[技术领域]
[0001] 本
发明属于锂电池远程智能监控技术领域，具体涉及到一种基于物联网的锂电池远程智能监控系统。[背景技术]
[0002] 随着传统
能源的不断消耗以及开发成本的不断提高，各行各业对新能源的需求越来越大。作为新能源的锂电池的出现，大大减少了各行各业对传统能源的依赖。当越来越多的锂电池投入到使用中，锂电池的工作状态的监控就显得尤为重要。锂电池的状态好坏直接会影响设备的工作效率，同时对锂电池监控价格也比较昂贵。[发明内容]
[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种方便、高效的基于物联网的锂电池远程智能监控系统。
[0004] 本发明充分考虑到物联网ZigBee无线传输的特点，目前ZigBee无线通讯的最大距离不超过100m，所以本发明采用了使用基站
节点的方案，成功解决了距离问题。
[0005] 实现本发明的技术方案是：一种基于物联网的锂电池远程智能监控系统，包括信息采集模
块、信息处理及中转模块、监控及
数据中心模块、信息发布模块以及各模块之间的无线传输等。
[0006] 所述信息采集模块通过标准IEEE802.15.4无线电信道与所述信息处理及中转模块无线连接，所述信息处理及中转模块通过标准IEEE802.15.4无线电信道与所述监控及信息中心模块无线连接，所述监控及信息中心模块通过普通无线电信道与所述信息发布模块无线传输连接，物联网节点之间通过标准IEEE802.15.4无线电信道无线连接。
[0007] 所述信息采集模块包括：可编程数据选择器、
电压传感器、物联网中继节点；通过把可编程数据选择器的输入端与锂电池输出端相连接，实现一个可编程数据选择器加一个电压传感器和一个物联网中继节点可以同时对多个锂电池进行电压
信号的监控。电压传感器可以通过有线的方式与物联网中继节点相连接，也可以把电压传感器直接嵌入到物联网中继节点当中去，两种方式要通过具体的情况去选择。
[0008] 所述信息处理及中转模块包括：DSP、ARM、物联网基站节点；本模块充分考虑到物联网基站节点的能耗以及
数据处理能
力低。用强数据处理功能的DSP去代替物联网基站节点进行数据的处理。其中包括DSP对物联网基站节点接收到的电压进行
采样、滤波、FFT变换、计算SOC等一系列的操作。通过串口把经过DSP处理的数据传送到ARM中去，通过ARM对数据进行分析。这里通过对锂电池的工作状态的了解，用编程的方法，让ARM去记录数据的故障。这里用到的是模糊故障诊断的
算法，使用了模糊故障诊断的算法
精度大大提高了。ARM还可以把每次DSP所分析的数据在LCD显示屏上进行分通道显示，这里可以用算法根据前面所述可编程数据选择器的采样时间分辨所采集信息的编号，把每个信道的信号显示在LCD的不同行，这样方便工作人员对每组数据的观察。最后通过物联网基站节点把故障数据发出；
[0009] 所述模糊故障诊断算法如下：在建立规则库时，先定义故障诊断系统中可能出现的电池症状，有以下几点：充电时电池电压上升快；放电时电池电压下降快；充电时电压极高，放电电压极低；电池故障也是模糊集合，每一种故障都可以用隶属度来表示。电池每一个故障与每一个症状之间都存在着模糊关系。模糊故障诊断方法就是首先建立起症状隶属度与故障隶属度的模糊向量集合，然后把每一个症状与每一个故障之间的模糊关系用隶属度表示，构成一个模糊关系矩阵，最后根据症状隶属度模糊向量和模糊关系矩阵可以求得故障隶属度的模糊向量，从而得到各种故障存在的倾向性，实现对电池故障的正确判断，以便及时的进行补救。
电池组故障模糊诊断系统以信号采集
电路所采集到的电池电压为依据，结合
知识库中保存的锂电池使用和维护的经验和规则，利用存储在
数据库中症状与故障之间的模糊关系以及设定的诊断规则，采用模糊综合评判的方法对电池故障进行诊断；本系统的规则库的建立如下，把m种故障和n个症状的模糊关系矩阵保存在数组DIAG[a][b]中，这个数组里保存的是代表规则里各个症状因素对故障的作用和影响大小的加权修正值。
[0010] 如果电池的症状隶属度依次为：a＝[μx1,μx2,μx3...μxn]T；
[0011] 故障隶属度依次为β＝[μv1,μv2,μv3...μvm]T，
[0012] 则一个具体故障的隶属度μit可用以下公式表示：
[0013] μit＝(DIAG[a][1]*μx1)+(DIAG[a][2]*μx2+...(DIAG[a][n]*μxn))[0014] 数组DIAG中各元素的大小是规则的关键部分，不断用试验验证，不符合的反复调整，直到结果与电池的故障状态符合为止。
[0015] 所述监控及数据中心模块包括：PC、物联网基站节点、数据库；本模块通过物联网基站节点接收到上一模块物联网基站节点所发出的数据，通过PC显示故障数据，由PC前的工作人员对故障数据进行相应的分析。PC把每次故障的数据存储到数据库当中。
[0016] 所述信息发布模块包括：手机、
平板电脑等其他无线通讯设备；本模块不定期的接收数据库发出的信息。
[0017] 所述可编程数据选择器实现的是多路数据输入，单路数据输出的功能。本可编程数据选择器可以根据需要监控的锂电池的具体数量去选择内部的具体功能，由于
单片机的I/O口数量有限，所以可编程数据选择器的内部设置两种方式，当需要监控的锂电池数量小于24个时，选择用单片机的I/O口直接去接继电器模块；当需要监控的锂电池数量较多时，选择用74LS377模块去扩展单片机的I/O口，通过此方法，可以一次性监控N路锂电池。下面是具体可编程数据选择器实现一种功能，本功能接入了74LS377模块。
[0018] 可编程数据选择器的数据输入端可以根据用户的需要，自定义输入电压的路数，与电压输入端直接相连的是可编程数据选择器的继电器模块。通过单片机接入74LS377模块间接对继电器模块进行控制，具体如下：当N路电压输入到可编程数据选择器时，通过继电器模块分别给N路电压输入分配单元，然后通过单片机分配通道，通过LCD显示屏显示当前采样通道数。
[0019] 下面是具体的一种实现：当电压输入时，用单片机接入74LS377模块对继电器模块进行控制，对输入1进行采样，采样时间可以自己设定，输出；然后对输入2进行采样，输出，当到最后一个输入n时进行采样，输出，并返回到输入1。当不出现故障时，一直循环此操作。LCD实时显示当前采样通道数，而这里的采样时间是由单片机中的
定时器进行控制的。
[0020] 当后续数据处理过程中遇到数据有故障时，可通过无线通讯模块对单片机进行指令，单片机通过接入74LS377模块使所述故障的那一路信号一直导通，(相当于此路I/O口控制的继电器一直置“1”)，这样就可以一直采集数据达到分析故障的目的。当故障排除时，可以通过无线通讯模块使可编程数据选择器恢复到正常工作状态。还有一种方式，工作人员可以现场通过对LCD的选择通道，使单片机接入74LS377模块一直导通所选择的I/O口通道，这里用到了LCD的触屏功能。
[0021] 本可编程数据选择器模块中LCD具体有两种工作模式：模式1为显示当前的通道数；模式2为可以通过
触摸屏选择所需导通的通道数。
[0022] 通过此可编程数据选择器主要有以下两个优点：
[0023] 1)大大减轻了后续数据的处理量，因为一般情况下锂电池的工作状态是正常的，那么就不需要一直进行
数据采集。因为对数据一直采集，后面的数据处理量会相当的大，显然效率降低了，同时存在着很多的无用功。通过可编程数据选择期即可以实现定时采样的功能，还不影响后续对故障的分析。
[0024] 2)通过可编程数据选择器大大节约了成本，不论是布置传感器，还是后续的物联网节点的成本。此可编程数据选择器可以实现一个传感器加一个物联网基站节点监控N组锂电池的效果。
[0025] 3)通过此可编程数据选择器理论上可以监控N组的锂电池组，只需要增加I/O的拓展模块，即可实现单片机I/O口的扩展功能。
[0026] 使用基于物联网的锂电池远程智能监控系统成功解决了其他无线监控的丢包问题，在物联网基站节点中具有收包回复确认功能，当物联网基站节点发包时，只有当接收方物联网基站节点接收到所发内容时才会停止发包。通过此功能成功解决了比如无线Wifi等的丢包问题；
[0027] 使用基于物联网的锂电池远程智能监控系统不再受距离的约束，可以通过基站节点扩大传输距离，同时增强了发射信号。成功解决了一些特殊操作场地的距离问题，比如一些港口的环境恶劣，工作人员不能在现场工作。当距离比较远时，要实现对锂电池的监控，物联网成功解决了距离问题。
[0028] 使用基于物联网的锂电池远程智能监控系统中物联网基站节点功耗极低，在节省能源的同时大大增加了可靠性，这里无线Wifi和其他无线设备的能耗问题一直很突出。而基于物联网的锂电池远程智能监控系统成功解决了能耗问题，可以运用在一些特殊的场合。
[0029] 本发明还提供了一种基于物联网的锂电池远程智能监控方法，包括以下步骤：
[0030] 步骤一：可编程数据输入端与被监控的锂电池各个相连接，对可编程数据选择器的采样周期进行设定，采样周期根据具体要求选择，与可编程数据选择器输出端相连的是电压传感器，连接电压传感器的是物联网中继节点，物联网中继节点负责把电压传感器采集的数据发送出去；
[0031] 步骤二：通过物联网基站节点接收物联网中继节点所发出的信息，把信息通过串口发送到DSP，DSP对物联网基站节点接收到的电压进行采样、滤波、FFT变换、计算SOC等一系列的操作，然后通过串口把经过DSP处理的数据传送到ARM，通过ARM对数据进行；通过对锂电池的工作状态的了解，用模糊故障诊断的算法，让ARM去记录数据的故障；然后和DSP所传送过来的数据进行比对，通过物联网基站节点把故障数据发出；同时ARM还可以把DSP分析的数据在LCD显示屏上进行显示；
[0032] 步骤三：通过物联网基站节点接收上一模块物联网基站节点所发出的数据，把数据传送到PC，由工作人员对故障进行分析，当工作人员认为数据有故障时，通过无线通讯的方式控制可编程数据选择器，使继电器组一直选中所发生故障的的输出端，实现对锂电池状态的一直监控；故障解决以后恢复初始状态；
[0033] 步骤四：把每次输出的故障数据都通过数据库进行存储，并对ARM进行编程的更新，让它记住每次的故障，同时可以把数据库的数据进行不定时的发送给工作人员或用户。
[0034] 如上所述基于物联网的锂电池远程智能监控方法，其可编程数据选择器工作的特征如下：
[0035] 当需要监控的锂电池数量小于24个时，电压输入端直接与可编程数据选择器的继电器模块连接；通过单片机直接对继电器模块进行控制，具体如下：当N路电压输入到可编程数据选择器时，通过继电器模块分别给N路电压输入分配单元，然后通过单片机对继电器所分配的单元进行编号；具体实现过程如下：当电压输入时，用单片机对继电器模块进行控制，对输入1进行采样，输出；然后对输入2进行采样，输出，当到最后一个输入n时进行采样，输出，并返回到输入1；当不出现故障时，一直循环此操作；LCD显示实时显示当前采样通道数，采样时间由单片机中的定时器进行控制；当后续数据处理过程中遇到数据有故障时，通过无线通讯模块对单片机进行指令，单片机通过把继电器组一直导通在出现故障的那一路信号中，以便固定分析其中的故障；当故障排除时，通过无线通讯模块使可编程数据选择器恢复到正常工作状态。
[0036] 当需要监控的锂电池数量不小于24个，单片机对继电器模块的控制如下：当电压输入时，用单片机接入74LS377模块对继电器模块进行控制，对输入1进行采样，输出；然后对输入2进行采样，输出，当到最后一个输入n时进行采样，输出，并返回到输入1；如果不出现故障，一直循环此操作；LCD显示实时显示当前采样通道数，采样时间是由单片机中的定时器控制；如果出现故障，通过无线通讯模块对单片机进行指令，单片机通过接入74LS377模块使所述故障的那一路信号一直导通，这样就可以一直采集数据达到分析故障的目的；当故障排除时，通过无线通讯模块使可编程数据选择器恢复到正常工作状态。
[
附图说明]
[0037] 图1是本发明基于物联网的锂电池远程智能监控系统的结构图
[0038] 图2是本发明基于物联网的锂电池远程智能监控系统的可编程数据选择器结构图[0039] 图3是本发明基于物联网的锂电池远程智能监控系统的模糊故障诊断结构图[0040] 图4是本发明基于物联网的锂电池远程智能监控系统的单片机I/O口的一种扩展图
[0041] 100为锂电池；101为可编程数据选择器；
[0042] 102为电压传感器；103为物联网中继节点；
[0043] 104为物联网基站节点；105为的DSP；
[0044] 106为ARM；107为PC；
[0045] 108为数据库；109为无线通讯设备(平板、手机、电脑等)；
[0046] 110为信息采集模块；111为信息处理及中转模块；
[0047] 112为监控及信息中心模块；113为信息发布模块。
[0048] 114为继电器模块；115为74LS377模块；
[0049] 116为LCD显示屏；117为单片机；
[0050] 118为无线通讯模块；119为74LS32模块。[具体实施方式]
[0051] 图1本发明基于物联网的锂电池远程智能监控系统的结构图，显示了本发明的一种具体实施方式。
[0052] 见图1，一种基于物联网的动力锂电池远程智能监控系统，包括信息采集模块110，与所述信息采集模块110通过标准IEEE802.15.4无线电信道通讯的是信息处理及中转模块111；与所述信息处理及中转模块111通过标准IEEE802.15.4无线电信道通讯的是监控及信息中心模块112；与所述监控及信息中心模块112通过普通无线电信道通讯的是信息发布模块113。
[0053] 所述信息采集模块110通过所述可编程数据选择器101与锂电池的信号被测端相连(多路输入)。通过所述电压传感器102采集所述可编程数据选择器101的输出端(单路输出)的信号，所述电压传感器102通过有线的方式与所述物联网中继节点103相连接，把采集到的信号通过所述物联网中继节点103发出。本信息采集模块111在实际运用中可以大大节省监控成本。
[0054] 所述可编程数据选择器101实现对锂电池多路电压信号采集，通过编程实现对可编程数据选择器内部继电器组通过所述单片机117中的定时器控制，达到对多路信号的间隔采样，通过输出端与所述电压传感器102相连，经所述物联网中继节点103发出。使用所述可编程数据选择器101即实现了对数据采样的功能，又可以使
单体所述物联网中继节点103的功能最大化，传统的一个物联网中继节点103只能监控一组锂电池的状态，本设计的可编程数据选择器101大大节约了工程布置物联网节点以及传感器的成本。
[0055] 所述信息处理及中转模块111主要通过所述物联网基站节点104接收所述信息采集模块110中所述物联网中继节点103发出的信号，然后通过所述DSP105和ARM106作用对所述物联网基站节点104接收的信号进行相应的处理包括DSP105对物联网基站节点104接收到的电压进行采样、滤波、FFT变换、计算SOC等一系列的操作。通过串口把经过DSP105处理的数据传送到ARM106中去，通过ARM106对数据进行分析。这里通过对锂电池的工作状态的了解，用模糊故障诊断的算法，让ARM106去记录数据的故障然后通过所述信息处理及中转模块112中所述物联网基站节点104发出。所述DSP105与ARM106及所述物联网基站节点104相连接的是普通串口。
[0056] 所述监控及数据中心模块112通过所述的物联网基站节点104接收从所述的信息处理及中转模块111的所述的物联网基站节点104经处理发出的信号，通过有线连接的方式与所述的PC107相连接，与所述PC107通过有线相连的是所述的数据库108，所述数据库108是SQL server数据库或oracle数据库。此处所述物联网基站节点104与所述PC107相连接的是普通串口。
[0057] 所述信息发布模块113主要接收所述监控及数据中心通过普通信道发出的信息，给工作人员提供一个对锂电池的状态或是故障了解的的功能。所述的信息发布模块113主要是无线通讯设备(平板、手机、电脑)。
[0058] 下面是方案实施的一种步骤：
[0059] 步骤一：可编程数据选择器101输入端与被监控的锂电池100相连接，对可编程数据选择器101的采样周期进行设定，这里的采样周期可以根据具体要求去选择，与可编程数据选择器101输出端相连的是电压传感器102，连接电压传感器102的是物联网中继节点103，物联网中继节点103负责把电压传感器102采集的数据发送出去。
[0060] 步骤二：通过物联网基站节点104接收上一模块物联网中继节点103所发出的信息，把信息通过串口发送到DSP105当中，DSP105对物联网基站节点104接收到的电压进行采样、滤波、FFT变换、计算SOC等一系列的操作，然后通过串口把经过DSP105处理的数据传送到ARM106中去，通过ARM106对数据进行分析。这里通过对锂电池的工作状态的了解，用模糊故障诊断的算法，让ARM106去记录数据的故障。然后去和DSP105所传送过来的数据进行比对，通过物联网基站节点104把故障数据发出。同时ARM106还可以把DSP105分析的数据在单片机117上进行显示。
[0061] 步骤三：通过物联网基站节点104接收上一模块物联网基站节点104所发出的数据，把数据传送到PC107中，由工作人员对故障进行分析，当工作人员认为数据有故障时，这时可以通过无线通讯的方式通过控制可编程数据选择器101的无线通讯模块118，使继电器组一直选中所发生故障的的输出端，实现对锂电池状态的一直监控。当故障解决时，就恢复初始的状态。
[0062] 步骤四：把每次输出的故障数据都通过数据库108进行存储，并对ARM106进行编程的更新，让它记住每次的故障，同时可以把数据库108的数据进行不定时的发送给工作人员或用户。
[0063] 图2本发明基于物联网的锂电池远程智能监控系统的可编程数据选择器结构图，显示了本发明的一种具体实施方式。
[0064] 见图2，一种可编程数据选择器，主要实现的是多路数据输入，单路数据输出的功能。本可编程数据选择器101可以根据需要监控的锂电池100的具体数量去选择内部的具体功能，由于单片机117的I/O口数量有限，所以可编程数据选择器101的内部设置两种方式，当需要监控的锂电池100数量小于24个时，选择用单片机117的I/O口直接去接继电器模块114；当需要监控的锂电池数量较多时，选择用74LS377模块115去扩展单片机117的I/O口，通过此方法，可以一次性监控N路锂电池100，74LS32模块119起到74LS377模块115选择的功能。
[0065] 可编程数据选择器101的数据输入端可以根据用户的需要，自定义输入电压的路数，与电压输入端直接相连的是可编程数据选择器101的继电器模块114。通过单片机117接入74LS377模块115间接对继电器模块114进行控制，具体如下：当N路电压输入到可编程数据选择器101时，通过继电器模块114分别给N路电压输入分配单元，然后通过单片机117分配通道，通过LCD116显示屏显示当前采样通道数。
[0066] 下面是具体的一种实现：当电压输入时，用单片机117接入74LS377模块115对继电器模块114进行控制，对输入1进行采样，采样时间可以自己设定，输出；然后对输入2进行采样，输出，当到最后一个输入n时进行采样，输出，并返回到输入1。当不出现故障时，一直循环此操作。LCD116实时显示当前采样通道数，而这里的采样时间是由单片机117中的定时器进行控制的。
[0067] 当后续数据处理过程中遇到数据有故障时，可通过无线通讯模块118对单片机117进行指令，单片机117通过接入74LS377模块115使所述故障的那一路信号一直导通，(相当于此路I/O口控制的继电器一直置“1”)，这样就可以一直采集数据达到分析故障的目的。当故障排除时，可以通过无线通讯模块118使可编程数据选择器101恢复到正常工作状态。还有一种方式，工作人员可以现场通过对LCD116的选择通道，使单片机117接入74LS377模块115一直导通所选择的I/O口通道，这里用到了LCD116的触屏功能。
[0068] 图3本发明基于物联网的锂电池远程智能监控系统的模糊故障诊断结构图，显示了本发明的一种具体实施方式。
[0069] 见图3，一种基于物联网的锂电池远程智能监控系统的模糊故障诊断结构，根据对相关知识的获取，建立相应的规则库，通过规则库的建立不断完善推理机，再根据具体的故障隶属度函数，对故障进行输出。
[0070] 图4本发明基于物联网的锂电池远程智能监控系统的单片机I/O口的一种扩展图，显示了本发明的一种具体实施方式。
[0071] 见图4，一种基于物联网的锂电池远程智能监控系统的单片机I/O口的一种扩展图。本模块主要起到对单片机117的I/O口进行扩展的功能，通过74LS377模块115实现对单片机117I/O口的扩展，其中74LS32模块119主要起对74LS377模块115片选的功能，与74LS377模块115输出端相连接的是继电器模块114。
[0072] 本发明成功的把物联网技术运用到了工业当中，把锂电池的远程智能监控和物联网技术相结合的
专利至今还没有发现。
[0073] 本发明的可编程数据选择器101在工业中的应用可大大降低成本，减少了布置物联网节点的成本。
[0074] 本发明的信息采集模块110及信息处理及中转模块111适合运用对锂电池的远程监控当中。
[0075] 本发明所具有的积极效果：本发明结构简单，可远程对锂电池的工作状态进行实时监控，提高了工作效率。相对人工而言大大节省了人力资源，增加了锂电池的使用寿命，且进一步节约了成本。
[0076] 显然，本发明的上述实施案例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的
基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。
