CN109143084A - 一种基于wlan技术的变电站蓄电池组状态采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置，涉及变电站蓄电池组状态采集技术领域。该采集装置包括开关电源、MCU核心模块、UART串行总线、数据WLAN无线采集模块、4G网络通讯模块和人机交互模块，是整个变电站电池组在线状态监测系统的一个关键现场装置，负责变电站现场无线传感器采集的蓄电池组运行数据的接收、分析、处理、显示、存储、报警等，是变电站现场控制及处理的核心装置。本发明采用本地WLAN通讯技术及4G远程无线通讯技术相结合，实现与变电站内部蓄电池数据采集无线传感器的WLAN无线通讯，和与远程监控主站的4G网络通讯，从而实现远程监测功能，有效监测检测蓄电池状态。

Description

一种基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置

技术领域

本发明涉及变电站蓄电池组状态采集技术领域，尤其涉及一种基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置。

背景技术

传统的变电站蓄电池组状态采集装置通常采用有线线缆(RS485总线或非屏蔽双绞线)与数据采集传感器进行连接，所有蓄电池组及蓄电池单体上安装的状态采集传感器与状态采集装置之间采用数据线缆方式连接(一般采用串行总线进行通讯)，而状态采集装置与远程监控主站之间也采用有线互联网的方式连接。这种传统的有线数据传输方式，通过线缆(I2C总线)连接传感器与采集装置，通过IEEE802.3有线网络与远程监控主站的上位机软件进行通讯。这种采用通讯线缆进行数据采集及传输的方式，在变电站现场施工部署中存在诸多不便，最关键一点就是，在对现有变电站蓄电池组进行传感器布线的现场作业中，需要大量的工作量来设计、布线、接线，大量施工布线既影响原有电站美观，又带来诸多安全隐患。当某个变电站存在多套蓄电池组直流供电系统时，在部署状态数据采集传感器的过程中，线缆用量巨大，施工困难。正是由于这种传统的有线式电池组状态采集装置存在上述问题，不利于系统部署，并在部署过程中耗费大量的人力物力，所以急需一种不需要布线系统的状态采集技术，实现变电站蓄电池状态数据的无线采集传输。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置，采用本地WLAN通讯技术及4G远程无线通讯技术相结合，在变电站内部通过WLAN无线局域网络技术，实现与变电站内部蓄电池数据采集无线传感器的通讯，采用4G网络通讯实现与远程监控主站的通讯，从而实现远程监测功能，有效监测检测蓄电池状态。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置，包括开关电源、MCU核心模块、UART串行总线、数据WLAN无线采集模块、4G网络通讯模块和人机交互模块；

开关电源为整个装置提供电源；

MCU核心模块，作为整个装置的控制运算中心，用于完成整个监测装置的设备控制、任务调度、协议转换、数据通讯和数据管理，包括ARM处理器和存储器；存储器用于存储内嵌的程序指令和数据WLAN无线采集模块发送来的实时状态数据；ARM处理器采用嵌入式Linux操作系统，执行内嵌的程序指令，用于将数据WLAN无线采集模块发送来的实时状态数据进行分析、处理，分析实现实时采集数据及历史采集数据的对比，根据电压、电流、内阻、温度的数值变化情况，判断蓄电池性能，根据实时数据曲线与历史数据曲线对比，明确需电磁的关键参数变化趋势；对状态异常的蓄电池进行报警提示，通过判断实时状态数据是否在合理的运行范围内，如果数据超出阈值范围，则在现场通过声光告警；同时采用在线浅放电手段，采用浮充、均充、恒流放电3种状态纵横双向多变量比对方法，检测蓄电池故障的可行性；在数据分析、处理完成后，ARM处理器控制人机交互模块显示监测过程中的相关信息，同时，ARM处理器控制存储器对蓄电池组电压、单体电池电压、充放电电流、环境温度、电池表面温度、电池内阻数据按时间顺序进行归档保存；ARM处理器采用不同的I/O接口通过UART串行总线与数据WLAN无线采集模块、4G网络通讯模块，进行装置内部的串行通信，ARM处理器采用液晶数据接口直接与人机交互模块连接；

数据WLAN无线采集模块，用于在ARM处理器的控制下与变电站蓄电池上安装的无线传感器装置进行WLAN无线通信，接收无线传感器装置采集到的蓄电池组及单体电池的实时状态数据，并进行数值换算、保留精度、格式转换的简单处理，将处理后的实时数据通过UART串行总线传输给MCU核心模块；所述蓄电池组及单体电池的实时状态数据包括蓄电池组电压、单体电池电压、充放电电流、环境温度、电池表面温度、电池内阻；

4G网络通讯模块，一方面用于在ARM处理器的控制下通过电信运营商4G LTE网络完成与远端监控中心主机的双向数据通讯，即用于通过Modbus通讯协议栈对采集到的变电站蓄电池组及单体电池的状态数据进行编码处理后，根据远程监控中心的查询指令，将所需数据通过天线以无线电信号发射给附近的LTE网络基站，利用无线网络实时传送给远端监控中心主机，同时接收远端监控中心主机的基于Modbus通讯协议的数据查询指令；另一方面用于通过UART串行总线实现与ARM处理器进行装置内部的双向数据传输；

人机交互模块，用于完成监测装置参数的设定输入及监测数据的实时显示输出，包括LCD显示模块和键盘输入模块；LCD显示模块采用LCD液晶显示屏，通过UART串行总线与板卡接口连接，用于在ARM处理器的控制下显示监测过程中的相关信息，包括显示启动界面、系统实时监测数据、监测历史数据查询、监测数据曲线图、蓄电池报警信息；键盘输入模块为采用I2C总线接口设计的键盘，是用于完成对系统的显示参数设置、预警参数设置、LTE通讯参数设置、历史数据查询条件输入、报警记录翻看的人机交互输入设备，能按照键盘的按键功能定义LCD显示模块显示的数据。

进一步地，所述存储器采用64M NAND Flash和64M SDRAM。

进一步地，所述4G网络通讯模块包括主机模块、SIM卡接口和射频部分，主机模块用于通过协议栈对要发送的变电站蓄电池组及单体电池的状态数据进行编码处理；在使用时，SIM卡接口中插入一张可用的LTE物联网卡；射频部分将编码处理后的数据发射给附近的LTE网络基站，利用无线网络传输给远端监控中心主机。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置，采用两种无线网络通讯技术设计实现，在完成变电站蓄电池组运行状态监测、分析、预警、报警的同时，使用WLAN(IEEE802.11X)无线局域网技术，解决了变电站监测现场传感器需要布线连接的繁杂工作，实现了变电站内部蓄电池组状态数据通过无线方式快速、安全、高效的传送到本发明提供的采集装置。使用电信运营商4G无线网络技术，解决了一些偏远电站有线网络无法接入导致的远程通讯难题，保证现场监测数据实时、优质的传回远端监控中心的上位机系统。同时本发明的采集装置采用高性能的ARM架构处理器及嵌入式Linux操作系统，从硬件及系统底层提高了采集装置的数据分析处理能力，解决了以往采用单片机作为MCU表现出的数据分析处理能力不足问题，具有稳定性高、精确可靠、性能优异、操作灵活简便等优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的整体装置结构原理示意图；

图2为本发明实施例提供的装置内部组成结构框图；

图3为本发明实施例提供的4G网络通讯模块框架示意图；

图4为本发明实施例提供的显示面板外观示意图。

图中：l、蓄电池组，2、采集装置，3、数据WLAN无线采集模块，4、WLAN无线网络，5、4G网络通讯模块，6、4G无线网络，7、4G无线网络基站，8、Internet互联网，9、远端监控中心主机，10、ARM处理器，11、NAND FLASH存储器，12、SDRAM存储器，13、人机交互模块，14、采集装置面板，15、LCD液晶显示屏，16、操作键盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例提供一种基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置2，是整个变电站电池组在线状态监测系统的一个关键现场装置，负责变电站现场无线传感器采集的蓄电池组1运行数据的接收、分析、处理、显示、存储、报警等，是变电站现场控制及处理的核心装置。

基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置2包括开关电源、MCU核心模块、UART串行总线、数据WLAN无线采集模块3、4G网络通讯模块5和人机交互模块13。开关电源为整个装置提供电源。

MCU核心模块，作为整个装置的控制运算中心，用于完成整个监测装置的设备控制、任务调度、协议转换、数据通讯和数据管理，包括ARM处理器10和存储器。存储器采用64MNAND FLASH存储器11和64M SDRAM存储器12，用于存储内嵌的程序指令和数据WLAN无线采集模块3发送来的实时状态数据。ARM处理器10采用嵌入式Linux操作系统，从硬件及系统底层提高了采集装置的数据分析处理能力，解决了以往采用单片机作为MCU表现出的数据分析处理能力不足问题。ARM处理器10执行内嵌的程序指令，通过C语言编写的嵌入式软件及算法，用于将数据WLAN无线采集模块3发送来的实时状态数据进行分析、处理，分析实现实时采集数据及历史采集数据的对比，根据电压、电流、内阻、温度的数值变化情况，判断蓄电池性能，根据实时数据曲线与历史数据曲线对比，明确需电磁的关键参数变化趋势；对状态异常的蓄电池进行报警提示，通过判断实时状态数据是否在合理的运行范围内(比如端电压是否过高，内阻值是否过大)，如果数据超出阈值范围，则在现场通过声光告警；同时采用在线浅放电手段，采用浮充、均充、恒流放电3种状态纵横双向多变量比对方法，检测蓄电池故障的可行性，为蓄电池维护提供更加有效的手段与方法。在数据分析、处理完成后，ARM处理器10控制人机交互模块13显示监测过程中的相关信息，同时，ARM处理器10控制存储器对蓄电池组电压、单体电池电压、充放电电流、环境温度、电池表面温度、电池内阻数据按时间顺序进行归档保存。ARM处理器10采用不同的I/O接口通过UART串行总线与数据WLAN无线采集模块3、4G网络通讯模块5，进行装置内部的串行通信，ARM处理器10采用液晶数据接口直接与人机交互模块13连接，如图2所示，为装置内部组成结构，即为MCU核心模块与其他外围模块的连接示意图，其中的SPI Flash是非易失性存储介质，是存储器的一种，用于保存历史数据。

综合考虑采集装置功能、可扩展性、功耗等因素，本实施例选择三星公司的S3C2440系列ARM芯片作为系统的微处理器，操作系统选用嵌入式Linux操作系统，将Linux系统定制内核后移植到控制器硬件平台。NAND FLASH存储器11芯片选择三星公司的K9F1208U0B。

数据WLAN无线采集模块3，用于在ARM处理器10的控制下与变电站蓄电池上安装的无线传感器装置进行WLAN无线通信，接收无线传感器装置采集到的蓄电池组及单体电池的实时状态数据，并进行数值换算、保留精度、格式转换的简单处理，将处理后的实时数据通过UART串行总线传输给MCU核心模块，UART串行总线7是连接MCU及外部I/O模块的桥梁。蓄电池组及单体电池的实时状态数据包括蓄电池组电压、单体电池电压、充放电电流、环境温度、电池表面温度、电池内阻。

本实施例中，数据WLAN无线采集模块3选用FN-LINK的F88EUUM23-VH模块，是一款LGA封装的高速WLAN模块，它采用瑞昱RTL8188EUS芯片设计，符合IEEE 802.11b/g/n标准，工作模式在2.4G，此模块为业内应用最广泛的超低功耗WLAN模块。该数据WLAN无线采集模块3完成变电站内部组建蓄电池数据无线采集的WLAN无线网络4，接收ARM处理器10发送的指令，并做出相应处理。其中，WLAN无线网络4的标准为IEEE802.11X。

4G网络通讯模块5，一方面用于在ARM处理器10的控制下通过电信运营商4G LTE网络完成与远端监控中心主机9的双向数据通讯，即用于通过Modbus通讯协议栈对采集到的变电站蓄电池组及单体电池的状态数据进行编码处理后，根据远程监控中心的查询指令，将所需数据通过天线以无线电信号并通过4G无线网络6发射给附近的4G无线网络基站7，4G无线网络基站利用Internet互联网8实时传送给远端监控中心主机9，同时接收远端监控中心主机9的基于Modbus通讯协议的数据查询指令；另一方面用于通过UART串行总线实现与ARM处理器10进行装置内部的双向数据传输。

如图3所示，为4G网络通讯模块5框架，本实施例采用高通公司生产的MDM9615LTE芯片(FDD和TDD)，图3中包括选用的MDM9615LTE通讯芯片在内的通讯模块及周边器件通讯原理图。该4G网络通讯模块5与ARM处理器10进行数据传输，采用标准的串行总线接口完成对该模块的操作，实现数据的收发。4G网络通讯模块5包括主机模块、SIM卡接口和射频部分，主机模块用于通过协议栈对要发送的变电站蓄电池组及单体电池的状态数据进行编码处理；在使用时，SIM卡接口中插入一张可用的LTE物联网卡；射频部分将编码处理后的数据发射给附近的LTE网络基站，利用无线网络传输给远端监控中心主机9。

4G网络通讯模块5通过采集装置2上统一的开关电源供电，系统启动后，当ARM处理器10获取并处理完相关的蓄电池组运行状态数据后，如需将数据上传到远端控制主站的上位机系统，则ARM处理器10通过UART串行总线将数据经由串口发送到MDM9615LTE芯片模块，该芯片模块通过引脚连接SIM卡插槽，通讯的前提是需要在卡槽中插入一张可用的4G物联网卡。当数据送达MDM9615芯片后，该芯片通过协议栈对数据进行编码处理后，通过天线以无线电信号发射给附近的4G无线网络基站7，利用无线网络传输给远端监控中心主机9。远端监控中心主机9的软件系统要继续对数据进行分析及存储，并生成更加人性化的报表、曲线、图标等统计分析结果。

人机交互模块13，是系统的人机交互界面，用于完成采集装置参数的设定输入及监测数据的实时显示输出，包括LCD显示模块和键盘输入模块。LCD显示模块采用5寸LCD液晶显示屏15，由于S3C2440提供液晶数据接口，因此5寸LCD液晶显示屏15可以直接通过UART串行总线与处理器板卡接口连接，用于在ARM处理器10的控制下显示监测过程中的相关信息，包括显示启动界面、系统实时监测数据、监测历史数据查询、监测数据曲线图、蓄电池报警信息。键盘输入模块为采用I2C总线接口设计的键盘16，是用于完成对系统的显示参数设置、预警参数设置、LTE通讯参数设置、历史数据查询条件输入、报警记录翻看的人机交互输入设备，能按照键盘16的按键功能定义LCD显示模块显示的数据。如图4所示，为采集装置面板14，是阐述设备面板外观特征的。该面板是由金属材料及塑料材料制成，面板上包括5寸LCD液晶显示屏15和输入键盘16等组件。5寸LCD液晶显示屏15既可以用来显示实时监控的蓄电池组状态数据，也可以按照键盘16的按键功能定义显示的数据，由于采集数据较多，要进行分屏滚动显示。输入键盘16是完成对系统的显示参数设置、历史数据查询条件输入、报警记录翻页查看等人机交互的输入设备。

本实施例提供的基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置使用WLAN(IEEE802.11X标准)无线局域网技术，解决了变电站监测现场传感器需要布线连接的繁杂工作，实现了变电站内部电池组状态数据通过无线方式快速、安全、高效的传送到本实施例的采集装置；使用电信运营商4G无线网络技术，解决了一些偏远电站有线网络无法接入导致的远程通讯难题，保证现场监测数据实时、优质的传回远端监控主站的上位机系统。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置，其特征在于：包括开关电源、MCU核心模块、UART串行总线、数据WLAN无线采集模块、4G网络通讯模块和人机交互模块；

开关电源为整个装置提供电源；

MCU核心模块，作为整个装置的控制运算中心，用于完成整个监测装置的设备控制、任务调度、协议转换、数据通讯和数据管理，包括ARM处理器和存储器；存储器用于存储内嵌的程序指令和数据WLAN无线采集模块发送来的实时状态数据；ARM处理器采用嵌入式Linux操作系统，执行内嵌的程序指令，用于将数据WLAN无线采集模块发送来的实时状态数据进行分析、处理，分析实现实时采集数据及历史采集数据的对比，根据电压、电流、内阻、温度的数值变化情况，判断蓄电池性能，根据实时数据曲线与历史数据曲线对比，明确需电磁的关键参数变化趋势；对状态异常的蓄电池进行报警提示，通过判断实时状态数据是否在合理的运行范围内，如果数据超出阈值范围，则在现场通过声光告警；同时采用在线浅放电手段，采用浮充、均充、恒流放电3种状态纵横双向多变量比对方法，检测蓄电池故障的可行性；在数据分析、处理完成后，ARM处理器控制人机交互模块显示监测过程中的相关信息，同时，ARM处理器控制存储器对蓄电池组电压、单体电池电压、充放电电流、环境温度、电池表面温度、电池内阻数据按时间顺序进行归档保存；ARM处理器采用不同的I/O接口通过UART串行总线与数据WLAN无线采集模块、4G网络通讯模块，进行装置内部的串行通信，ARM处理器采用液晶数据接口直接与人机交互模块连接；

数据WLAN无线采集模块，用于在ARM处理器的控制下与变电站蓄电池上安装的无线传感器装置进行WLAN无线通信，接收无线传感器装置采集到的蓄电池组及单体电池的实时状态数据，并进行数值换算、保留精度、格式转换的简单处理，将处理后的实时数据通过UART串行总线传输给MCU核心模块；所述蓄电池组及单体电池的实时状态数据包括蓄电池组电压、单体电池电压、充放电电流、环境温度、电池表面温度、电池内阻；

4G网络通讯模块，一方面用于在ARM处理器的控制下通过电信运营商4G LTE网络完成与远端监控中心主机的双向数据通讯，即用于通过Modbus通讯协议栈对采集到的变电站蓄电池组及单体电池的状态数据进行编码处理后，根据远程监控中心的查询指令，将所需数据通过天线以无线电信号发射给附近的LTE网络基站，利用无线网络实时传送给远端监控中心主机，同时接收远端监控中心主机的基于Modbus通讯协议的数据查询指令；另一方面用于通过UART串行总线实现与ARM处理器进行装置内部的双向数据传输；

人机交互模块，用于完成监测装置参数的设定输入及监测数据的实时显示输出，包括LCD显示模块和键盘输入模块；LCD显示模块采用LCD液晶显示屏，通过UART串行总线与板卡接口连接，用于在ARM处理器的控制下显示监测过程中的相关信息，包括显示启动界面、系统实时监测数据、监测历史数据查询、监测数据曲线图、蓄电池报警信息；键盘输入模块为采用I2C总线接口设计的键盘，是用于完成对系统的显示参数设置、预警参数设置、LTE通讯参数设置、历史数据查询条件输入、报警记录翻看的人机交互输入设备，能按照键盘的按键功能定义LCD显示模块显示的数据。

2.根据权利要求1所述的基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置，其特征在于：所述存储器采用64M NAND Flash和64M SDRAM。

3.根据权利要求1或2所述的基于WLAN技术的变电站蓄电池组状态采集装置，其特征在于：所述4G网络通讯模块包括主机模块、SIM卡接口和射频部分，主机模块用于通过协议栈对要发送的变电站蓄电池组及单体电池的状态数据进行编码处理；在使用时，SIM卡接口中插入一张可用的LTE物联网卡；射频部分将编码处理后的数据发射给附近的LTE网络基站，利用无线网络传输给远端监控中心主机。