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电动汽车的同步数据检测与无线诊断工具
开发多用途无线传感器系统
Daniel Breuer, Philip Dost, Constantinos Sourkounis
Institute for Power Systems Technology and Power Mechatronics
Ruhr-University Bochum
Bochum, Germany
daniel.breuer@rub.de, dost@enesys.rub.de, office@enesys.rub.de
摘 要：本文介绍了一种可以测量物理变量电压、电流和温度，以及其他所需数据的传感器系统。该系统是各种电力供应，特别是用于电动汽车的理想诊断工具。为保持最大的灵活性，所有传感器单元都通过无线局域网（WLAN）连接进行通信，并以相同的方式同步。同步数据采集工作的采样频率高达8kHz。锂离子电池紧凑的与微处理器等所有需要供电的设备安装在一起，并且配备用于存储高达32GB的本地数据的微型SD卡。由于体积小，传感器单元可以在紧凑的空间中使用，支持连续40小时的数据采集，测量值的精度为16位，并实时流到WLAN网络中。因此需要同时开发一个合适的应用程序来查看流数据。单次测量开始和结束时间可以通过用户自定义，采样频率和数据连接等配置以无线方式更新，传感器单元配备了多个附加通信接口，如SPI、I2C、1-Wire和CAN。在整个硬件和软件开发过程中，尤为注重高灵活性、可扩展性以及使用性能。对于具有以上需求的用户，无线诊断系统是极具吸引力的。本文研究表明，所开发的无线传感器系统是替代传统测量设备的一种很好的方案，由于无需布线，因此其优点是具有潜在的自由性，便于使用。
关键词：无线局域网； 无线传感器网络； 电流测量； 电压测量； 温度测量； 数据采集远程监控； 状态监测； 分流（电气）； 物联网；
一、导言
在电动汽车的发展和研究中，电池和能量监测是一项经常需要的任务。然而，布线和数据采集设备的设置往往非常耗时。为了使这项任务更加方便，开发了一个无线传感器系统，该系统利用“物联网”[1]的机制来获取所需的数据并实时提供。可以连接多个传感器单元，在星型拓扑结构中形成无线传感器网络(WSN)[2]。商业上已存在一些设备可以测量数据并通过无线方式提供数据，例如无线万用表[3]或无线温度记录器[4][5]。还有一些测量温度、湿度或其他模拟信号[6]的传感器，它们通过以太网传输数据。在工业上，有线传感器测量电流和电压的用途之一是监测电动汽车中的电池[7]。有线通信的缺点是会将不需要的信号从环境耦合到用于通信的电缆中，从而导致噪声测量。这对于参数化和验证过程尤为重要，因为在这些过程中，需要没有干扰的精确数据。在空间有限或距离太大的情况下，甚至不可能将传感器连接起来进行通信，有线传感器网络在安装配置上很烦复杂或价格昂贵。另外，可用的无线传感器要么使用采样率太低，无法对动态过程进行详细分析，要么不允许实时监控，也不允许有线和无线传感器的组合。
对于动态过程，例如，在汽车应用中，对于流过转速超过3000rpm的电动机的电流，采样率必须在1kHz以上。为了估算该情况下所需的采样率，假设电机转速为3000rpm，这就产生了50Hz的信号频率。为了合理测量交流电压和电流，采样率应高出10倍（500Hz）。当使用多相电机时，采样率必须与极数相乘。对于p=2，采样率应该是至少1kHz。因此，要想合理的解决动态过程，采样频率需要8kHz。
我们所提出的无线传感器网络不仅具有实时监测的高采样率，同时将有线和无线传感器单元结合在一个网络中。该传感器网络中，在此采样速率下，主传感器的分辨率为16位（每个传感器单元两个）。每个传感器单元都允许远程访问测量值和单个配置文件。如果配以稳定的无线或有线连接，该系统也可作为循环测验台的硬实时硬件，未来将给这一系统添加执行器和远程电源来进行补充。该系统不仅结合当前各传感器系统的优势（例如结合高分辨率、高采样率、无线连接及实时监控），对于有个别需求的用户也具备高灵活性与可调整性。
需要说明的是，传感器一词指可用来测量物理量的元件，如温度、电压或电流。术语中传感器单元用于描述传感器系统的一个元件，该元件包含用于通信，存储和电源的所有关键部件。因此，传感器是传感器单元的一部分。术语中传感器系统或传感器网络指传感器单元的所有部件，包括用于控制，通信所需部件。
本文描述的传感器系统的扩展性能可以广泛用于诊断系统。该系统以8kHz的采样速率获取电流和电压的测量值，同时，将每个数据样本作为恒定的数据流实时无线传输。此外，还可以将多个传感器单元展开并无线连接，同步数据采样。所有传感器在同一时刻进行采样，采样周期小于125us，目前还没有可以实现无线同步，并以8kHz的采样率无线传输的传感器单元。本篇论文讨论了具备上述需求测量电压、电流和其他物理值的WSN。为了介绍传感器单元，图1展示了尺寸为120.8mmtimes;84mmtimes;26.5mm（没有天线和分流电阻）的无线传感器的紧凑单元。天线是可选的，内部天线可在短距离内提供足够的信号强度，穿墙或在一个有许多无线网络干扰地区的长距离需要使用较大的外部天线。分流电阻器通过两个螺丝连接在金属管上，使其易于更换。所有连接均可从外部连接，这使得连接外围设备时无需拆解，如外部传感器，微型SD卡[8]，分流，天线等。
图1. 无线传感器单元的CAD绘制
本文的其余内容如下。下一章讨论了传感器系统使用的简易性。在第三章描述了可测量的物理变量，以及用于测量值的物理原理，测量模拟值的多种方法及其理论分辨率。在第四章中讲述了无线数据传输，以及所需数据速率和使用的协议。第五章概述了数据存储特性和存储介质，以及实现连续数据记录的时间跨度。最后，在第六章进行结论总结，并提供了测量组件的验证，对所有通道的实际分辨率和噪声进行了测试。
二、应用便捷性
该无线传感器系统具有高数据完整性的快速、安全的测量装置。减少了在设置中出现的错误，特别是潜在的损失和传感器系统的损坏。此外，系统的处理变得非常容易，节省了时间。
测试床往往比较复杂，但数据质量尤为重要。标准测量设备往往需要中心化的测量体系结构，通过电缆连接测量设备和测试台，这就导致了干扰的引入。我们所提出的无线传感器网络的优点是无线设置，传感器可以连接到任何电位，无需担心潜在的损失。此外，使用无线通信无需电缆通过测试床，由于传感器单元之间无线连接，有故障或误操作时只会损坏单个传感器单元。因此该系统具备处理更快，节省时间，避免故障，节约成本的优点。
为了应用于测试台，各传感器单元允许根据测量值进行方便的调整。例如，测量电流的分流器使用两个螺丝接入，便于调整。传感器单元的小尺寸允许在很小的空间内应用，它的附加功能也是为了便于使用而设计的；没有连接分流器时，电压测量可通过香蕉插孔用相同的传感器输入处理，因此可用于电压或电流测量；螺丝端口可连接到CAN总线，插针可通过SPI、I2C和其他通信协议与其他硬件传感器轻松连接。SD卡可以通过各种网络协议访问，甚至从传感器单元中分离出来，通过读卡器访问。
为了监督更大范围WSP中传感器单元的状态，单个传感器单元不仅通过LED发光二极管来指示其状态，同时还会主动传递自己的功能状态。这意味着用于数据采集的工具（例如。LabView-Tool[9]或移动电话应用程序）不仅表明了车载电池的充电状态，同时也传递了连接质量，车温等。这些信息允许监视WSN中的传感器单元并及时安排预防措施，如充电或从车载存储中清理数据等。
三、物理测量通道
传感器单元的传感器可以测量物理变量电压、电流、温度和湿度。每个测量通道具有各自的采样率、分辨率和使用的物理原理。图2给出了与外围传感器设备进行通信的模拟输入通道和数字接口的原理图。由于没有标准化的符号可用于此上下文，因此选择描述性符号。
图2. 无线传感器单元的模拟输入通道和数字通信接口
- 电流测量
测量流过电源（例如：电池）和连接的设备的电流时，每个传感器单元使用并联电阻器，通过这个电阻器的电流会产生一个小的可测量压降。为获得压降的精确数值，该装置使用专用芯片AS8510[10]。设计用于测量低噪声的小电压并将电压转换为分辨率为16位的数字值。这一原理也可应用于汽车环境，如电动汽车BMW i3 [7]。
本文采用电阻为100mu;Omega;的并联电阻来测量-500A至500A范围内的电流[11]。在并联电阻器中。样本的分辨率为16位，离散化理论上可识别15,259mA的电流差异（见eq.1）。
(1)
对于电流通道，AS8510被配置为采样率为8kHz电压范围为plusmn;50mV的输入。使用通孔端子，可以将交换分流器或其他设备与标准4毫米实验室插孔连接。
- 电压测量
电压源的电压电平，对于直接使用ADC测量来说通常太高。因此，使用精确的电阻分压器来匹配ADC的测量范围。同样，可提供宽度为16位的电压数字表示的AS8510[10]被用作电压测量的可选芯片。该芯片测量范围为plusmn;50mV，理论分辨率为50mV/32767=1,525mu;V。
微处理器内部ADC也可用于测量，样本宽度为12bits，范围为0V至1V。选择合适的分压器，当已知最大输入电压并选择两个电阻（R1）之一时，即可完成所需应用。示意图由[12]给出。
电阻分压器第二电阻的计算公式为：
(2)
是模数转换器（ADC）的电压，分压器根据所用ADC有所调整。
- 附加传感器
WSN的每个传感器单元都配备了多个接口，用于与不同类型的外围传感器进
行通信。例如，采用低成本温湿度传感器获取空气环境温湿度数据。
1）温度和湿度
温度测量的位置与应用程序相关，并且可能远离传感器单元本身。我们使用一个小型外部传感器来保证通用的温度测量。无线单元可连接多种类型的传感器。有些传感器成本较低，例如，AM2302[13]。虽然AM2302不能与多个温度传感器共通总线，但它相对便宜，并且可以测量温度和湿度，测量分辨率为0.1%相对湿度和0.1°C。AM2302的采样率为2Hz，与电压和电流通道相比相对较低，但足以测量温度变化以中等速度发生的过程，例如在环境条件下的温度变化。如果需要，也可应用其他更快的传感器。
2）其他所需传感器的使用
所需传感器都可以通过使用SPI、I2C、CAN或1-Wire接口来应用。温度传感器的另一个例子是可以使用1-Wire总线[14]和多个温度探头的DS18B20[15]。多个温度可以由一个无线传感器单元测量，只使用一个GPIO引脚。该1-Wire总线独立的引脚，可以从无线传感器单元的外部访问。如果需要更快的数据采集，SPI总线允许与ADC设备进行快速通信，每秒采样8000次。
CAN总线接口在汽车应用中具有特殊的应用价值，它允许在车辆中与CAN总线通信，如果需要，可以通过只监听它来对总线上的消息进行监视。两种选择都是可行的，数据可以通过现有的总线系统传输，也可以从CAN总线中获取。为了支持不同外设，计划在固件中实现驱动程序，进行无线更新。
四、相关数据汇总
A. 选择无线传输标准
如图3所示，有多种无线传输标准可供选择，其范围和实现的数据速率差别很大。要选择一个合适的标准，需要知道所需的数据速率以及范围。考虑到作为诊断数据采集工具的使用，无线数据传输所需的范围可以从几米到100米不等。为了确保最大的灵活性，应优先考虑更高范围的标准。
图3. 无线电台标准的比较：数据率与范围[1]
测量实时数据流所需的数据速率主要由通道电压和电流组成，采样频率8kHz。每个值都为16bit，传感器单元的数据传输速率为。此外，外围传感器以及有关无线传感器状态的数据的附加在数据流中总数据速率为。为确保最大的数据完整性，所有测量值都本地存储在存储媒体上的无线传感器单元中。这些数据在测量完成后提供，无需物理访问存储。为了使数据无线可用，数据传输速率应该远远高于所需的最小值，否则，访问数据所需时间将与整个测量过程所需时间相同。
现有的无线传感器系统在设计时还应考虑日后扩展的便捷性，避免增加新设备时的额外费用。根据这些要求我们选择IEEE802.11[16] 标准。根据该标准，在2.4GHz的频带中使用WLAN，数据可以传输超过100m[17]，数据传输速率达到100Mbit/s以上，使得数据的处理快捷方便。此外，可实现与监控系统的无特殊装备简单连接，如LabView[9]程序或手机应用程序。
B. 查看实时数据流
我们可以在实时数据流中远程随意查看测量值，测量值与状态数据捆绑。然后使用UDP协议发送此数据包，该协议确保数据包的快速传递。UDP的缺点是无法保证数据的完整性，有些数据包在传输过程中会丢失。为解决这一问题，所有数据同时会在本地存储，这在第五部分中描述。
为了确保最大的灵活性，开发了多种查看流数据的方法。在PC端有LabView[9]软件，它列出了所有可用的传感器单元，并显示和积累流数据，任何LabView程序中都可以应用LabView连接来进行单独的分析。在Android系统中，也有相关应用程序来显示相关数据。由于所有数据都是本地存储在无线传感器单元中，因此最方便的是无线访问，很多传输协议均可实现。FTP协议可用于访问传感器单元、大容量存储和下载具有保证数据完整性的测量数据。传感器
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