基于近场通信与低频唤醒的电池监测系统设计

王鹏程，朱长青，刘畅

(1.陆军工程大学，石家庄 050000；

2.32214部队，南京 210000)

目前电池监测系统发展非常迅速，从大型的电力系统储能电池组，到少量电池组成的电动汽车动力电池组，均研发出了相应的电池监测系统，但有线通信需要安装大量额外线束，存在灵活性和扩展性差、安装和维护不便等问题。近些年来，随着物联网技术的发展，又衍生出了基于物联网技术的无线电池监测系统，针对不同使用场景的电池，电池监测系统又可以分为储能电池监测系统[1-2]、动力电池监测系统[3-6]和专用电池监测系统[7]等。

以上各种类型的无线电池监测系统发挥了物联网技术的优势[8-9]，避免了有线电池监测系统的线束问题，但是相比于成组使用并且位置相对固定的储能或动力电池组，用于内燃机起动的起动电池，由于其零散的使用方式和位置不确定的使用场景，加上目前相对应的监测系统很少，导致此类电池存在失管失控问题。

若将储能或动力电池监测系统直接应用到起动电池上，会出现明显的弊端。例如起动电池由于使用位置不固定，其监测装置不能由室电供电，只能依托自身的电量，文献[1]提出的监测系统依赖于室电，不适用于起动电池；
文献[2]提出的监测系统Zigbee及GSM若全天候开启，会对起动电池造成较大的电量损失；
文献[10]提出的基于WiFi的军用蓄电池监测系统同样存在WiFi模块功耗过大的问题。

如文献[11]所述，已经开发出了针对零散分布电池的无线监测系统，其提出的“低频唤醒+RFID模块”的通信策略，解决了无线通信模块的待机功耗问题，但是在不知道蓄电池监测板ID的情况下，低频唤醒方式不能读取指定电池的信息，灵活性受限，且低频唤醒接收机本身存在无线接收功能，导致RFID模块的接收功能冗余。

1.1 功能要求

起动电池在军事、工业生产和生活中发挥着重要的作用[12]，小到家用摩托车、汽车，大到军用雷达、导弹车辆，要想正常工作均离不开起动电池，但目前缺少针对此类电池的专用监测系统，究其原因主要是起动电池使用分散、分布不定、应用环境复杂等。

起动电池不像储能电池那样大规模、成组使用，因此针对起动电池的监测装置必须精确地监测到电池单体，这要求监测装置必须高度集成以满足体积限制；
起动电池使用或储藏位置不固定，电池与内燃机没有固定的配套关系，因此监测装置不能由AC 220 V室电供电，而应使用蓄电池本身电量，这对监测装置功耗有一定限制；
同样由于起动电池应用位置的不确定性，受限于RFID模块的工作距离，电池监测系统的终端应该是可移动的装置。

1.2 电池监测系统总体架构

提出一种基于近场通信(NFC)与低频唤醒的低功耗无线电池监测系统设计，如图1所示，该系统包括“监测板+手持机+上位机”三层结构。。

图1 系统整体框架

监测板负责采集蓄电池参数并实时估计蓄电池状态；
手持机可以以无线方式与监测板交互，获取蓄电池的实时状态，这里的无线方式包括两种：近场通信方式和“低频唤醒+433 MHz透传”组合RFID方式；
上位机主要以USB有线通信方式从手持机获取蓄电池的状态，并存入数据库中供管理人员查看

2.1 监测板硬件设计

监测板是指封装到蓄电池外壳内部的印制电路板(PCB)模块，该模块集成有微控制器(MCU)、AD采集电路、低频接收电路、433 MHz超高频(UHF)发射电路、NFC标签电路及其相应的天线，可以实时采集蓄电池电压、电流、温度参数并通过内置蓄电池状态估计算法准确估计蓄电池荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)、循环次数等，并可以通过无线方式与手持机进行交互，具体结构见图2。

图2 监测板结构图

由于监测板由蓄电池自身供电，所以监测板的功耗问题是无线电池监测系统设计的难点。监测板的功耗主要来源于微控制器、AD采集电路和无线通信电路三部分。

2.1.1 微控制器

为降低功耗，微控制器选用STM32L412C8T6单片机，该单片机位宽32位，主频可达80 MHz，可运行大多数蓄电池状态估计算法，且其正常运行模式功耗低至86 μA/MHz，低于传统的MSP430等低功耗单片机。

2.1.2 AD采集电路

AD采集电路负责采集蓄电池电压、电流、温度参数，用于蓄电池状态估计算法的输入。为降低电路的功耗，采用了最简化的电路设计，省去了耗电大的光耦等器件，电压、电流参数采集电路由分压电阻和低功耗运放构成的跟随器构成，温度采集功能由微控制器内部的温度通道实现。

2.1.3 无线通信电路

手持机作为通信主动发起方，应该随时都能与监测板建立可靠的通信，但是设置监测板的无线通信模块始终处于接收模式会带来很大的电量损耗，文献[13]提出的Zigbee模块定时唤醒策略并没有从根本上解决问题，文献[11]提出一种“低频唤醒+RFID模块”的组合式通信方式的确解决了无线通信模块的接收功耗问题，但是这种方式存在上文所述的两个固有缺点。

为此，提出“NFC+低频唤醒+433 MHz透传”的无线通信方式来解决单独使用低频唤醒方式的固有缺点，手持机可以使用两种方式与监测板通信：NFC方式、“低频唤醒+433 MHz透传”组合方式。监测板集成有双界面NFC标签芯片M24SR64及其板载天线，可利用NFC读写器发出的场能量与读写器通信，而不必耗费蓄电池的电量，用户可使用手持机刷卡式读取蓄电池信息，方便快捷。同时使用“低频唤醒接收+433 MHz发射”的组合式RFID来代替传统的Zigbee、nRF24L01等RFID模块，低频唤醒模块待机时小于2.2 μA，433 MHz发射模块待机时小于1 μA，远小于传统RFID模块的接收功耗，具体实物图见图3。

图3 监测板实物图

2.2 手持机设计

手持机是指用户用以读取蓄电池状态信息的手持电子设备，该设备集成有微控制器、OLED屏幕、低频天线驱动电路、 433 MHz接收机、NFC读写器及其相应的天线等，可以读取、显示并存储蓄电池实时状态信息，可以通过USB方式与上位机交互，具体结构见图4、图5。

图4 手持机结构图

图5 手持机实物图

3.1 监测板软件设计

监测板封装到蓄电池外壳后即上电，首先进行AD采集模块、低频接收模块、433 MHz发射模块、NFC标签模块的初始化，随后进入低功耗模式运行内置的蓄电池状态估计算法，根据AD采集的蓄电池参数实时运算蓄电池状态信息。

当达到中断条件时，会进入中断以执行预设好的程序，中断源有两个：低频唤醒中断和NFC中断。手持机接近监测板时，会触发NFC中断，在中断程序中，监测板将蓄电池实时状态信息通过负载调制方式传送回手持机。当手持机发送低频唤醒广播信号时，会触发低频唤醒中断，在中断程序中，监测板首先解析低频唤醒帧，帧结构见表1，如果该帧中的命令字节为广播唤醒，或所指定的监测板ID字节与自身ID对应，则通过433 MHz发射模块将蓄电池实时状态信息帧返回给手持机，否则忽略该低频唤醒帧，帧结构见表2。具体流程见图6。

表1 低频唤醒帧

表2 蓄电池信息帧

图6 监测板流程图

3.2 手持机软件设计

手持机上电后，会初始化低频天线驱动模块、433 MHz接收模块、NFC读写器模块等，用户将手持机贴近监测板时，会通过NFC方式读取并显示蓄电池当前状态信息；
用户按下广播按键时，会通过低频天线向外广播低频唤醒帧，并通过433 MHz接收模块接收多个电池的实时状态信息。

3.3 上位机软件设计

上位机软件采用C++编程，并结合Qt5软件平台进行开发，主要完成数据存储、分析和管理功能。内置Sqlite数据库用来存储蓄电池状态信息，可视化操作界面配合Sqlite数据库使得蓄电池管理人员方便地对蓄电池进行批量管理。上位机软件通过USB接口连接手持机并与之通信，获取最新的蓄电池状态信息并导入自身数据库。

通过在监测板电源回路上串联电阻来测量监测板相应模块消耗的电流[14]，相应结果如图7所示。

图7 不同模式下电流消耗对比

由图7可知，监测板在正常运行期间，电流消耗仅为544 μA；
用户通过手持机以NFC方式读取蓄电池信息时，由于NFC标签的能量大部分来自于手持机产生的射频场，仅有线通信部分的电量由电池提供，所以电流消耗上升不明显，总电流大小为694 μA；
用户通过广播方式读取蓄电池信息时，由于监测板收到低频唤醒信号后要通过433 MHz发射模块向手持机返回信息，433 MHz模块发射电流大约为12 mA，因此监测板的电流消耗会出现较大上升，达到12.5 mA。

相对于文献[11]提出的“低频唤醒+RFID模块”的低功耗通信策略，设计了更为灵活且功耗更低的通信策略：将昂贵的RFID模块换成只具备发射功能的433 MHz透传模块SYN115，成本更低，且保留了广播唤醒的功能；
添加NFC标签模块来弥补广播唤醒针对性不足的缺点，使得读取方式更灵活。

管理人员进行电池巡检时，近距离下，可以通过NFC以不消耗设备端电池能量用于通信的情况下进行抄读数据；
远距离下，可以通过本装置的低功耗低频无线以主动方式唤醒，而节省了无线通信模块平时无意义定时唤醒的能源消耗量，实现抄读。两种情况下，均实现了对设备端能源节省的主要目标，又都是基于用户实时主动唤醒操作，使得实时性相对原本定时唤醒而言变得更强。另外，如有广播抄读的提升工作效率的临时诉求，则可通过低频无线主动唤醒进行近距离、远距离的抄读，供用户灵活选择以适应不同任务目标。表3显示了不同读取方式的在速率、距离和功耗方面的特点。

表3 不同读取模式的特点

在成本上，监测板在蓄电池报废之后仍可以继续用在新蓄电池上，可重复利用性使成本大大降低。当然仍存在几点不足：采用广播方式读取的距离受限于低频唤醒的距离，经测试，低频唤醒最大10 m左右，这使得433 MHz透传模块几十米的通信距离没有发挥出来；
由于铅酸蓄电池作为起动电池时，标称电压为12 V，需要经过DC-DC降压后才能为监测板供电，由图7可知，DC-DC电源电路仍有一定的功率损失

针对目前起动电池或其他零散分布的电池的失管失控问题，提出了一种功耗低且实时性好的无线电池监测系统，该系统具有以下优点：

(1)合理利用低频唤醒技术，使蓄电池监测板能够在低功耗状态下保持通信的实时性；

(2)使用“低频唤醒+433 MHz收/发透传模块”来代替传统的“低频唤醒+RFID模块”，降低成本的同时，也降低了电路板布线难度；

(3)提出NFC与低频唤醒相结合的通信架构，在保持监测板低功耗状态下，提高了管理人员对蓄电池进行巡检的灵活性。