基于GPRS的蓄电池无线远程监测计算机系统的设计与实现

来源: 穆斯林文学网 发布时间:2020-04-29 论文字数:33699字
论文编号: sb2020042712281230698 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇计算机论文研究,本文的研究对象为风光互补发电系统中的铅酸蓄电池,通过对蓄电池的工作原理和主要性能参数的了解,制定了一套基于 GPRS 的蓄电池无线远程监测系统。
本文是一篇计算机论文研究,本文的研究对象为风光互补发电系统中的铅酸蓄电池,通过对蓄电池的工作原理和主要性能参数的了解,制定了一套基于 GPRS 的蓄电池无线远程监测系统。该系统的主要目的是方便工作人员可以随时随地通过网页对蓄电池的主要性能参数进行远程监控,及早的发现有问题的电池,延长蓄电池的使用寿命,保证电力系统的稳定,有一定的实用价值。同时本文根据现阶段的研究趋势,对蓄电池荷电状态(SOC)的估算方法进行了研究。选用扩展卡尔曼滤波算法对蓄电池 SOC进行估算,通过 Matlab 软件进行仿真,实验结果的估算误差小于 1%,验证了扩张卡尔曼滤波算法的有效性。

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义
一个国家一个民族的发展进步离不开能源。近代社会中,大量化石能源的使用带来严重的环境污染,生态平衡破坏,严重威胁到人类的生存。为了保护我们赖以生存的家园,世界各国开始重视在使用能源的同时加强环境保护。各国针对自身的国情研发清洁能源,走可持续发展之路[1]。在众多新能源发电系统中,风光互补发电系统得到了各国的青睐。该系统是将风能发电和太阳能发电相结合,其资源丰富,环保清洁,是性价比很高的一种新型能源发电系统,有很好的应用前景[2]。
风光互补发电系统中,蓄电池作为系统的储能单元,发挥着很重的作用。在母线电压不足的情况下,仍然可以保证系统对用户的安全供电,确保设备的稳定运行。蓄电池的正常运行是非常复杂的化学反应,考虑到风光互补发电系统中蓄电池的实际使用情况,多处于偏远地区,环境恶劣多变,影响蓄电池正常运行的因素变得更加复杂,为了保证蓄电池的性能、寿命和可靠性,需要对每个电池进行实时远程监测,方便设备人员及时发现异常的蓄电池进行更换,保证系统的安全稳定[3]。
现阶段有线数据监测方式已经广泛应用到各种领域中,该方式经济适用,但有很大的场合限制。针对这种情况,人们开始研究开发无线数据传输的监测控制技术。如今的无线数据传输方案主要有:蓝牙,Zig Bee,红外、Wi Fi、GPRS 等。其特点分析如下图 1.1 所示:
图 1.1  无线传输特点对比图
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1.2 国内外蓄电池监测系统的发展现状
科学技术快速发展,不断进步,在智能控制方面有很大的突破。研究者可以利用微型控制器对蓄电池的性能、使用及维护状况进行实时监测,减少人力物力,实现对蓄电池的智能化管理[5]。 在国内,虽然对蓄电池智能监测的研究起步较晚,主要研究蓄电池常规运行参数的监测,包括单体蓄电池的电压、内阻,蓄电池组的电流、温度等。但是随着研究的深入,技术逐渐成熟,很多国内企业设计出的蓄电池实时在线监测设备,已经投入到电力系统中,主要监测蓄电池的电压、电流、内阻和温度[6] 。其国内公司的设备介绍如下表 1-1 所示:
如今国内的研究热点是如何准确估算蓄电池 SOC。准确预测蓄电池 SOC 可以让工作人员了解蓄电池的工作状态,避免电池过充或者过放,延长电池的使用寿命,保证电力系统的稳定。蓄电池 SOC 的估算方法主要有:安时积分法,内阻检测法,开路电压法,神经网路算法和卡尔曼滤波算法等。2017 年,朱晓青基于 BP 神经网路构建拓扑,利用 Matlab 软件进行仿真,实现对蓄电池 SOC 的估算,实验误差不超过 4%。
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第二章 蓄电池的工作原理及主要性能参数

2.1 蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池是一种可以将电能与化学能进行相互转化的直流供电装置。蓄电池的正极为二氧化铅(PbO2),是一种活性物质,电解液为稀硫酸溶液,负极为海绵铅(Pb),也是一种活性物质。当蓄电池正常运行时,其内部发生复杂的化学反应。放电时,正极上 Pb O2的化学能转化成电能同时生成硫酸铅(PbSO4)和水(H2O)。充电时,电池等同于一个负载,流入电池内部的电流与放电时的方向相反,电能被转化成化学能,其中的活性物 PbSO4转化为 Pb O2、H2SO4和H2O,这样蓄电池就完成了“二次充电”,让电池回收势能,下次放电时可以继续提供电能,这是蓄电池的工作原理。其化学反应方程式如下:
蓄电池总化学反应方程式:
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2.2 蓄电池的主要性能参数
2.2.1 蓄电池的充放电特性
1.充电方法
如今蓄电池的充电有很多方法,主要包括恒流充电法、恒压充电法、恒流恒压充电法(又称两阶段充电)等[9]。
A.恒流充电法
恒流充电法:对蓄电池充电时,保持充电电流不变,其电压/电流曲线图如图 2.1 所示。该方法的优点是控制逻辑简单,充电速度快。但也存在很大的缺点,相对于电池本身,刚开始的充电电流可能偏小,随着充电进行,到后期,充电电流偏大,电压过高,对电池冲击很大,容易造成电池损伤,降低寿命[10-11]。
图 2.1  蓄电池恒流充电法的曲线图
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第三章 基于扩展卡尔曼滤波算法的蓄电池 SOC 动态估算 .................................. 13
3.1 蓄电池 SOC 定义及估算方法 ................................... 13
3.2 扩展卡尔曼滤波算法 ..................................... 13
3.3 电池等效电路模型的建立和参数拟合 ................................. 17
第四章 蓄电池无线远程监测系统的总体设计 ........................... 24
4.1 蓄电池远程监测系统的总体结构 ............................... 24
4.2 系统下位机的设计方案 ........................... 24
4.3 GPRS 传输模块的设计 ............................. 30
第五章 阿里云服务器端软件设计与实现 ............................................ 34
5.1 阿里云服务器的环境搭建 .................................... 35
5.2 数据交互 .................................... 38
5.3 MySQL 数据库设计 ....................... 43

第五章 阿里云服务器端软件设计与实现

5.1 阿里云服务器的环境搭建
为了实现整个系统的设计运行,首先要租用一个阿里云服务器,考虑到研究成本和配置,实行包年租用。其次为了能够实现系统的远程监测,使用户随时随地可以通过网页客户端查看监测数据,本文需要在服务器上安装 JDK(JavaDevelopmentKit),MySQL 数据库,tomcat,Navicat for MySQL,Eclipse 等软件,并进行相应环境配置。阿里云服务器的公网 IP 地址:39.96.160.49,端口号:6666。
5.1.1 JDK 的安装
本文是利用 Java 进行开发,所以离不开 Java 开发的核心——JDK 软件开发工具包。工具包包括开发所需的基础环境和类库。其版本为 jdk1.8.0_172。 安装过 JDK 后,设置环境变量,右击桌面上的“这台电脑”图标,选择“属性”,在弹出的控制面板主页中单击“高级系统设置”选项,随后在“系统属性”对话框中单击“环境变量”按钮,弹出“环境变量”对话框,操作如图 5.4 所示。
图 5.4 JDK 环境设置
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第六章 工作总结与展望

6.1 工作总结
本文的研究对象为风光互补发电系统中的铅酸蓄电池,通过对蓄电池的工作原理和主要性能参数的了解,制定了一套基于 GPRS 的蓄电池无线远程监测系统。该系统的主要目的是方便工作人员可以随时随地通过网页对蓄电池的主要性能参数进行远程监控,及早的发现有问题的电池,延长蓄电池的使用寿命,保证电力系统的稳定,有一定的实用价值。同时本文根据现阶段的研究趋势,对蓄电池荷电状态(SOC)的估算方法进行了研究。选用扩展卡尔曼滤波算法对蓄电池 SOC进行估算,通过 Matlab 软件进行仿真,实验结果的估算误差小于 1%,验证了扩张卡尔曼滤波算法的有效性。论文具体做的工作分为下面几个部分:
1.对蓄电池的工作原理以及电池主要运行参数进行介绍,  更好地了解蓄电池正常运行的各项指标,为系统监测、数据分析打好基础。
2.对蓄电池 SOC 的估算方法进行研究。选用扩展卡尔曼滤波算法对蓄电池 SOC 进行估算,利用 Matlab 软件进行仿真,仿真结果表明,该算法可以有效估算蓄电池 SOC,控制误差小于 1%。
3.对整个无线远程监测系统进行介绍。首先,对系统下位机详细介绍。包括系统主控制器STM32F407VET6 的性能及原理图,电源电路的硬件设计,充放电主电路的硬件设计,电压测量电路的硬件设计,电流测量电路的硬件设计,内阻测量电路的硬件设计,温度测量电路的硬件设计。其次说明 GPRS 通信模块的设计,包括硬件设计和软件设计。最后对系统上位机做简单介绍。
4.后台设计,本文后台运用阿里云服务器,在阿里云服务器中完成项目所需环境搭建。安装设计好 MySQL 数据库,与下位机建立 TCP/IP 通信,运用 Java 编程实现数据交互,将数据存储在数据库中。在数据库中对数据进行处理,最后通过数据库发送给网页客户端。
5.网页客户端设计,为了使用户可以随时随地观测监测数据,本文运用 B/S (Browser/Server,浏览器/服务器模式)架构,设计用户登录页面以及网页显示页面,实时反映蓄电池当前运行状态。最后,对下位机和网页客户端进行实物模型联合测试,验证系统的功能。
参考文献(略)


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