冗余。

1 電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能要求

起動電池在軍事、工業(yè)生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要的作用[12]，小到家用摩托車、汽車，大到軍用雷達(dá)、導(dǎo)彈車輛，要想正常工作均離不開起動電池，但目前缺少針對此類電池的專用監(jiān)測系統(tǒng)，究其原因主要是起動電池使用分散、分布不定、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜等。

起動電池不像儲能電池那樣大規(guī)模、成組使用，因此針對起動電池的監(jiān)測裝置必須精確地監(jiān)測到電池單體，這要求監(jiān)測裝置必須高度集成以滿足體積限制；起動電池使用或儲藏位置不固定，電池與內(nèi)燃機(jī)沒有固定的配套關(guān)系，因此監(jiān)測裝置不能由AC 220 V室電供電，而應(yīng)使用蓄電池本身電量，這對監(jiān)測裝置功耗有一定限制；同樣由于起動電池應(yīng)用位置的不確定性，受限于RFID模塊的工作距離，電池監(jiān)測系統(tǒng)的終端應(yīng)該是可移動的裝置。

1.2 電池監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

提出一種基于近場通信(NFC)與低頻喚醒的低功耗無線電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括“監(jiān)測板+手持機(jī)+上位機(jī)”三層結(jié)構(gòu)。。

圖1 系統(tǒng)整體框架

監(jiān)測板負(fù)責(zé)采集蓄電池參數(shù)并實(shí)時(shí)估計(jì)蓄電池狀態(tài)；手持機(jī)可以以無線方式與監(jiān)測板交互，獲取蓄電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)，這里的無線方式包括兩種：近場通信方式和“低頻喚醒+433 MHz透傳”組合RFID方式；上位機(jī)主要以USB有線通信方式從手持機(jī)獲取蓄電池的狀態(tài)，并存入數(shù)據(jù)庫中供管理人員查看

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測板硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測板是指封裝到蓄電池外殼內(nèi)部的印制電路板(PCB)模塊，該模塊集成有微控制器(MCU)、AD采集電路、低頻接收電路、433 MHz超高頻(UHF)發(fā)射電路、NFC標(biāo)簽電路及其相應(yīng)的天線，可以實(shí)時(shí)采集蓄電池電壓、電流、溫度參數(shù)并通過內(nèi)置蓄電池狀態(tài)估計(jì)算法準(zhǔn)確估計(jì)蓄電池荷電狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)、循環(huán)次數(shù)等，并可以通過無線方式與手持機(jī)進(jìn)行交互，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 監(jiān)測板結(jié)構(gòu)圖

由于監(jiān)測板由蓄電池自身供電，所以監(jiān)測板的功耗問題是無線電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。監(jiān)測板的功耗主要來源于微控制器、AD采集電路和無線通信電路三部分。

2.1.1 微控制器

為降低功耗，微控制器選用STM32L412C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)位寬32位，主頻可達(dá)80 MHz，可運(yùn)行大多數(shù)蓄電池狀態(tài)估計(jì)算法，且其正常運(yùn)行模式功耗低至86 μA/MHz，低于傳統(tǒng)的MSP430等低功耗單片機(jī)。

2.1.2 AD采集電路

AD采集電路負(fù)責(zé)采集蓄電池電壓、電流、溫度參數(shù)，用于蓄電池狀態(tài)估計(jì)算法的輸入。為降低電路的功耗，采用了最簡化的電路設(shè)計(jì)，省去了耗電大的光耦等器件，電壓、電流參數(shù)采集電路由分壓電阻和低功耗運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器構(gòu)成，溫度采集功能由微控制器內(nèi)部的溫度通道實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 無線通信電路

手持機(jī)作為通信主動發(fā)起方，應(yīng)該隨時(shí)都能與監(jiān)測板建立可靠的通信，但是設(shè)置監(jiān)測板的無線通信模塊始終處于接收模式會帶來很大的電量損耗，文獻(xiàn)[13]提出的Zigbee模塊定時(shí)喚醒策略并沒有從根本上解決問題，文獻(xiàn)[11]提出一種“低頻喚醒+RFID模塊”的組合式通信方式的確解決了無線通信模塊的接收功耗問題，但是這種方式存在上文所述的兩個(gè)固有缺點(diǎn)。

為此，提出“NFC+低頻喚醒+433 MHz透傳”的無線通信方式來解決單獨(dú)使用低頻喚醒方式的固有缺點(diǎn)，手持機(jī)可以使用兩種方式與監(jiān)測板通信：NFC方式、“低頻喚醒+433 MHz透傳”組合方式。監(jiān)測板集成有雙界面NFC標(biāo)簽芯片M24SR64及其板載天線，可利用NFC讀寫器發(fā)出的場能量與讀寫器通信，而不必耗費(fèi)蓄電池的電量，用戶可使用手持機(jī)刷卡式讀取蓄電池信息，方便快捷。同時(shí)使用“低頻喚醒接收+433 MHz發(fā)射”的組合式RFID來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Zigbee、nRF24L01等RFID模塊，低頻喚醒模塊待機(jī)時(shí)小于2.2 μA，433 MHz發(fā)射模塊待機(jī)時(shí)小于1 μA，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)RFID模塊的接收功耗，具體實(shí)物圖見圖3。

圖3 監(jiān)測板實(shí)物圖

2.2 手持機(jī)設(shè)計(jì)

手持機(jī)是指用戶用以讀取蓄電池狀態(tài)信息的手持電子設(shè)備，該設(shè)備集成有微控制器、OLED屏幕、低頻天線驅(qū)動電路、 433 MHz接收機(jī)、NFC讀寫器及其相應(yīng)的天線等，可以讀取、顯示并存儲蓄電池實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，可以通過USB方式與上位機(jī)交互，具體結(jié)構(gòu)見圖4、圖5。

圖4 手持機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖5 手持機(jī)實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測板軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測板封裝到蓄電池外殼后即上電，首先進(jìn)行AD采集模塊、低頻接收模塊、433 MHz發(fā)射模塊、NFC標(biāo)簽?zāi)K的初始化，隨后進(jìn)入低功耗模式運(yùn)行內(nèi)置的蓄電池狀態(tài)估計(jì)算法，根據(jù)AD采集的蓄電池參數(shù)實(shí)時(shí)運(yùn)算蓄電池狀態(tài)信息。

當(dāng)達(dá)到中斷條件時(shí)，會進(jìn)入中斷以執(zhí)行預(yù)設(shè)好的程序，中斷源有兩個(gè)：低頻喚醒中斷和NFC中斷。手持機(jī)接近監(jiān)測板時(shí)，會觸發(fā)NFC中斷，在中斷程序中，監(jiān)測板將蓄電池實(shí)時(shí)狀態(tài)信息通過負(fù)載調(diào)制方式傳送回手持機(jī)。當(dāng)手持機(jī)發(fā)送低頻喚醒廣播信號時(shí)，會觸發(fā)低頻喚醒中斷，在中斷程序中，監(jiān)測板首先解析低頻喚醒幀，幀結(jié)構(gòu)見表1，如果該幀中的命令字節(jié)為廣播喚醒，或所指定的監(jiān)測板ID字節(jié)與自身ID對應(yīng)，則通過433 MHz發(fā)射模塊將蓄電池實(shí)時(shí)狀態(tài)信息幀返回給手持機(jī)，否則忽略該低頻喚醒幀，幀結(jié)構(gòu)見表2。具體流程見圖6。

表1 低頻喚醒幀

表2 蓄電池信息幀

圖6 監(jiān)測板流程圖

3.2 手持機(jī)軟件設(shè)計(jì)

手持機(jī)上電后，會初始化低頻天線驅(qū)動模塊、433 MHz接收模塊、NFC讀寫器模塊等，用戶將手持機(jī)貼近監(jiān)測板時(shí)，會通過NFC方式讀取并顯示蓄電池當(dāng)前狀態(tài)信息；用戶按下廣播按鍵時(shí)，會通過低頻天線向外廣播低頻喚醒幀，并通過433 MHz接收模塊接收多個(gè)電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用C++編程，并結(jié)合Qt5軟件平臺進(jìn)行開發(fā)，主要完成數(shù)據(jù)存儲、分析和管理功能。內(nèi)置Sqlite數(shù)據(jù)庫用來存儲蓄電池狀態(tài)信息，可視化操作界面配合Sqlite數(shù)據(jù)庫使得蓄電池管理人員方便地對蓄電池進(jìn)行批量管理。上位機(jī)軟件通過USB接口連接手持機(jī)并與之通信，獲取最新的蓄電池狀態(tài)信息并導(dǎo)入自身數(shù)據(jù)庫。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過在監(jiān)測板電源回路上串聯(lián)電阻來測量監(jiān)測板相應(yīng)模塊消耗的電流[14]，相應(yīng)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同模式下電流消耗對比

由圖7可知，監(jiān)測板在正常運(yùn)行期間，電流消耗僅為544 μA；用戶通過手持機(jī)以NFC方式讀取蓄電池信息時(shí)，由于NFC標(biāo)簽的能量大部分來自于手持機(jī)產(chǎn)生的射頻場，僅有線通信部分的電量由電池提供，所以電流消耗上升不明顯，總電流大小為694 μA；用戶通過廣播方式讀取蓄電池信息時(shí)，由于監(jiān)測板收到低頻喚醒信號后要通過433 MHz發(fā)射模塊向手持機(jī)返回信息，433 MHz模塊發(fā)射電流大約為12 mA，因此監(jiān)測板的電流消耗會出現(xiàn)較大上升，達(dá)到12.5 mA。

相對于文獻(xiàn)[11]提出的“低頻喚醒+RFID模塊”的低功耗通信策略，設(shè)計(jì)了更為靈活且功耗更低的通信策略：將昂貴的RFID模塊換成只具備發(fā)射功能的433 MHz透傳模塊SYN115，成本更低，且保留了廣播喚醒的功能；添加NFC標(biāo)簽?zāi)K來彌補(bǔ)廣播喚醒針對性不足的缺點(diǎn)，使得讀取方式更靈活。

管理人員進(jìn)行電池巡檢時(shí)，近距離下，可以通過NFC以不消耗設(shè)備端電池能量用于通信的情況下進(jìn)行抄讀數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)距離下，可以通過本裝置的低功耗低頻無線以主動方式喚醒，而節(jié)省了無線通信模塊平時(shí)無意義定時(shí)喚醒的能源消耗量，實(shí)現(xiàn)抄讀。兩種情況下，均實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備端能源節(jié)省的主要目標(biāo)，又都是基于用戶實(shí)時(shí)主動喚醒操作，使得實(shí)時(shí)性相對原本定時(shí)喚醒而言變得更強(qiáng)。另外，如有廣播抄讀的提升工作效率的臨時(shí)訴求，則可通過低頻無線主動喚醒進(jìn)行近距離、遠(yuǎn)距離的抄讀，供用戶靈活選擇以適應(yīng)不同任務(wù)目標(biāo)。表3顯示了不同讀取方式的在速率、距離和功耗方面的特點(diǎn)。

表3 不同讀取模式的特點(diǎn)

在成本上，監(jiān)測板在蓄電池報(bào)廢之后仍可以繼續(xù)用在新蓄電池上，可重復(fù)利用性使成本大大降低。當(dāng)然仍存在幾點(diǎn)不足：采用廣播方式讀取的距離受限于低頻喚醒的距離，經(jīng)測試，低頻喚醒最大10 m左右，這使得433 MHz透傳模塊幾十米的通信距離沒有發(fā)揮出來；由于鉛酸蓄電池作為起動電池時(shí)，標(biāo)稱電壓為12 V，需要經(jīng)過DC-DC降壓后才能為監(jiān)測板供電，由圖7可知，DC-DC電源電路仍有一定的功率損失

5 結(jié)束語

針對目前起動電池或其他零散分布的電池的失管失控問題，提出了一種功耗低且實(shí)時(shí)性好的無線電池監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)合理利用低頻喚醒技術(shù)，使蓄電池監(jiān)測板能夠在低功耗狀態(tài)下保持通信的實(shí)時(shí)性；

(2)使用“低頻喚醒+433 MHz收/發(fā)透傳模塊”來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“低頻喚醒+RFID模塊”，降低成本的同時(shí)，也降低了電路板布線難度；

(3)提出NFC與低頻喚醒相結(jié)合的通信架構(gòu)，在保持監(jiān)測板低功耗狀態(tài)下，提高了管理人員對蓄電池進(jìn)行巡檢的靈活性。