基于nrf24l01的无线传感器网络监测系统的设计

基于nrf24l01的无线传感器网络监测系统的设计

1.2u3000ki-sq1及sdi接口设计nuc130系列是新唐32个单词。它由内部用盔甲co宋朝m0内核组成，内核最高为50hz。具有12位8通道ADC通道,支持MICROWIRE协议/SPI总线协议(SSP)。nRF24L01是真正的GFSK单收发芯片,工作于2.4G频段,内置链路层协议的无线收发芯片,nRF24L01所有配置寄存器通过SPI口进行配置,所以可以直接和NUC130的SPI接口相连,硬件连接图如图2所示,CE连接到ARM的PB.8端口,当为高电平时启动发射;CSN是从设备使能信号,低电平有效连接到SS端,CSN为低时SPI接口等待执行指令;SCLK时钟信号;SDO主设备数据输出、从设备数据输入端;SDI主设备数据输入从设备数据输出端;IRQ连接到ARM的PB.15端,IRQ为低电平触发。1.3蓄电池管理系统电路工厂变电站后备电源在线监测系统需要采集的参数有单只蓄电池的电压、线路的总电流、总电压、电池的温度以及环境温度等参数。根据电路的总电流和电压的变化,可以反映出蓄电池的“健康”状况,如果电池电压在充电时相比同组其余电池上升速度很快,而且放电时电压下降很快,就可以反映出该电池性能出现下降。另外利用线路的总电流、电池温度和环境温度的参数根据安时计量法可以估算出蓄电池的SOC值,对于评估电池的性能也是很重要的一个参考指标。线路的总电流的采集可以使用电流霍尔传感器,将0到150A的直流电流转换成0到5V的直流电压直接输入到ARM芯片,这种方式线性度好、动态性能好。总电压采样电路如图3所示,蓄电池总电压经过R2,R28,R27分压后进入U4运放的5脚电路,调整电位器RW2的阻值可以改变比例大小,最后将总电压转换成0V到5V的电压值从U4的7脚输入到ARM芯片里。蓄电池的温度采集和环境温度采集使用的是美国DALLAS公司生产的单总线温度传感器DS18B20。DS18B20的数据端连接到NUC130的PB.12端,通过控制时序来实现温度的转换。采集主机内部使用的主芯片为三星ARM9系列S3C2440芯片,DM9OOOA是DEVICOM生产的的一种10/100M快速以太网控制芯片,它遵循IEEE颁布的802.3以太网传输协议。S3C2440与DMA9000A的硬件连接图如图4所示。DM9000A的SD0到SD15端连接到S3C2440的LDATA0到LDATA15端,ncs端连接到nGCS3端,INT连接到IRQ_LAN,nIOR连接到nOE端,nIOW连接到nWE端。系统上电时,S3C2440通过总线配置DM9000A内部网络控制寄存器和中断寄存器,完成DM9000A初始化配置。2系统的硬件设计2.1用户蓄电池参数的采集后备电源在线监测系统软件部分的设计主要有两部分组成,一个是无线采集器的设计,另一个是采集主机的设计。软件流程图如图5所示。对于无线采集器的设计首先进行系统初始化,将nRF24L01配置成发送模式,然后采集蓄电池的参数,包括电池电压、电池温度、线路电流和环境温度;数据发送时必须将蓄电池的ID号、电压、温度先进行打包处理,采集主机只需要按相关打包规则将数据解包后就可以读出相应的电池参数信息,正常情况下按照设置的发送时间间隔上传数据,当无线采集器监测到异常数据后立即上传数据,采集主机的设计流程为首先将nRF24L01配置成接收模式,然后不断的扫描检测是否有采集器上传数据,检测到采集器后便开始读取数据,数据读取完毕后,将接收到的数据进行解包处理后,可以在LCD上显示蓄电池的参数信息,同时也可以通过以太网将数据发送到监控中心。2.3数据采集单元和子模块设置单元后备电源在线监测系统软件运行于Windows操作系统下,采用面向对象的程序设计方法,用VisualC++开发,采用模块化结构思想,系统共分为3个模块单元。蓄电池数据采集单元包含电池电压、电池温度、线路电流、环境温度和电池ID编号5个过程参数的采集,数据如果出现异常后发出报警信息;子模块设置单元主要的作用是设置单只蓄电池的ID号用以区别不同的电池、设置报警信息的阈值和设置采样间隔;数据管理单元的作用是实现数据的查询、报表、打印、各种曲线的绘制等,同时利用安时计量法可以对蓄电池的SOC值进行估计,使工作人员更加直观的观测到蓄电池的性能变化趋势。上位机界面的设计框图如图6所示。3浮充状态的模拟工厂变电站后备电源一般要求是输出DC220V,所以通常选用单只电池为2V的阈控电池共计108只。根据阈控电池的充电特性一般采取恒流恒压加浮充的充电方式,电池充电初期采用恒流的充电的方式,电池电压缓慢上升,当单只电池电压达到2.4V时,改成恒压充电的方式,此时充电电流缓慢下降,当电流下降到设定值后,再保持恒流充电3h左右就完成一个充电周期,如果此时蓄电池没有被使用的话,蓄电池将进入浮充状态。采集主机根据蓄电池的电压、温度、电流等参数,通过安时计量法的方法可以将蓄电池的荷电状态计算出来。安时计量法的原理由公式(1)描述:SOC=SOC0−1CA∫ttoηidtSΟC=SΟC0-1CA∫totηidt(1)式(1)中SOC0为初始值,CA为电池可用容量,η为库仑效率。如果使估算出来的SOC更加准确的话,必须充分考虑充电电流和温度对库仑效率的影响,根据实验数据,我们拟合出充电电流与库仑效率的曲线如图7所示,温度与库仑效率的曲线如图8所示。根据公式(1)和电流、温度与库仑效率的关系,在MATLAB/SIMULINK建立如图9的仿真模型,模拟SOC随电流和温度变化的趋势。如图10为恒流充电下,SOC和电池容量的变化曲线图。4工厂变电站对蓄电池的日常管理通过实验研究表明,基于nRF24L01的工厂变电站后备电源监测系统能够实现对蓄电池的实时在线监测,通过对电池的电压、SOC等参数能够很好的反映出电池的实际工况信息,根据这些参数可以使工作人员更好的对蓄电池进行管理,从而延长电池的使用寿命并且保证工厂变电站设备的安全正常运行。蓄电池作为后备电源是电力系统中重要的组成部分。正常情况下蓄电池可以为工厂变电站内的设备提供直流电源,在交流电失电的情况下后备电源也可以作为电源启动变电站内的断路器等设备,因而蓄电池的性能的优劣直接影响到设备的安全运行。工厂变电站内选用的蓄电池大多是2V的阈控蓄电池,大部分时间电池处于浮充的状态,由于缺少日常的维护工作,有些变电站的蓄电池在使用时不能正常工作,从而造成很大的运行事故。因此对蓄电池的日常管理已经纳入工厂变电站运行安全的考核标准之一。目前的工厂变电站对电池的管理主要有两种方式,一是人工定期测量电池的电压,查看有无异常现象,由于人工巡检需要有个周期,并不能及时的检测到电池的异常;二是在蓄电池室安装在线监测设备,通过有线的方式将电池的电压和线路电流传输到监控室,这种方法可以做到蓄电池的在线监测,但是由于蓄电池室距控制室的距离比较远,给施工带来了很多的不便。本文提出了一种在每一只蓄电池上安装一台装有nRF24L01无线射频收发芯片的模块的采集器,该采集器将采集到的蓄电池的各种参数通过无线的方式发送到采集主机,采集主机再将数据通过以太网的方式发送到监控室,数据采集稳定可靠,而且减少了施工难度。同时还可以根据采集到的电池参数进行蓄电池SOC的估计,因而能够更好的反映出电池性能变化趋势。1系统硬件结构1.1监控中心—工作原理整个系统主要有两个部分组成,一个是安装在蓄电池端的无线采集器,该采集器负责采集蓄电池的单只电压、电池温度,采集到的参数经过ARM处理器处理后通过无线射频收发芯片将数据上传到采集主机,主机可以设置主动上传数据的时间间隔,但