基于nrf24l01的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

基于nrf24l01的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1.2u3000ki-sq1及sdi接口設(shè)計nuc130系列是新唐32個單詞。它由內(nèi)部用盔甲co宋朝m0內(nèi)核組成，內(nèi)核最高為50hz。具有12位8通道ADC通道,支持MICROWIRE協(xié)議/SPI總線協(xié)議(SSP)。nRF24L01是真正的GFSK單收發(fā)芯片,工作于2.4G頻段,內(nèi)置鏈路層協(xié)議的無線收發(fā)芯片,nRF24L01所有配置寄存器通過SPI口進(jìn)行配置,所以可以直接和NUC130的SPI接口相連,硬件連接圖如圖2所示,CE連接到ARM的PB.8端口,當(dāng)為高電平時啟動發(fā)射;CSN是從設(shè)備使能信號,低電平有效連接到SS端,CSN為低時SPI接口等待執(zhí)行指令;SCLK時鐘信號;SDO主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出、從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入端;SDI主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出端;IRQ連接到ARM的PB.15端,IRQ為低電平觸發(fā)。1.3蓄電池管理系統(tǒng)電路工廠變電站后備電源在線監(jiān)測系統(tǒng)需要采集的參數(shù)有單只蓄電池的電壓、線路的總電流、總電壓、電池的溫度以及環(huán)境溫度等參數(shù)。根據(jù)電路的總電流和電壓的變化,可以反映出蓄電池的“健康”狀況,如果電池電壓在充電時相比同組其余電池上升速度很快,而且放電時電壓下降很快,就可以反映出該電池性能出現(xiàn)下降。另外利用線路的總電流、電池溫度和環(huán)境溫度的參數(shù)根據(jù)安時計量法可以估算出蓄電池的SOC值,對于評估電池的性能也是很重要的一個參考指標(biāo)。線路的總電流的采集可以使用電流霍爾傳感器,將0到150A的直流電流轉(zhuǎn)換成0到5V的直流電壓直接輸入到ARM芯片,這種方式線性度好、動態(tài)性能好?？傠妷翰蓸与娐啡鐖D3所示,蓄電池總電壓經(jīng)過R2,R28,R27分壓后進(jìn)入U4運放的5腳電路,調(diào)整電位器RW2的阻值可以改變比例大小,最后將總電壓轉(zhuǎn)換成0V到5V的電壓值從U4的7腳輸入到ARM芯片里。蓄電池的溫度采集和環(huán)境溫度采集使用的是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線溫度傳感器DS18B20。DS18B20的數(shù)據(jù)端連接到NUC130的PB.12端,通過控制時序來實現(xiàn)溫度的轉(zhuǎn)換。采集主機(jī)內(nèi)部使用的主芯片為三星ARM9系列S3C2440芯片,DM9OOOA是DEVICOM生產(chǎn)的的一種10/100M快速以太網(wǎng)控制芯片,它遵循IEEE頒布的802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。S3C2440與DMA9000A的硬件連接圖如圖4所示。DM9000A的SD0到SD15端連接到S3C2440的LDATA0到LDATA15端,ncs端連接到nGCS3端,INT連接到IRQ_LAN,nIOR連接到nOE端,nIOW連接到nWE端。系統(tǒng)上電時,S3C2440通過總線配置DM9000A內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制寄存器和中斷寄存器,完成DM9000A初始化配置。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1用戶蓄電池參數(shù)的采集后備電源在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計主要有兩部分組成,一個是無線采集器的設(shè)計,另一個是采集主機(jī)的設(shè)計。軟件流程圖如圖5所示。對于無線采集器的設(shè)計首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,將nRF24L01配置成發(fā)送模式,然后采集蓄電池的參數(shù),包括電池電壓、電池溫度、線路電流和環(huán)境溫度;數(shù)據(jù)發(fā)送時必須將蓄電池的ID號、電壓、溫度先進(jìn)行打包處理,采集主機(jī)只需要按相關(guān)打包規(guī)則將數(shù)據(jù)解包后就可以讀出相應(yīng)的電池參數(shù)信息,正常情況下按照設(shè)置的發(fā)送時間間隔上傳數(shù)據(jù),當(dāng)無線采集器監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)后立即上傳數(shù)據(jù),采集主機(jī)的設(shè)計流程為首先將nRF24L01配置成接收模式,然后不斷的掃描檢測是否有采集器上傳數(shù)據(jù),檢測到采集器后便開始讀取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)讀取完畢后,將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理后,可以在LCD上顯示蓄電池的參數(shù)信息,同時也可以通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。2.3數(shù)據(jù)采集單元和子模塊設(shè)置單元后備電源在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件運行于Windows操作系統(tǒng)下,采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法,用VisualC++開發(fā),采用模塊化結(jié)構(gòu)思想,系統(tǒng)共分為3個模塊單元。蓄電池數(shù)據(jù)采集單元包含電池電壓、電池溫度、線路電流、環(huán)境溫度和電池ID編號5個過程參數(shù)的采集,數(shù)據(jù)如果出現(xiàn)異常后發(fā)出報警信息;子模塊設(shè)置單元主要的作用是設(shè)置單只蓄電池的ID號用以區(qū)別不同的電池、設(shè)置報警信息的閾值和設(shè)置采樣間隔;數(shù)據(jù)管理單元的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、報表、打印、各種曲線的繪制等,同時利用安時計量法可以對蓄電池的SOC值進(jìn)行估計,使工作人員更加直觀的觀測到蓄電池的性能變化趨勢。上位機(jī)界面的設(shè)計框圖如圖6所示。3浮充狀態(tài)的模擬工廠變電站后備電源一般要求是輸出DC220V,所以通常選用單只電池為2V的閾控電池共計108只。根據(jù)閾控電池的充電特性一般采取恒流恒壓加浮充的充電方式,電池充電初期采用恒流的充電的方式,電池電壓緩慢上升,當(dāng)單只電池電壓達(dá)到2.4V時,改成恒壓充電的方式,此時充電電流緩慢下降,當(dāng)電流下降到設(shè)定值后,再保持恒流充電3h左右就完成一個充電周期,如果此時蓄電池沒有被使用的話,蓄電池將進(jìn)入浮充狀態(tài)。采集主機(jī)根據(jù)蓄電池的電壓、溫度、電流等參數(shù),通過安時計量法的方法可以將蓄電池的荷電狀態(tài)計算出來。安時計量法的原理由公式(1)描述:SOC=SOC0?1CA∫ttoηidtSΟC=SΟC0-1CA∫totηidt(1)式(1)中SOC0為初始值,CA為電池可用容量,η為庫侖效率。如果使估算出來的SOC更加準(zhǔn)確的話,必須充分考慮充電電流和溫度對庫侖效率的影響,根據(jù)實驗數(shù)據(jù),我們擬合出充電電流與庫侖效率的曲線如圖7所示,溫度與庫侖效率的曲線如圖8所示。根據(jù)公式(1)和電流、溫度與庫侖效率的關(guān)系,在MATLAB/SIMULINK建立如圖9的仿真模型,模擬SOC隨電流和溫度變化的趨勢。如圖10為恒流充電下,SOC和電池容量的變化曲線圖。4工廠變電站對蓄電池的日常管理通過實驗研究表明,基于nRF24L01的工廠變電站后備電源監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池的實時在線監(jiān)測,通過對電池的電壓、SOC等參數(shù)能夠很好的反映出電池的實際工況信息,根據(jù)這些參數(shù)可以使工作人員更好的對蓄電池進(jìn)行管理,從而延長電池的使用壽命并且保證工廠變電站設(shè)備的安全正常運行。蓄電池作為后備電源是電力系統(tǒng)中重要的組成部分。正常情況下蓄電池可以為工廠變電站內(nèi)的設(shè)備提供直流電源,在交流電失電的情況下后備電源也可以作為電源啟動變電站內(nèi)的斷路器等設(shè)備,因而蓄電池的性能的優(yōu)劣直接影響到設(shè)備的安全運行。工廠變電站內(nèi)選用的蓄電池大多是2V的閾控蓄電池,大部分時間電池處于浮充的狀態(tài),由于缺少日常的維護(hù)工作,有些變電站的蓄電池在使用時不能正常工作,從而造成很大的運行事故。因此對蓄電池的日常管理已經(jīng)納入工廠變電站運行安全的考核標(biāo)準(zhǔn)之一。目前的工廠變電站對電池的管理主要有兩種方式,一是人工定期測量電池的電壓,查看有無異?，F(xiàn)象,由于人工巡檢需要有個周期,并不能及時的檢測到電池的異常;二是在蓄電池室安裝在線監(jiān)測設(shè)備,通過有線的方式將電池的電壓和線路電流傳輸?shù)奖O(jiān)控室,這種方法可以做到蓄電池的在線監(jiān)測,但是由于蓄電池室距控制室的距離比較遠(yuǎn),給施工帶來了很多的不便。本文提出了一種在每一只蓄電池上安裝一臺裝有nRF24L01無線射頻收發(fā)芯片的模塊的采集器,該采集器將采集到的蓄電池的各種參數(shù)通過無線的方式發(fā)送到采集主機(jī),采集主機(jī)再將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)的方式發(fā)送到監(jiān)控室,數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠,而且減少了施工難度。同時還可以根據(jù)采集到的電池參數(shù)進(jìn)行蓄電池SOC的估計,因而能夠更好的反映出電池性能變化趨勢。1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)1.1監(jiān)控中心—工作原理整個系統(tǒng)主要有兩個部分組成,一個是安裝在蓄電池端的無線采集器,該采集器負(fù)責(zé)采集蓄電池的單只電壓、電池溫度,采集到的參數(shù)經(jīng)過ARM處理器處理后通過無線射頻收發(fā)芯片將數(shù)據(jù)上傳到采集主機(jī),主機(jī)可以設(shè)置主動上傳數(shù)據(jù)的時間間隔,但