基于GPRS的蓄電池無線遠程監測計算機系統的設計與實現

來源: www.411242.buzz 發布時間:2020-04-29 論文字數:33699字
論文編號: sb2020042712281230698 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇計算機論文研究,本文的研究對象為風光互補發電系統中的鉛酸蓄電池,通過對蓄電池的工作原理和主要性能參數的了解,制定了一套基于 GPRS 的蓄電池無線遠程監測系統。
本文是一篇計算機論文研究,本文的研究對象為風光互補發電系統中的鉛酸蓄電池,通過對蓄電池的工作原理和主要性能參數的了解,制定了一套基于 GPRS 的蓄電池無線遠程監測系統。該系統的主要目的是方便工作人員可以隨時隨地通過網頁對蓄電池的主要性能參數進行遠程監控,及早的發現有問題的電池,延長蓄電池的使用壽命,保證電力系統的穩定,有一定的實用價值。同時本文根據現階段的研究趨勢,對蓄電池荷電狀態(SOC)的估算方法進行了研究。選用擴展卡爾曼濾波算法對蓄電池 SOC進行估算,通過 Matlab 軟件進行仿真,實驗結果的估算誤差小于 1%,驗證了擴張卡爾曼濾波算法的有效性。

第一章 緒論

1.1 課題研究的背景和意義
一個國家一個民族的發展進步離不開能源。近代社會中,大量化石能源的使用帶來嚴重的環境污染,生態平衡破壞,嚴重威脅到人類的生存。為了保護我們賴以生存的家園,世界各國開始重視在使用能源的同時加強環境保護。各國針對自身的國情研發清潔能源,走可持續發展之路[1]。在眾多新能源發電系統中,風光互補發電系統得到了各國的青睞。該系統是將風能發電和太陽能發電相結合,其資源豐富,環保清潔,是性價比很高的一種新型能源發電系統,有很好的應用前景[2]。
風光互補發電系統中,蓄電池作為系統的儲能單元,發揮著很重的作用。在母線電壓不足的情況下,仍然可以保證系統對用戶的安全供電,確保設備的穩定運行。蓄電池的正常運行是非常復雜的化學反應,考慮到風光互補發電系統中蓄電池的實際使用情況,多處于偏遠地區,環境惡劣多變,影響蓄電池正常運行的因素變得更加復雜,為了保證蓄電池的性能、壽命和可靠性,需要對每個電池進行實時遠程監測,方便設備人員及時發現異常的蓄電池進行更換,保證系統的安全穩定[3]。
現階段有線數據監測方式已經廣泛應用到各種領域中,該方式經濟適用,但有很大的場合限制。針對這種情況,人們開始研究開發無線數據傳輸的監測控制技術。如今的無線數據傳輸方案主要有:藍牙,Zig Bee,紅外、Wi Fi、GPRS 等。其特點分析如下圖 1.1 所示:
圖 1.1  無線傳輸特點對比圖
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1.2 國內外蓄電池監測系統的發展現狀
科學技術快速發展,不斷進步,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對蓄電池的性能、使用及維護狀況進行實時監測,減少人力物力,實現對蓄電池的智能化管理[5]。 在國內,雖然對蓄電池智能監測的研究起步較晚,主要研究蓄電池常規運行參數的監測,包括單體蓄電池的電壓、內阻,蓄電池組的電流、溫度等。但是隨著研究的深入,技術逐漸成熟,很多國內企業設計出的蓄電池實時在線監測設備,已經投入到電力系統中,主要監測蓄電池的電壓、電流、內阻和溫度[6] 。其國內公司的設備介紹如下表 1-1 所示:
如今國內的研究熱點是如何準確估算蓄電池 SOC。準確預測蓄電池 SOC 可以讓工作人員了解蓄電池的工作狀態,避免電池過充或者過放,延長電池的使用壽命,保證電力系統的穩定。蓄電池 SOC 的估算方法主要有:安時積分法,內阻檢測法,開路電壓法,神經網路算法和卡爾曼濾波算法等。2017 年,朱曉青基于 BP 神經網路構建拓撲,利用 Matlab 軟件進行仿真,實現對蓄電池 SOC 的估算,實驗誤差不超過 4%。
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第二章 蓄電池的工作原理及主要性能參數

2.1 蓄電池的工作原理
鉛酸蓄電池是一種可以將電能與化學能進行相互轉化的直流供電裝置。蓄電池的正極為二氧化鉛(PbO2),是一種活性物質,電解液為稀硫酸溶液,負極為海綿鉛(Pb),也是一種活性物質。當蓄電池正常運行時,其內部發生復雜的化學反應。放電時,正極上 Pb O2的化學能轉化成電能同時生成硫酸鉛(PbSO4)和水(H2O)。充電時,電池等同于一個負載,流入電池內部的電流與放電時的方向相反,電能被轉化成化學能,其中的活性物 PbSO4轉化為 Pb O2、H2SO4和H2O,這樣蓄電池就完成了“二次充電”,讓電池回收勢能,下次放電時可以繼續提供電能,這是蓄電池的工作原理。其化學反應方程式如下:
蓄電池總化學反應方程式:
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2.2 蓄電池的主要性能參數
2.2.1 蓄電池的充放電特性
1.充電方法
如今蓄電池的充電有很多方法,主要包括恒流充電法、恒壓充電法、恒流恒壓充電法(又稱兩階段充電)等[9]。
A.恒流充電法
恒流充電法:對蓄電池充電時,保持充電電流不變,其電壓/電流曲線圖如圖 2.1 所示。該方法的優點是控制邏輯簡單,充電速度快。但也存在很大的缺點,相對于電池本身,剛開始的充電電流可能偏小,隨著充電進行,到后期,充電電流偏大,電壓過高,對電池沖擊很大,容易造成電池損傷,降低壽命[10-11]。
圖 2.1  蓄電池恒流充電法的曲線圖
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第三章 基于擴展卡爾曼濾波算法的蓄電池 SOC 動態估算 .................................. 13
3.1 蓄電池 SOC 定義及估算方法 ................................... 13
3.2 擴展卡爾曼濾波算法 ..................................... 13
3.3 電池等效電路模型的建立和參數擬合 ................................. 17
第四章 蓄電池無線遠程監測系統的總體設計 ........................... 24
4.1 蓄電池遠程監測系統的總體結構 ............................... 24
4.2 系統下位機的設計方案 ........................... 24
4.3 GPRS 傳輸模塊的設計 ............................. 30
第五章 阿里云服務器端軟件設計與實現 ............................................ 34
5.1 阿里云服務器的環境搭建 .................................... 35
5.2 數據交互 .................................... 38
5.3 MySQL 數據庫設計 ....................... 43

第五章 阿里云服務器端軟件設計與實現

5.1 阿里云服務器的環境搭建
為了實現整個系統的設計運行,首先要租用一個阿里云服務器,考慮到研究成本和配置,實行包年租用。其次為了能夠實現系統的遠程監測,使用戶隨時隨地可以通過網頁客戶端查看監測數據,本文需要在服務器上安裝 JDK(JavaDevelopmentKit),MySQL 數據庫,tomcat,Navicat for MySQL,Eclipse 等軟件,并進行相應環境配置。阿里云服務器的公網 IP 地址:39.96.160.49,端口號:6666。
5.1.1 JDK 的安裝
本文是利用 Java 進行開發,所以離不開 Java 開發的核心——JDK 軟件開發工具包。工具包包括開發所需的基礎環境和類庫。其版本為 jdk1.8.0_172。 安裝過 JDK 后,設置環境變量,右擊桌面上的“這臺電腦”圖標,選擇“屬性”,在彈出的控制面板主頁中單擊“高級系統設置”選項,隨后在“系統屬性”對話框中單擊“環境變量”按鈕,彈出“環境變量”對話框,操作如圖 5.4 所示。
圖 5.4 JDK 環境設置
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第六章 工作總結與展望

6.1 工作總結
本文的研究對象為風光互補發電系統中的鉛酸蓄電池,通過對蓄電池的工作原理和主要性能參數的了解,制定了一套基于 GPRS 的蓄電池無線遠程監測系統。該系統的主要目的是方便工作人員可以隨時隨地通過網頁對蓄電池的主要性能參數進行遠程監控,及早的發現有問題的電池,延長蓄電池的使用壽命,保證電力系統的穩定,有一定的實用價值。同時本文根據現階段的研究趨勢,對蓄電池荷電狀態(SOC)的估算方法進行了研究。選用擴展卡爾曼濾波算法對蓄電池 SOC進行估算,通過 Matlab 軟件進行仿真,實驗結果的估算誤差小于 1%,驗證了擴張卡爾曼濾波算法的有效性。論文具體做的工作分為下面幾個部分:
1.對蓄電池的工作原理以及電池主要運行參數進行介紹,  更好地了解蓄電池正常運行的各項指標,為系統監測、數據分析打好基礎。
2.對蓄電池 SOC 的估算方法進行研究。選用擴展卡爾曼濾波算法對蓄電池 SOC 進行估算,利用 Matlab 軟件進行仿真,仿真結果表明,該算法可以有效估算蓄電池 SOC,控制誤差小于 1%。
3.對整個無線遠程監測系統進行介紹。首先,對系統下位機詳細介紹。包括系統主控制器STM32F407VET6 的性能及原理圖,電源電路的硬件設計,充放電主電路的硬件設計,電壓測量電路的硬件設計,電流測量電路的硬件設計,內阻測量電路的硬件設計,溫度測量電路的硬件設計。其次說明 GPRS 通信模塊的設計,包括硬件設計和軟件設計。最后對系統上位機做簡單介紹。
4.后臺設計,本文后臺運用阿里云服務器,在阿里云服務器中完成項目所需環境搭建。安裝設計好 MySQL 數據庫,與下位機建立 TCP/IP 通信,運用 Java 編程實現數據交互,將數據存儲在數據庫中。在數據庫中對數據進行處理,最后通過數據庫發送給網頁客戶端。
5.網頁客戶端設計,為了使用戶可以隨時隨地觀測監測數據,本文運用 B/S (Browser/Server,瀏覽器/服務器模式)架構,設計用戶登錄頁面以及網頁顯示頁面,實時反映蓄電池當前運行狀態。最后,對下位機和網頁客戶端進行實物模型聯合測試,驗證系統的功能。
參考文獻(略)


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