CN102854472B - 基于物联网技术的蓄电池传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网技术的蓄电池传感器，包括主控单元、对蓄电池温度进行检测的温度检测电路、对蓄电池电压进行检测的电压检测电路、对蓄电池内阻进行检测的内阻激励检测电路和物联网无线传感单元，所述温度检测电路、电压检测电路和内阻激励检测电路的输出端接入主控单元的输入端，主控单元的输出端接入物联网无线传感单元的输入端。本发明提供的基于物联网技术的蓄电池传感器，能够同时对蓄电池的电压、内阻和温度进行监测，同时能够通过物联网将监测到的信息汇总到后台共技术人员使用，使工作人员能够全面监测蓄电池的相关参数，并且能够直接将监测结果汇总，减少技术人员工作强度。

Description

基于物联网技术的蓄电池传感器

技术领域

本发明涉及蓄电池监测技术，尤其涉及一种基于物联网技术的蓄电池传感器。

背景技术

蓄电池自1859年发明以来，已经有150多年的历史。自从铅酸蓄电池发明以后，在化学电源中一直占有绝对优势，这是由于其具有价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于各种后备电源场合及广泛的环境温度范围等优点。

由于阀控式铅酸蓄电池（VRLA）的免维护性能、轻便、易于安装、使用年限比传统防酸隔爆式电池长等优点，使其很快在电信界、UPS应用场所等许多不同领域被迅速推广应用；近十余年来，由于VRLA电池“免维护”的承诺，使其在新领域的推广和取代传统的防酸隔爆式电池中起到举足轻重的作用。

自上世纪90年代起我国电信业赶上大投入、大产出、高技术、高起点以及适度超前的发展道路，据统计我国90年代电信业以年平均增长44％的速度发展。经过十几年的发展，目前电信业已进入相对稳定的发展期，但预计年均增长速度仍可在15~20％。各通信运营商都把发展接入网作为主要经营策略，因此作为接入网动力支撑系统的蓄电池越发引起人们的关注。

通信电源的质量与安全使用直接影响到通信质量、通信设施安全和人身安全，因通信电源导致的事故轻者影响通信质量、中断通信，重者毁坏机楼、酿成重大事故。1995年4月1日，广东汕头金砂邮电大楼电气特大火灾，直接经济损失1497.9万元；1995年11月26日，贵州毕节地区邮电局通信大楼电气特大火灾，直接经济损失901万元，间接经济损失335万元，中断通信50小时；1997年9月23日，中原油田郭村110kV变电所全所失电，与此同时直流电源消失；在事后的故障排查中发现，这些事故都是部分蓄电池的电压、内阻在规定范围外运行导致，因此从确保通信质量、生产安全和财产安全的角度引发了人们对蓄电池监测的高度重视，对蓄电池的健康状况进行日常检测维护十分必要。

目前市场上的蓄电池监测设备一般只能对单个蓄电池进行电压值监测，而对蓄电池的内阻这个重要参数的监测因为技术的限制而没有在蓄电池监测设备上具备；另外，通过蓄电池监测设备获得的信息仅存在各自的系统内部，当需要多蓄电池进行集中监测时，需要人工将所有信息进行汇总，工作量大，错误率高。

传感器网络是利用各种传感器（光、电、温度、湿度、压力等）配合中低速近距离无线通信技术构成的一个独立网络，由多个具有有线/无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，以便供局域或小范围物与物之间的信息交换，是物联网的关键技术之一。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于物联网技术的蓄电池传感器，能够同时对蓄电池的电压、内阻和温度进行监测，同时能够通过物联网将监测到的信息汇总到后台共技术人员使用。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于物联网技术的蓄电池传感器，包括主控单元、对蓄电池温度进行检测的温度检测电路、对蓄电池电压进行检测的电压检测电路、对蓄电池内阻进行检测的内阻激励检测电路和物联网无线传感单元，所述温度检测电路、电压检测电路和内阻激励检测电路的输出端接入主控单元的输入端，主控单元的输出端接入物联网无线传感单元的输入端。

上述传感器可以安装在蓄电池的外部，也可以植入蓄电池内部安装，其供电可以根据使用环境具体选择，可采用外部供电，也可以使用蓄电池供电。其中主控单元为该传感器的核心部件，可以由一块16位的单片机和供电系统组成，采集温度检测电路、电压检测电路和内阻激励检测电路的输出信号，并将接收到的信号按预定协议打包后通过物联网无线传感单元传输的后台或手持终端，供操作者使用；所述电压检测电路可以采用现有的较为成熟的各类电路，采集到的电压信息需首先经AD转换后发送给主控单元；所述温度检测电路也可以采用现有的较为成熟的各类电路或直接使用温度传感器实现，采集到的温度信息需首先经AD转换后发送给主控单元；所述内阻激励检测电路一般可以通过小信号微电流激励让蓄电池电压产生振荡，将振荡的电压差值经运放处理后可以转成蓄电池内阻信号，采集到的蓄电池内阻信息需首先经AD转换后发送给主控单元。

优选的，所述物联网无线传感单元包括wifi无线传输电路、GSM无线传输电路、3G无线传输电路、zigbee无线传输电路、蓝牙无线传输电路中的一种或两种以上的组合。

优选的，所述内阻激励检测电路包括低频微电流激励电路、校准电阻R和两种电压测量端，所述低频微电流激励电路、校准电阻R和蓄电池内阻r相串联，两种电压测量端分别对校准电阻R和蓄电池内阻r两端的电压进行测量。

记蓄电池内阻r两端响应电压的峰值为U_r，校准电阻R两端响应电压的峰值为U_R；设定低频微电流激励电路向蓄电池馈入的激励电流为：

i(t)=Isinωt

则蓄电池两端的电压响应为：

校准电阻R两端的电压响应为：

因为流过校准电阻R和蓄电池的瞬时交流电流是相等的，所以有如下等式成立：

对上述等式两边同时对时间t求导，可得：

推导后可得：

可以得到：

$\frac{U_R}{R}=\frac{U_r}{r}$

而：

$\frac{U_r}{U_R}=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_r}{\mathrm{\Δ}{U}_R}$

因此，蓄电池的内阻r可以通过如下公式计算得到：

$r=R\·\frac{\mathrm{\Δ}{U}_r}{\mathrm{\Δ}{U}_R}=R\·\frac{U_r}{U_R}$

优选的，所述低频微电流激励电路包括强电区电路和弱电区电路，其中强电区电路包括激励驱动电路、采样电阻Rs、模拟反馈通道和电流控制电路，弱电区电路包括信号发生器和PWM控制器；

所述信号发生器用于产生一个可调的低频激励信号，并通过A光耦隔离将该信号输送给激励驱动电路；

所述激励驱动电路用于向蓄电池馈入激励电流，采样电阻Rs串联在激励驱动电路和蓄电池形成的回路上，加在蓄电池上的激励电流值与采样电阻Rs两端的电压值形成确知的函数关系；

所述模拟反馈通道用于对采样电阻Rs两端的电压值进行采集、放大和整流，处理后的信号作为B光耦隔离的输入信号，采样电阻Rs两端的电压值变化经模拟反馈通道和B光耦隔处理后形成的输出信号为通断信号；

所述B光耦隔离的输出信号作为PWM控制器的输入信号，B光耦隔离输出的通断信号经PWM控制器处理后形成的输出信号为相应脉宽占空比的脉冲信号；

所述PWM控制器的输出信号经隔离变压器处理后作为电流控制电路的输入信号，PWM控制器输出的脉冲信号经隔离变压器处理后形成开关控制信号；

所述电流控制电路根据接收到的开关控制信号向激励驱动电路提供电流反馈信号。

上述电路在工作时，若采样电阻Rs两端的电压值发生极微小的波动时，通过模拟反馈通道处理后输出的模拟信号都会引起B光电耦合的通断；而B光电耦合的通断两种状态，决定PWM控制器输出不同脉宽占空比的脉冲信号；该脉冲信号通过隔离变压器进入强电区，在电流控制电路中产生开关控制信号，电流控制电路根据开关控制信号决定是否向激励驱动电路提供电流反馈信号，完成整个反馈回路，从而达到交流激励的恒流目的。

优选的，所述PWM控制器的输出频率高于10kHz，一般为几十K的高频信号，远远高于激励驱动电路的输出频率；针对整个电路中干扰问题，可以通过设计模拟和数字滤波来滤除，最大限度低降低测量干扰，保证测量精度。

有益效果：本发明提供的基于物联网技术的蓄电池传感器，能够同时对蓄电池的电压、内阻和温度进行监测，同时能够通过物联网将监测到的信息汇总到后台共技术人员使用，使工作人员能够全面监测蓄电池的相关参数，并且能够直接将监测结果汇总，减少技术人员工作强度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为内阻激励检测电路的电路示意图；

图3为低频微电流激励电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于物联网技术的蓄电池传感器，包括主控单元、对蓄电池温度进行检测的温度检测电路、对蓄电池电压进行检测的电压检测电路、对蓄电池内阻进行检测的内阻激励检测电路和物联网无线传感单元，所述温度检测电路、电压检测电路和内阻激励检测电路的输出端接入主控单元的输入端，主控单元的输出端接入物联网无线传感单元的输入端；其中物联网无线传感单元包括wifi无线传输电路、GSM无线传输电路、3G无线传输电路、zigbee无线传输电路、蓝牙无线传输电路中的一种或两种以上的组合。

所述内阻激励检测电路如图2所示，包括低频微电流激励电路、校准电阻R、蓄电池和两种电压测量端，所述低频微电流激励电路、校准电阻R和蓄电池内阻r相串联，两种电压测量端分别对校准电阻R和蓄电池内阻r两端的电压进行测量。

优选的，所述低频微电流激励电路包括强电区电路和弱电区电路，其中强电区电路包括激励驱动电路、采样电阻Rs、模拟反馈通道和电流控制电路，弱电区电路包括信号发生器和PWM控制器，其中PWM控制器的输出频率在几十kHz；

所述信号发生器用于产生一个可调的低频激励信号，并通过A光耦隔离将该信号输送给激励驱动电路；

所述激励驱动电路用于向蓄电池馈入激励电流，采样电阻Rs串联在激励驱动电路和蓄电池形成的回路上，加在蓄电池上的激励电流值与采样电阻Rs两端的电压值形成确知的函数关系；

所述模拟反馈通道用于对采样电阻Rs两端的电压值进行采集、放大和整流，处理后的信号作为B光耦隔离的输入信号，采样电阻Rs两端的电压值变化经模拟反馈通道和B光耦隔处理后形成的输出信号为通断信号；

所述B光耦隔离的输出信号作为PWM控制器的输入信号，B光耦隔离输出的通断信号经PWM控制器处理后形成的输出信号为相应脉宽占空比的脉冲信号；

所述PWM控制器的输出信号经隔离变压器处理后作为电流控制电路的输入信号，PWM控制器输出的脉冲信号经隔离变压器处理后形成开关控制信号；

所述电流控制电路根据接收到的开关控制信号向激励驱动电路提供电流反馈信号。

上述低频微电流激励电路在工作时，若采样电阻Rs两端的电压值发生极微小的波动时，通过模拟反馈通道处理后输出的模拟信号都会引起B光电耦合的通断；而B光电耦合的通断两种状态，决定PWM控制器输出不同脉宽占空比的脉冲信号；该脉冲信号通过隔离变压器进入强电区，在电流控制电路中产生开关控制信号，电流控制电路根据开关控制信号决定是否向激励驱动电路提供电流反馈信号，完成整个反馈回路，从而达到交流激励的恒流目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1. 基于物联网技术的蓄电池传感器，其特征在于：包括主控单元、对蓄电池温度进行检测的温度检测电路、对蓄电池电压进行检测的电压检测电路、对蓄电池内阻进行检测的内阻激励检测电路和物联网无线传感单元，所述温度检测电路、电压检测电路和内阻激励检测电路的输出端接入主控单元的输入端，主控单元的输出端接入物联网无线传感单元的输入端；

所述内阻激励检测电路包括低频微电流激励电路、校准电阻R和两种电压测量端，所述低频微电流激励电路、校准电阻R和蓄电池内阻r相串联，两种电压测量端分别对校准电阻R和蓄电池内阻r两端的电压进行测量；

所述低频微电流激励电路包括强电区电路和弱电区电路，其中强电区电路包括激励驱动电路、采样电阻Rs、模拟反馈通道和电流控制电路，弱电区电路包括信号发生器和PWM控制器；

所述信号发生器用于产生一个可调的低频激励信号，并通过A光耦隔离将该信号输送给激励驱动电路；

所述激励驱动电路用于向蓄电池馈入激励电流，采样电阻Rs串联在激励驱动电路和蓄电池形成的回路上，加在蓄电池上的激励电流值与采样电阻Rs两端的电压值形成确知的函数关系；

所述模拟反馈通道用于对采样电阻Rs两端的电压值进行采集、放大和整流，处理后的信号作为B光耦隔离的输入信号，采样电阻Rs两端的电压值变化经模拟反馈通道和B光耦隔处理后形成的输出信号为通断信号；

所述B光耦隔离的输出信号作为PWM控制器的输入信号，B光耦隔离输出的通断信号经PWM控制器处理后形成的输出信号为相应脉宽占空比的脉冲信号；

所述PWM控制器的输出信号经隔离变压器处理后作为电流控制电路的输入信号，PWM控制器输出的脉冲信号经隔离变压器处理后形成开关控制信号；

所述电流控制电路根据接收到的开关控制信号向激励驱动电路提供电流反馈信号。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的蓄电池传感器，其特征在于：所述物联网无线传感单元包括wifi无线传输电路、GSM无线传输电路、3G无线传输电路、zigbee无线传输电路、蓝牙无线传输电路中的一种或两种以上的组合。