基于ARM9—LEM传感器的蓄电池在线监测系统
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【摘 要】 针对变电站供电系统中蓄电池性能变化趋势监测问题，介绍了arm9-lem传感器应用于蓄电池在线监测平台的软硬件设计方案，试验证明可以快速有效地检测出早期失效电池并预测蓄电池性能变化趋势，提高检测可靠性。
【关键词】 传感器 蓄电池在线监测 运行方式
1 概述
蓄电池作为备用电源在供电系统中往往起着极其重要的作用，在交流电失电或其它事故状态下蓄电池组一旦出现问题，供电系统将面临瘫痪，造成设备停运及其它重大运行事故。近年随着阀控式密封铅酸蓄电池（以下简称阀控蓄电池）的广泛使用，加之使用环境及条件欠佳，因蓄电池提前失效而引发的事故时有发生。如何快捷有效地检测出早期失效电池并预测蓄电池性能变化趋势已成为电池运行管理的新课题。随着技术的发展，蓄电池在线监测这一新检测技术开始逐步得到运用。
arm9-lem传感器是专门为应用于蓄电池在线监测而做的蓄电池传感器。该传感器每只模块监测一块蓄电池，模块采用四线制设计，通过与蓄电池的正负极相连实现供电和测量，然后通过rj11接口（电话线接口）实现至多254个模块的相连，经由开放的串口协议通讯实现对整个蓄电池组的监测。该传感器可以直接测量单体蓄电池的阻抗、电压和表面温度（模块贴在电池表面）等。
2 蓄电池在线监测硬件平台的构成
蓄电池在线监测系统一方面需要完成在工业现场如变电站，数据中心等场合蓄电池参数的人机交互，方便用户在现场时观测蓄电池组整体电压，电流以及各单体电池的阻抗，电压和温度；另一方面需要提供网络接口，使用户在远端如中央控制室能够及时了解现场的情况；最后需增加gsm接口，一旦发生故障，可以用发短信或者打电话的方式通知到值班人员。因此有必要设计一台现场监测主机完成以上功能，与arm9-lem传感器sentinel模块相配实现整个蓄电池在线监测系统的构建。
（1）鉴于sentinel模块的独特设计，可以直接对蓄电池阻抗进行测试，因此系统毋须安装单独的放电模块。
（2）由于sentinel模块需要通过地址来识别，该地址是8位的，以上连接最多实现254块蓄电池的连接，对现场监控提出的要求至少有带有人机交互功能，网络功能，gsm发射功能，sbus总线通讯的功能以及a/d转换接口。
主机实质上是一个带有人机交互界面的嵌入式系统。拟采用arm9+操作系统的方式，选择atmel公司的at91sam9261作为系统的主控cpu。
3.1 核心板部分设计
核心板的设计框图如图1：
说明：
（1）由于at91sam9261采用dataflash的启动的方式只能工作在温度高于0℃低于70℃的范围，一旦温度低于0℃将无法启动。为了解决这个问题，只能使arm采用外部启动即nor flash启动的方式，因此需要选择启动模式为外部启动（bms=0），以达到工业现场的温度要求。
（2）norflash存储器芯片选择amd公司的am29lv160db，其容量为4m*16bit，用于存储boot程序，小型操作系统及小型应用程序。设计时采用字对齐方式，即芯片的a0地址线对应arm芯片的a1地址线。
3.2 扩展板部分设计
扩展板的设计框图如图2：
（1） spi flash芯片用于存储蓄电池传感器采得的数据。此处将芯片的写保护脚使用arm的一个i/o口管理起来，以防上电或者掉电时修改片内的数据。
（2）gsm模块采用西门子公司的tc35i模块，与扩展接口（连向arm新片）之间通过串口进行通讯，另外使用arm的一个i/o口控制igt管脚进行模块的激活。为了保证模块与sim卡之间通讯正常，他们之间的走线距离要尽量短。
（3）网卡接口芯片采用dm9000，数据包通过它传送至以太网直至上位机软件。同时使用网络协议可以实现远程固件升级，保证主机运行最新的应用软件。
（4）由于at91sam9261提供液晶数据接口，因此可以直接与lcd实现连接。
（5）触摸屏接口芯片采用专用芯片ads7843完成。
4 整机联调
在变电站对该系统进行了实验，使用2组蓄电池，每组分别有54节2v 300ah的蓄电池：
编写测试程序在系统内运行，每隔半小时对各蓄电池模块进行一次取数，然后将信息通过调试串口打印出来。下面为某次取数得到的结果：
# 1 battery ： 2.28v 24.29 404.9 uohm
# 2 battery ： 2.24v 24.08 362.1 uohm
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# 3 battery ： 2.22v 24.29 426.1 uohm
# 4 battery ： 2.29v 24.29 350.1 uohm
# 5 battery ： 2.25v 24.29 381.8 uohm
以上每个电池的参数分别为电压、温度、阻抗。在未来的实际应用中，通过对这些参数的综合分析，可以得知每只蓄电池的健康状况；同时本实验也验证了该平台可以应用于蓄电池在线监测。
5 展望
基于arm9-lem传感器的蓄电池在线监测硬件平台不仅可以用于对蓄电池失效模型和监测算法甚至电池活化技术的研究，配套监测软件可以应用于各种需要监测蓄电池的实际场合，如电力、通信、石油、化工、铁路、煤炭等行业的直流电源系统以及ups系统的蓄电池在线监测，为蓄电池提供更安全的保护。
参考文献：
[1]沈梦甜，陈宏.蓄电池在线监测技术在变电站的应用.中国电力通信网.
[2]at91sam9261-ek evaluation board user guide.