基于ARM的无人值守地震台站蓄电池监测系统的设计与实现

刘彦磊，梁红杰，吉 红，黄占平

（1.天津渤海职业技术学院，天津300402；2.河北省地震局，河北 石家庄050021）

基于ARM的无人值守地震台站蓄电池监测系统的设计与实现

刘彦磊1，梁红杰2，吉 红1，黄占平2

（1.天津渤海职业技术学院，天津300402；2.河北省地震局，河北 石家庄050021）

介绍一种以ARM芯片为微处理器的地震台站蓄电池远距离在线实时监测系统的设计与实现，同时采用专门用于监测电池的智能型专用芯片DS2438和LEM的智能蓄电池传感器Sentinel、电流传感器两套采集系统，对电池的温度、电压、电流和剩余电量等参数的采集，大大简化了硬件电路的设计。系统采用模块化的设计结构能使系统更加可靠、简单和实用。通信系统采用4G（LTE）无线通信技术实现与省局前兆中心远程通信和监控，实现对无人值守的地震台站蓄电池的远距离在线实时监测。结果表明，该系统很好地达到了预期目标。

ARM；DS2438；Sentinel；4G（LTE）

我省前兆无人值守台站数量众多，仪器供电装置一直比较落后，装置简单，多次出现蓄电池亏电造成仪器停测的故障，甚至造成仪器损坏。本项目通过对河北省地震前兆台网无人值守台站仪器电源管理系统模块化及电源供电远程监控的设计开发，实现通过远程监控，将全省各个无人值守台站的电源状态及时反馈到省局前兆台网中心，进行及时监控，做到仪器设备电源供电系统故障前早预警、早干预，及时有效的确保地震观测仪器稳定可靠的连续运行。

1 工作原理

依据蓄电池的主要性能参数，利用DS2438芯片的智能电池监测系统和LEM的智能蓄电池传感器Senti⁃nel、电流传感器对仪器的供电方式和电池的电压、电流、温度、剩余电量进行监测，通过RS 232总线通信的方式把采集的数据送到ARM芯片进行分析处理，处理完的数据经过地震前兆数据采集器送到上位机，进行人机交互显示并通过4G（LTE）无线通信技术把处理完成的数据传输到省局前兆中心从而实现远距离在线实时监测功能。

2 硬件系统方案设计

依据蓄电池的相关参数[1]的研究，温度、充放电电压、电流对于铅酸蓄电池的性能都有很大的影响，欠压或过压都很可能导致蓄电池的损坏，放电电流过载也会对蓄电池的寿命造成严重的影响，铅酸蓄电池的各个参

数之间的关系较为复杂，无法从单一的参数中确定蓄电池的运行状态。因此，本课题通过基于一种智能化的全新的电源管理系统模块化及远程监测系统如图1所示。

图1 硬件系统方案

整个蓄电池管理系统总体设计方案主要由5部分组成：

（1）微处理器模块。完成整个硬件电路的控制和模块间的通信功能，包括将数据采集单元的模拟数据送入地震前兆数据采集器；完成采集单元和数采的参数协议转换；连接数采对外充电电源接口与控制充放电开关单元，实现对蓄电池组的充电功能。

（2）蓄电池数据采集模块。包括电压采集单元的设计，主要完成如下功能：是采集蓄电池电极间电压参数，通过对电压的监测，来准确判断蓄电池的充放电状态，蓄电池的运行状态。

（3）充放电开关控制模块[5]。完成地震前兆数据采集器对蓄电池充电和蓄电池对地震前兆仪器供电功能，实现对蓄电池的充放电智能保护。

（4）地震前兆数据采集器。完成前兆台网对蓄电池运行性能的实时监控。

（5）通信模块。通过4G无线网络实现与省局前兆地震中心的通信和在线监测功能。

2.1 微处理器模块

微处理器模块主要采用ARM7结构的LPC2103作为主控制器，该控制器是一种32位的ARM7 TDMI⁃S微控制器，最高工作速度可达70 MHz，32 KB的片内FLASH程序存储器和8 KB的片内静态RAM。主要由最小系统、复位电路、与电压电流内阻等采集模块的通信接口[3⁃4]，上位机接口等组成如图2所示。

2.2 数据采集模块

采用是DALLAS公司的电池监测芯片DS2438，只有一根双向数据线，为了跟LPC2103芯片总线连接，通过一个三极管和两个隔离器把一个双向数据线改成两根总线然后连接到ARM芯片LPC2103总线的P0.0和P0.1管脚，内含数字温度传感器可直接测量电池温度；片内A/D可进行电池电压监测，可判定充电和放电的状态；片内的积分电流累加器可实时记录电池流入、流出电流的总量[5⁃6]，便于计算剩余电量；具体采集电路设计如图3所示。

图2 微处理器模块电路图

图3 电池参数采集电路图

为了保证数据采集的准确性和可靠性同时也采用LEM公司的Sentinel智能电池传感器对单个电池的电压，温度和内阻测量，通过专属总线S⁃BUS传送给数据记录器S⁃BOX，电流传感器对电池的充电，放电或者浮充状态检测，检测系统如图4所示。

图4 Sentinel智能电池传感器采集框图

2.3 通信模块

通信模块功能一是实行微处理器与地震前兆数据采集器的通信，二是实现上位机与地震前兆数据采集器的通信同时利用4G无线移动通信技术实现与地震前兆中心的远距离在线监测功能，使用中兴公司的4G（LTE）通信模块ME3760，它是一款Mini PCI⁃E接口的LTE模块，支持LTE TDD band38（2.6 GHz），band39（1.9 GHz），band40（2.3 GHz）；LTE FDD band7（2.6 GHz），向下兼

容TD⁃SCDMA A频段（2.1 GHz）和F频段（1.9 GHz）以及GSM 900 MHz，GSM 1 800 MHz，支持最大100 Mb/s，50 Mb/s的理论上下行数据传输速率，分别在无人值守的台站和省局前兆中心电脑上装ME3760，可实现4G无线通信。

3 软件设计

软件的设计采用模块化，即主模块的软件设计和子系统的软件设计，主模块软件主要完成对LPC2103的系统初始化、电池参数的采集、地震前兆数据采集器的通信接口程序设计、参数的分析处理和控制，电池异常判断等功能，设计流程及其程序代码如图5所示。

图5 主模块软件设计流程图

电池参数采集程序设计主要有电池电压采集子程序、电流采集子程序、温度采集子程序和内阻采集子程序等组成，其中电压采集程序流程如图6所示。

图6 电池电压采集子程序流程图

4 结语

本项目新型铅酸蓄电池智能管理系统的设计，依托现有地震前兆数据采集器平台开发智能化的蓄电池管理系统，具有成本低，及时监控，有效预警，安全可靠的特点。大大节约了财力和人力，并在地震前兆台网无人值守台站仪器电源管理系统中得到了应用，具有很好的应用价值和经济价值。

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Design and implementation of ARM⁃based battery monitoring system for Unattended seismic stations

LIU Yan⁃lei1，LIANG Hong⁃jie2，JI Hong1，HUANG Zhan⁃ping2
（1.Tianjin Bohai Vocational Technical College，Tianjin 300402，China；2.Hebei Seismological Bureau，Shijiazhuang 050021，China）

The design and implementation of battery remote online real⁃time monitoring system for seismic stations is intro⁃duced，which takes ARM chip as microprocessor，and uses a dedicated battery monitoring smart chip DS2438 and intelligent battery sensor LEM Sentinel and current sensor acquisition system for the battery temperature，voltage，current and remaining power.It greatly simplifies the hardware circuit design.The system uses a modular design structure to make the system more reliable，simple and practical.The communication system uses 4G（LTE）wireless communication technology to achieve remote communi⁃cation with the provincial bureau precursor and monitoring center，and achieve the unmanned seismic stations’online real⁃time remote monitoring of the battery.

ARM；DS2438；Sentinel；4G（LTE）

TN06⁃34

A

1004⁃373X（2015）04⁃0129⁃03

刘彦磊（1982—），男，河北邢台人，硕士，讲师，工程师。研究方向为自动化控制技术及嵌入式系统。

2014⁃08⁃15

河北省地震局科技星火计划项目（20130304）