通信機(jī)房設(shè)備蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

沈良恒+劉建明

通信機(jī)房設(shè)備在使用蓄電池應(yīng)急供電時(shí)，針對(duì)蓄電池工作狀態(tài)的各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)電壓閾值手動(dòng)或自動(dòng)控制負(fù)載的通斷，保護(hù)蓄電池避免虧電損壞和確保設(shè)備正常運(yùn)行的功能需求，綜合運(yùn)用單片機(jī)結(jié)合電子測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，從軟硬件和協(xié)議的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)入手開發(fā)本系統(tǒng)，為蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制提供了有效的解決方案，并可方便推廣應(yīng)用到其他需要實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池的場(chǎng)合。

【關(guān)鍵詞】電池監(jiān)測(cè)器 STC單片機(jī) AT指令 遠(yuǎn)程監(jiān)控 欠壓保護(hù)

近年來，隨著通信行業(yè)的飛速發(fā)展，通信機(jī)房和機(jī)房設(shè)備總量大幅增加，通信運(yùn)營商出于對(duì)其服務(wù)質(zhì)量提升的要求，機(jī)房監(jiān)管趨向無人值守和遠(yuǎn)程集中管理。通信機(jī)房往往給諸如傳輸設(shè)備、服務(wù)器及監(jiān)控?cái)z像頭等用電設(shè)備配置有蓄電池作為備電，以便在市電停電時(shí)能支撐設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間，而除了高端的UPS系統(tǒng)之外，普通蓄電池的工作狀態(tài)缺乏有效的監(jiān)控手段，比如需要實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程了解蓄電池的電壓、電流、溫度和電量等關(guān)鍵參數(shù)，并在蓄電池將要虧電的情況下切斷負(fù)載來保護(hù)蓄電池的使用壽命。于是需要設(shè)計(jì)開發(fā)一套可在局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)中使用的通信機(jī)房電池組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足尤其是中小型機(jī)房蓄電池的監(jiān)管需求。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體架構(gòu)分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。其中下位機(jī)包括微控制器板、電池監(jiān)測(cè)板、通信適配模塊、繼電器模塊、溫度傳感探頭五個(gè)組成部分；上位機(jī)軟件則部署在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，與下位機(jī)通過以太網(wǎng)連接。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微控制器板選用工業(yè)級(jí)抗干擾能力強(qiáng)的高速1T單機(jī)器周期指令單片機(jī)STC15W204S開發(fā)。電池監(jiān)測(cè)板核心組件采用集成度高的電池監(jiān)測(cè)器DS2438芯片。通信適配模塊內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧，提供微控制器UART串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)Ethernet功能，實(shí)現(xiàn)有線聯(lián)網(wǎng)，也可以增加無線WIFI模塊，實(shí)現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)。在計(jì)算機(jī)端則使用易于上位機(jī)開發(fā)的虛擬串口方式進(jìn)行通信。繼電器模塊用于接通和關(guān)斷負(fù)載用電設(shè)備和蓄電池之間的連線，采用底成本的機(jī)械繼電器即可。電池監(jiān)測(cè)器芯片內(nèi)部已帶有直接數(shù)字化的溫度傳感器，可監(jiān)測(cè)芯片內(nèi)部工作溫度，在本系統(tǒng)中用于監(jiān)測(cè)機(jī)房環(huán)境溫度。但要監(jiān)測(cè)蓄電池的溫度，且要考慮方便安裝則需要另外的溫度傳感探頭，此處優(yōu)選金屬殼貼片式DS18B20便于粘貼蓄電池表面測(cè)溫。機(jī)房環(huán)境溫度和蓄電池表面溫度兩者具有相關(guān)性，可更精確的融合判斷蓄電池工作情況。

上位機(jī)軟件通過計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)物理端口（邏輯上則是虛擬串口）向下位機(jī)發(fā)出自定義好的AT指令。指令數(shù)據(jù)先通過通信適配模塊轉(zhuǎn)換，即IP包數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成串口TTL電平數(shù)據(jù)流，并被微控制器STC15W204S的UART口接收。再由微控制器響應(yīng)具體的指令請(qǐng)求來控制電池監(jiān)測(cè)板，如讀取DS2438芯片中的電池電壓、電流、電量和芯片溫度對(duì)應(yīng)的寄存器值，以及讀取DS18B20的溫度值，隨后經(jīng)過微控制器解析與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，再回傳至計(jì)算機(jī)上位機(jī)窗體中顯示。通過上位機(jī)可遠(yuǎn)程控制繼電器模塊通斷負(fù)載，也可預(yù)先設(shè)置蓄電池欠壓保護(hù)閾值來自動(dòng)通斷負(fù)載，避免蓄電池虧電使用。

2 電池監(jiān)測(cè)器

作為電池監(jiān)測(cè)板的核心部件DS2438，其片內(nèi)具備唯一的64位硅序列號(hào)，自帶40字節(jié)非易失EEPROM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)電池相關(guān)參數(shù)，與微控制器之間使用1-Wire接口，除地線外僅需1條連線。在單一芯片內(nèi)即可完成對(duì)電池的電壓、電流、溫度和電量的數(shù)據(jù)采集，并內(nèi)置優(yōu)化算法，采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高。

DS2438的狀態(tài)配置寄存器內(nèi)為最經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，具體位的數(shù)值為0或1。格式如圖2所示。

IAD為電流A/D控制位，1表示電流A/D和ICA啟用，電流測(cè)量將以36.41Hz的頻率采樣，0表示電流A/D和ICA被禁用。CA 為電流累加器配置位，1表示CCA/DCA啟用，數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)并能取回?cái)?shù)據(jù)，0表示CCA/DCA被禁用。EE為電流累加器映射選擇位，1表示每次相應(yīng)的寄存器遞增時(shí)CCA/DCA計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)能夠被映射到EEPROM，0表示CCA/DCA計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)將不會(huì)映射到EEPROM，隨著電池組放電CCA/DCA可能會(huì)丟失。AD為電壓A/D輸入選擇位，1表示電池輸入VDD被選作DS2438電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入，0表示通用A/D輸入VAD被選作DS2438電壓A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。對(duì)于任一種設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換命令將會(huì)初始化電壓A/D轉(zhuǎn)換器。以上寄存器位的默認(rèn)值都是1。

TB為溫度忙碌標(biāo)志，1表示溫度轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行， 0表示溫度轉(zhuǎn)換完成。NVB為非易失性存儲(chǔ)器忙碌標(biāo)志，1表示從中間結(jié)果暫存器復(fù)制到EEPROM正在進(jìn)行，0表示非易失性存儲(chǔ)器不忙。復(fù)制到EEPROM可能要花費(fèi)2ms到10ms，在低供電電壓下花費(fèi)時(shí)間更長。ADB為A/D轉(zhuǎn)換器忙碌標(biāo)志，1表示電池電壓的A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，0表示轉(zhuǎn)換完成或沒有測(cè)量值要被轉(zhuǎn)換，A / D轉(zhuǎn)換大約需要10 ms。X為無用位。

DS2438初始化配置操作程序?qū)崿F(xiàn)舉例：

void ds2438_init（void） //初始化配置寄存器

{

WritePage（page（0））； //寫第一頁，即page0的地址

WriteByte（0X07）； //設(shè)置page0配置寄存器Byte0為：IAD =1，電流A/D啟用；

//CA=1，啟用電流累加器；EE =1，電流值、累計(jì)值映射到EEPROM；

//AD =0，電壓輸入選擇為通用電壓輸入；其它為狀態(tài)標(biāo)志

CopyPage（page（0））； //將page0的瞬時(shí)電流、電壓、溫度等易失數(shù)據(jù)

//復(fù)制到片內(nèi)EEPROM存儲(chǔ)

}

void WritePage（unsigned char PageX） //寫DS2438中間結(jié)果暫存器PageX

{

reset_presence（）； //發(fā)送復(fù)位脈沖

WriteByte（0xCC）； //跳過讀取64位芯片編號(hào)，節(jié)省時(shí)間

WriteByte（0x4E）； //寫堆棧指針

WriteByte（PageX）； //寫寄存器PageX地址

}

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

上位機(jī)和下位機(jī)之間通過自定義的通信協(xié)議進(jìn)行雙向通信。下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為上行通信，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)為下行通信。協(xié)議設(shè)計(jì)要考慮松耦合、可擴(kuò)展和便于維護(hù)，上下位機(jī)之間方便并行開發(fā)，而AT指令一般應(yīng)用于終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間的連接與通信，已被大家普遍認(rèn)同，本設(shè)計(jì)借鑒并發(fā)展了AT指令。有開發(fā)能力的用戶也可根據(jù)本協(xié)議自行開發(fā)上位機(jī)軟件。串口通信波特率默認(rèn)為9600bps-8-N-1，信息幀為ASCII碼，可通過串口調(diào)試工具進(jìn)行協(xié)議驗(yàn)證調(diào)試。

3.1 上行數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

上行數(shù)據(jù)樣本舉例解釋如下（電流的+-表示電流方向，+表示充電，-表示放電；字段間以“，”作為分隔符）：

$000000D3C19A，VOL=13.252V，CUR=-10.170A，BAT=18.226C，CHIP=13.513C，QUA=18934mAh，REL=1，CLO=10.8V，OPE=11.8V

$符號(hào)作為起始字，代表上行數(shù)據(jù)開始?！氨O(jiān)測(cè)板ID”即DS2438序列號(hào)為000000D3C19A?！爱?dāng)前電壓”值為13.252V?！爱?dāng)前電流”值為-10.170A?！半姵販囟取敝禐?8.226攝氏度?！靶酒瑴囟取敝禐?3.513攝氏度。“電池電量”剩余值為18934mAh?！柏?fù)載通（1）斷（0）”表示當(dāng)前負(fù)載為接通狀態(tài)。已預(yù)設(shè)的“欠壓關(guān)斷負(fù)載值”為10.8V。已預(yù)設(shè)的“恢復(fù)接通負(fù)載值”為11.8V。數(shù)據(jù)末尾帶回車換行。

“欠壓關(guān)斷負(fù)載值”和“恢復(fù)接通負(fù)載值”之間保留1V電壓間隔是為防止蓄電池電壓在閾值臨界點(diǎn)附近因抖動(dòng)導(dǎo)致繼電器不斷在關(guān)斷和接通之間跳動(dòng)。

3.2 下行數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

（1）“查詢”指令：ATG

即請(qǐng)求一條包含當(dāng)前所有狀態(tài)值的上行數(shù)據(jù)，返回舉例：

$000000D3C19B，VOL=10.707V，CUR=0.536A，BAT=+30.080C，CHIP=+27.156C，QUA=1077mAh，REL=0，CLO=10.8V，OPE=11.8V

考慮到下位機(jī)采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)需要時(shí)間，上位機(jī)在操作兩次“查詢”指令時(shí)最小時(shí)間間隔為2秒（亦為缺省值，最大間隔為1小時(shí)）。

（2）“關(guān)斷負(fù)載”指令：ATC，返回：OK。操作后REL=0，用于控制繼電器模塊關(guān)斷蓄電池給負(fù)載的供電。

（3）“接通負(fù)載”指令：ATO，返回：OK。操作后REL=1，用于控制繼電器模塊接通蓄電池給負(fù)載的供電。本指令受“欠壓關(guān)斷負(fù)載值”約束，當(dāng)電池電壓在低于“欠壓關(guān)斷負(fù)載值”時(shí)，操作ATO指令接通負(fù)載無效。

（4）“欠壓關(guān)斷負(fù)載值”配置指令：ATL。舉例：ATL10.8，返回：OK，操作后CLO=10.8V。

（5）“恢復(fù)接通負(fù)載值”配置指令：ATH。舉例：ATH11.8，返回：OK，操作后OPE=11.8V。以上每條指令和返回的數(shù)據(jù)末尾帶回車換行。

4 上位機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件基于JAVA語言開發(fā)，開發(fā)平臺(tái)為Eclipse Java EE IDE for Web Developers，使用RXTX串口API包mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x64。上位機(jī)在Windows7及以上64位操作系統(tǒng)上運(yùn)行需Windows 64-bit版本的JRE支持。軟件功能窗體如圖3所示。

“通信端口”默認(rèn)自動(dòng)選中當(dāng)前可以使用的端口號(hào)，可選擇“打開”或“關(guān)閉”端口。點(diǎn)擊一次“手動(dòng)查詢”獲取一次數(shù)據(jù)，并刷新窗體右側(cè)數(shù)據(jù)?！盎謴?fù)缺省值”，用于恢復(fù)出廠設(shè)置，即還原“欠壓關(guān)斷值”為10.8V和 “恢復(fù)接通值”為11.8V，其實(shí)是通過發(fā)送一次ATL10.8和ATH11.8組合指令實(shí)現(xiàn)。“關(guān)斷負(fù)載”用于遠(yuǎn)程關(guān)斷蓄電池給負(fù)載的供電，“接通負(fù)載”用于遠(yuǎn)程接通蓄電池給負(fù)載的供電。點(diǎn)擊“自動(dòng)查詢”后將按照所設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)并刷新窗體右側(cè)數(shù)據(jù)。時(shí)間間隔可以設(shè)置為2～3600秒，即最小間隔為2秒（亦為缺省值），最大間隔為1小時(shí)?！扒穳宏P(guān)斷負(fù)載值”用于設(shè)置電池放電保護(hù)電壓，低于此值負(fù)載自動(dòng)與蓄電池?cái)嚅_，缺省值為10.8V?！盎謴?fù)接通負(fù)載值”用于設(shè)置在蓄電池欠壓保護(hù)后再次接通負(fù)載時(shí)所要達(dá)到的電壓值，缺省值為11.8V。“電池標(biāo)稱電量”需預(yù)先手動(dòng)錄入。窗體右側(cè)數(shù)據(jù)顯示區(qū)中的負(fù)載“總功率”、負(fù)載“總電阻”、“電池電量”和“電量百分比”由相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得出。窗體最下方設(shè)有指令交互顯示欄，便于監(jiān)視當(dāng)前正在交互的每條上下行原始數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

目前本系統(tǒng)已在一些大型商場(chǎng)通信機(jī)房中部署使用，表現(xiàn)出蓄電池工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性高，控制操作簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)。尤其是根據(jù)預(yù)置電壓值自動(dòng)欠壓保護(hù)功能，使得在無人值守環(huán)境下蓄電池使用壽命更長。本系統(tǒng)可推廣到諸如控制機(jī)房、計(jì)算機(jī)機(jī)房、保安監(jiān)控機(jī)房和臨時(shí)設(shè)備供電等其他需要實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控蓄電池工作狀態(tài)的場(chǎng)合。

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作者單位

桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004