Zakład Systemów Zasilania (Z5) Zastosowanie techniki bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych do celów monitoringu telekomunikacyjnych systemów zasilania, baterii akumulatorów oraz sterowania funkcją wyrównywania napięć Praca nr 05300026 Warszawa, grudzień 2006
Opracowanie: Zastosowanie techniki bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych do celów monitoringu telekomunikacyjnych systemów zasilania, baterii akumulatorów oraz sterowania funkcją wyrównywania napięć Praca nr 05300026 Słowa kluczowe: Monitoring ;Bezprzewodowa transmisja danych; Systemy pomiarowe Kierownik pracy: Wykonawcy pracy: mgr inż. Maciej Kozyra mgr inż. Robert Samborski mgr inż. Edward Chrustowski mgr inż. Andrzej Binkiewicz inż. Paweł Kliś tnk Kanicki Krzysztof tnk Stułka Andrzej tnk Genowefa Dziuba Kierownik zakładu: inż. Paweł Kliś Copyright by Instytut Łączności, Warszawa 2006 2
Spis treści 1 Cel Pracy... 4 2 Wprowadzenie... 4 3 Kryteria doboru podzespołów... 5 4 Przegląd podzespołów i elementów dostępnych na rynku i analiza ich parametrów pod kątem wykorzystania w systemie... 5 4.1 Podsumowanie Przeglądu Mikrokontrolerów... 5 5 Przegląd zastosowanych modułów... 6 5.1 Mikromodułów mikroprocesorowych... 6 5.1.1 MMSAM7S256... 6 5.1.2 MMLPC2138... 8 5.2 Płyty uruchomieniowe... 10 5.2.1 EVBSam7s... 10 5.2.2 EVBSamLPC213x... 12 5.3 Moduły Radiowe... 14 5.3.1 MMRF211... 14 6 Oprogramowanie Modułu Radiowego Wyrównywacza... 17 6.1 Moduły funkcjonalne... 17 6.2 Algorytm... 18 6.2.1 Interfejs użytkownika... 23 7 Oprogramowanie Modułu Radiowego Systemu Nadzoru... 24 7.1 Moduły funkcjonalne... 24 7.2 Algorytm... 25 7.3 Protokół komunikacyjny... 29 8 Zarys koncepcji radiowego systemu nadzoru nad modułami wyrównywaczy... 30 8.1 Opis koncepcji systemu... 30 9 Realizacja szkieletu systemu... 34 10 Wyniki badań laboratoryjnych nadajnika MMRF211... 35 10.1 Moc promieniowana nadajnika... 35 10.2 Emisje niepożądane nadajnika... 36 10.3 Podsumowanie wyników badań MMRF211... 41 11 Badania Systemu Radiowego w siłowni... 41 12 Podsumowanie i wnioski... 41 3
1 Cel Pracy Celem projektu jest budowa systemu monitoringu bezprzewodowego posiadającego funkcję wyrównywania napięć na poszczególnych blokach/ogniwach. Technologia bezprzewodowej dwukierunkowej transmisji danych cyfrowych pozwoli na stworzenie w pełni skalowanego, stosownie do potrzeb, systemu monitorującego nie związanego z żadnym elementem systemu zasilania (przetwornicą, przekształtnikiem etc.). Technologia bezprzewodowa pozwoli uprościć znacząco okablowanie pomiarowe baterii (dużych). 2 Wprowadzenie Obecnie stosowane układy monitoringu nie pozwalają na wyrównywanie napięć poszczególnych bloków/ ogniw. Rozwój i spadek cen transceiverów pracujących w wolnodostępnym paśmie ISM 433 MHz pozwala na masowe adaptacje i projektowanie nowych systemów nadzoru. Bezprzewodowa wymiana danych pozwoli na uproszczenie gromadzenia danych przez systemy nadzoru (SN), a także na możliwość tworzenia wirtualnych systemów nadzoru. Tego typu systemy będą pozwalały na klejenie za pomocą łączy radiowych nowych parametrów, których nie uwzględniono w trakcie tworzenia SN i przyspieszenie montażu systemów nadzoru w takcie zwykłego przeglądu eksploatacyjnego systemów zasilania. Akwizycja, agregacja i transmisja tanich w tego typu rozwiązaniach staje się bardzo elastyczna. W przypadku dużych bloków bateryjnych, konieczne jest projektowanie nowych instalacji, aby wprowadzić niewielkie zmiany w istniejących SN. Podwyższa to koszty i zwiększa czas trwania remontu/przegląd, a dodatkowo wydłuża i podraża proces przeglądu i wymaga zaangażowania dodatkowych osób weryfikujących poprawność wykonanej pracy. Istniejące systemy bezprzewodowej wymiany danych pozwalają na takie zaprojektowanie SN aby większość z ww. czynności zautomatyzować. Otwiera także nowe możliwości wprowadzenia wirtualnych systemów nadzoru, tworzonych dynamicznie w zależności od potrzeb lub możliwości finansowych odbiorców 4
3 Kryteria doboru podzespołów W trakcie doboru elementów i podzespołów w pracy kierowano się kilkoma kryteriami. Podstawowym kryterium była cena i powszechna dostępność układów na rynku. Do pozostałych należały: nowoczesność układów zastosowanych w aplikacji, otwartość wykorzystanego oprogramowania, wsparcie ze strony więcej niż jednego producenta i możliwie najlepszy współczynnik możliwości do ceny wybieranych układów. 4 Przegląd podzespołów i elementów dostępnych na rynku i analiza ich parametrów pod kątem wykorzystania w systemie 4.1 Podsumowanie Przeglądu Mikrokontrolerów Przeprowadzona analiza funkcji realizowanych przez mikrokontrolery prezentowanych powyżej firm pozwala na postawienie tez, że w przypadku realizacji układu wyrównywacza z funkcją nadajnika radiowego w oparciu o mikroprocesor 32 bitowy wydaje się trafnym wybór procesorów ARM firmy Atmel z rdzeniami ARM7STDMI. Firma Atmel oferuje wiele procesorów 32- bitowych wraz z darmowymi narzędziami do ich programowania. Procesory te mogą być przeprogramowywane w zrealizowanych aplikacjach bez konieczności ingerencji fizycznej w układ. W przypadku konieczności zastosowania mikrokontrolerów o wyższej wydajności od rodziny ARM7STDMI, należałoby zastosować procesory z rdzeniem ARM9TDMI. Oferuje je bardzo wiele firm. Uniezależniło by to użytkowników procesorów od dyktatów cenowych konkretnych firm, ponieważ oprogramowanie napisane na ARM daje się łatwo adaptować na różne mikrokontrolery, należy jedynie zainwestować w oprogramowanie wspierające procesory wielu producentów. Można zastosować oczywiście oprogramowanie GNU dla procesorów ARM, wspierane przez wiele ośrodków uniwersyteckich na całym świecie. 5
Elementy wykorzystywane w radiowym systemie monitoringu 5 Przegląd zastosowanych modułów 5.1 Mikromodułów mikroprocesorowych 5.1.1 MMSAM7S256 MMsam7s jest uniwersalnym minimodułem dla mikrokontrolerów AT91SAM7S firmy Atmel. Mikrokontroler ten jest dostępny w obudowie TQFP64, która ze względu na zagęszczony układ wyprowadzeń utrudnia stosowanie go w układach prototypowych. W pracy posłużyliśmy się modułem procesorowym na płytce o wymiarach 36x36 mm z układem wyprowadzeń pasującym do ogólnie dostępnych druków prototypowych. Dodatkowo modył ten posiada stabilizator 3.3 V oraz pamięć szeregową DataFlash o pojemności do 4MB. Wszystkie porty i sygnały mikrokontrolera wyprowadzono przy pomocy dwurzędowych złącz szpilkowych o rastrze 0,1. Minimoduł ten jest kompletną płytą główną dla AT91SAM7S. Do samodzielnej pracy układu należy podłączyć napięcie zasilania, w przypadku programowania zaś złącze JTAG lub gniazdo USB. Dzięki zintegrowaniu peryferii z mikrokontrolerem na jednej płytce, zastosowanie modułu skraca czas projektowania i ułatwia budowę systemów bazujących na mikrokontrolerach AT91SAM7S, eliminując konieczność projektowania obwodu drukowanego. 6
Schemat 1 7
5.1.2 MMLPC2138 MMlpc213x jest uniwersalnym minimodułem dla mikrokontrolerów LPC213x firmy Philips. Mikrokontroler ten jest dostępny w obudowie TQFP64, która ze względu na zagęszczony układ wyprowadzeń utrudnia stosowanie go w układach prototypowych i amatorskich. Minimoduł to płytka o wymiarach 36x36 mm z układem wyprowadzeń pasującym do ogólnie dostępnych druków prototypowych. Dodatkowo wyposażona w stabilizator 3.3 V oraz pamięć szeregową DataFlash o pojemności do 4MB. Wszystkie porty i sygnały mikrokontrolera wyprowadziliśmy przy pomocy dwurzędowych złącz szpilkowych o rastrze 0,1. Minimoduł ten jest kompletną płytą główną dla LPC213x. Wystarczy podłączyć napięcie zasilania, złącze JTAG i możliwe jest ładowanie 512 kb pamięci Flash mikrokontrolera. Dzięki zintegrowaniu peryferii z mikrokontrolerem na jednej płytce, zastosowanie modułu skraca czas projektowania i ułatwia budowę systemów bazujących na mikrokontrolerach LPC213x, eliminując konieczność projektowania obwodu drukowanego. Schemat minimodułu zamieszczono poniżej 8
Schemat 2 9
5.2 Płyty uruchomieniowe 5.2.1 EVBSam7s Płyta EVBsam7s umożliwia projektantowi systemów opartych na minimodule MMsam7s obudowanie wewnętrznych urządzeń mikroukładu o układy komunikacyjne i niezbędne łącza uniwersalne do bazy sprzętowej umożliwiającej szybki i łatwy sposób realizacji i weryfikacji swojego pomysłu. Płyta została zaprojektowana w taki sposób, aby użytkownik miał dostęp do wszystkich końcówek modułu wyprowadzonych na złącza. Na płycie zostały także umieszczone peryferia takie jak: diody LED, przyciski, potencjometry, wyświetlacz LCD, interfejs RS232, złącze 1-Wire. Wszystkie te elementy są dostępne na złączach szpilkowych, pozwalając na podłączenie ich do np. dowolnego portu procesora. Płyta posiada także duże pole prototypowe, dające użytkownikowi możliwość dołączania w łatwy sposób innych elementów i dowolnej ich konfiguracji. Na płycie umieszczony jest również zasilacz zwalniający użytkownika z obowiązku dostarczania stałego napięcia stabilizowanego. Schemat modułu zamieszczamy poniżej 10
Schemat 3 11
5.2.2 EVBSamLPC213x Płyta EVBlpc213x powstała umożliwia projektantowi systemów opartych na minimodule MMlpc213x obudowanie wewnętrznych urządzeń mikroukładu o układy komunikacyjne i niezbędne łącza uniwersalne do bazy sprzętowej umożliwiającej w szybki i łatwy sposób realizacji weryfikacji projektów realizowanych na jego podstawie. Płyta została zaprojektowana w taki sposób, aby użytkownik miał dostęp do wszystkich końcówek modułu wyprowadzonych na złącza. Na płycie zostały także umieszczone peryferia takie jak: diody LED, przyciski, potencjometry, wyświetlacz LCD, interfejs RS232, złącze 1-Wire. Wszystkie te elementy są dostępne na złączach szpilkowych, pozwalając na podłączenie ich do np. dowolnego wyprowadzenia procesora. Płyta posiada także duże pole prototypowe, dające użytkownikowi możliwość dołączania w łatwy sposób innych elementów i dowolnej ich konfiguracji. Dzięki nacięciu pomiędzy polem prototypowym a resztą płyty, może ono zostać odłamane. Na płycie umieszczony jest również układ prostownika i stabilizatora. Schemat płyty EVBlpc213x zamieszczamy poniżej 12
Schemat 4 13
5.3 Moduły Radiowe 5.3.1 MMRF211 MM86rf211 jest miniaturowym, kompletnym modułem nadawczo-odbiorczym (transceiverem), zbudowanym w oparciu o układ AT86rf211 firmy Atmel. Moduł pracuje w wolnodostępnym paśmie ISM 433MHz i zawiera wszystkie niezbędne do pracy elementy, oprócz anteny. Gotowego modułu obniża koszty realizacji układów korzystających z funkcji radiowych od konieczności projektowania części systemu pracującej z częstotliwościami radiowymi oraz kompletowania odpowiednich elementów. Dziki temu budowa systemów wykorzystujących komunikacji radiowej staje się szybsza i prostsza. Układ AT86rf211 jest jednoukładowym transceiverem UKF, przeznaczonym do aplikacji o małym poborze mocy i niskim napięciu zasilania. Może być używany przy częstotliwościach mieszczących się w zakresie 400-950MHz.Szczegółowe informacje dotyczące układu AT86rf211 można znaleźć na stronie producenta: www.atmel.com MM86rf211 komunikuje się z mikrokontrolerem poprzez dwa szeregowe interfejsy: jeden z nich służy do konfigurowania układu a drugi do przesyłania i odbierania danych poprzez łącze radiowe. MM86rf211 może być użyty zarówno do prototypu, eliminując konieczność projektowania obwodu drukowanego, jak i do układu finalnego, w którym minimoduł montowany jest w postaci "kanapki". Główne cechy modułu Kompletny, gotowy do użycia transceiver Małe wymiary Montaż poziomy lub pionowy Praca w paśmie 433 MHz Prędkość transmisji do 64 kbaud Napięcie zasilania: 2.4 3.75 V Niski pobór mocy, różne tryby pracy Moc wyjściowa programowana w zakresie 0 do 14 dbm Wysoka czułość -105 dbm 14
Pomiar RSSI (Received Signal Strength Indicator wskaźnik poziomu odbieranego sygnału) Programowana częstotliwość nadawania i odbioru Programowa i sprzętowa kontrola mocy nadawania Schemat modułu zamieszczono na następnej stronie 15
Schemat 5 16
6 Oprogramowanie Modułu Radiowego Wyrównywacza 6.1 Moduły funkcjonalne Program główny inicjuje wszystkie parametry procesora, jego urządzeń wewnętrznych, definiuje stałe i inicjuje zmienne programu oraz tworzy pętle przetwarzającą komunikaty. Każde z urządzeń wykorzystuje przerwania sprzętowe do realizacji poszczególnych funkcji wykonywanych przez urządzenia. Wszystkie programy obsługi mają przypisany odpowiedni priorytet w wewnętrznym kontrolerze przerwań. Czas obsługi przerwania jest zróżnicowany. Procedury wymagające długich obliczeń takie, jak przetworzenie danych pomiarowych są inicjowane przez przerwanie od timera1, który wysyła komunikat do programu głównego poprzez ustawienie flagi obsługi w zmiennej stanu programu głównego i ustawienie odpowiednich wartości parametrów wymaganych do analizy. Porty szeregowe procesora wykorzystywane są jako interfejsy komunikacyjne. Użytkownik może się skomunikować z programem wyrównywacza za pomocą modułu radiowego RF211 lub też poprzez port szeregowy USART1. Konfiguracja modułu radiowego odbywa się za pomocą i PIO (Parallel Input/Output Controller ) i jest wykonywana przed procedurami komunikacji radiowej. Wstępne nastawy parametrów komunikacyjnych realizuje się w trakcie 17
programowania i są one przechowywane w pamięci flash. W trakcie działania wyrównywacza tj po zainicjowaniu programu po ustabilizowaniu się parametrów zasilania tj po ok. 100ms podstawowe rozpoczyna się realizacja funkcji wyrównywania i trwa ona nieprzerwanie. 6.2 Algorytm Program główny stanowi nieskończona pętla przetwarzania komunikatów. Wszystkie parametry konieczne do realizacji programu głównego, są obliczane w programach obsługi urządzeń, bądź też przez funkcje obsługi. Komunikacja wyrównywacza z otoczeniem może być zainicjowania poprzez MMRF211 lub tez USART1. RF211 Odbiera sygnały radiowe w paśmie 433MHz i po odebraniu ramki startowej wywołującej go, przechodzi w stan nadawania i wysyła uprzednio przygotowany rekord z danymi i kodami CRC dwukrotnie. Po nadaniu przechodzi w stan odbioru i oczekuje na następne wywołanie. Komunikacja poprzez USART1 (US1) działa równolegle z modułem radiowym. US1 umożliwia zmianę parametrów i wyświetlanie danych transmitowanych jak i odbieranych poprzez wyrównywacz. Obecnie zrealizowano możliwość wyświetlanie aktualnych parametrów wyrównywacza i RF211, zmiany czułości RF211, regulację progu zadziałania RF211, wyświetlanie bieżących wartości pomiarowych. Składowanie danych jest zrealizowane w pamięci FLASH. Dane inicjowane w tracie procedury startowej jak i zapisywane w trakcie wykonywania programu za pomocą magistrali SPI są zapisywane do pamięci. Rekord danych jest zapisywany w pamięci pod kolejnym adresem wskazywanym przez wskaźnik wolnego miejsca. Po wypełnieniu całej pamięci dane ponownie są zapisywane od początku zamazując najstarsze dane i tak cyklicznie. Sterowanie procesem wyrównywania napięć nie korzysta aktualnie z danych zgromadzonych w pamięci FLASH. Są one przechowywane ze względu na system nadzoru, który w przyszłości będzie mógł pobrać gromadzone dane pomiarowe. Dane pomiarowe przechowywane są w tablicach pomiarowych adc dane z przetwornika ADC, temp dane z czujnika temperatury i prąd - dane z inteligentnego bocznika pomiarowego. Horyzont czasowy tablicy zależny jest od nastawionej częstotliwości dokonywania pomiarów. W przypadku maksymalnych rozdzielczości o częstotliwości odczytu decyduje wartość prądu której wartość możnemu odczytać co ok. 5s. Zegar czasu rzeczywistego kontrolera RTT umożliwia nam zapisanie bieżącego czasu pomiaru jest on zapisywany w każdym rekordzie pomiarowym stanowiąc jego indeks główny. 18
19
20
21
22
6.2.1 Interfejs użytkownika Komunikacja z użytkownikiem odbywa się poprzez port szeregowy USART1. Wyświetlenie menu jest realizowane poprzez wysłanie m lub M. Zmiana parametrów jest realizowana poprzez wybranie parametru np.: t / T czułość modułu radiowego, h / H wartość histerezy sygnału odbieranego 5 - ustawienie progu komparatora, a - wyświetlenie wszystkich parametrów, s zapis aktualnie ustawionych parametrów do pamięci FLASH, = / - inkrementacja, dekrementacja aktualnie zmienianego parametru, + / _ mnożenie, 23
dzielenie parametru przez stałą zadaną w programie np. 1,20. włączenie/wyłączenie wyświetlania danych pomiarowych. 7 Oprogramowanie Modułu Radiowego Systemu Nadzoru 7.1 Moduły funkcjonalne Rysunek 1 Rysunek 1 przedstawia funkcjonalny podział relacji urządzeń wewnętrznych procesora i programów obsługi. Program główny inicjuje wszystkie parametry procesora, jego urządzeń wewnętrznych, definiuje stałe i inicjuje zmienne programu oraz tworzy pętle przetwarzającą komunikaty. Każde z urządzeń wykorzystuje przerwania sprzętowe do realizacji poszczególnych funkcji wykonywanych przez urządzenia. Wszystkie programy obsługi mają przypisany odpowiedni priorytet w wewnętrznym kontrolerze przerwań. Czas obsługi przerwania jest zróżnicowany. Procedury wymagające długich obliczeń takie, jak przetworzenie danych pomiarowych są inicjowane przez przerwanie od timera1, który wysyła komunikat do programu głównego poprzez ustawienie flagi obsługi w zmiennej stanu programu głównego i ustawienie odpowiednich wartości parametrów wymaganych do analizy. Porty szeregowe procesora wykorzystywane są jako interfejsy komunikacyjne. Użytkownik może się skomunikować z programem układu nadzoru za pomocą portu szeregowego USART1. Konfiguracja modułu radiowego odbywa się za pomocą i PIO (Parallel Input/Output Controller ) i jest wykonywana przed procedurami komunikacji radiowej. 24
Wstępne nastawy parametrów komunikacyjnych realizuje się w trakcie programowania i są one przechowywane w pamięci flash. W trakcie działania wyrównywacza tj. po zainicjowaniu programu po ustabilizowaniu się parametrów zasilania tj. po ok. 100ms podstawowe rozpoczyna się realizacja funkcji wyrównywania i trwa ona nieprzerwanie. 7.2 Algorytm Program główny stanowi nieskończona pętla przetwarzania komunikatów. Wszystkie parametry konieczne do realizacji programu głównego, są obliczane w programach obsługi urządzeń, bądź też przez funkcje obsługi. Komunikacja systemu nadzoru z otoczeniem może być zainicjowania poprzez MMRF211 lub tez USART1. RF211 Odbiera sygnały radiowe w paśmie 433MHz i po odebraniu ramki startowej wywołującej go, przechodzi w stan nadawania i wysyła uprzednio przygotowany rekord z danymi i kodami CRC dwukrotnie. Po nadaniu przechodzi w stan odbioru i oczekuje na następne wywołanie. Komunikacja poprzez USART1 (US1) działa równolegle z modułem radiowym. US1 umożliwia zmianę parametrów i wyświetlanie danych transmitowanych jak i odbieranych poprzez wyrównywacz. Obecnie zrealizowano możliwość wyświetlanie aktualnych parametrów wyrównywacza i RF211, zmiany czułości RF211, regulację progu zadziałania RF211, wyświetlanie bieżących wartości pomiarowych. Składowanie danych jest zrealizowane w pamięci FLASH. Dane inicjowane w tracie procedury startowej jak i zapisywane w trakcie wykonywania programu za pomocą magistrali SPI są zapisywane do pamięci. Rekord danych jest zapisywany w pamięci pod kolejnym adresem wskazywanym przez wskaźnik wolnego miejsca. Po wypełnieniu całej pamięci dane ponownie są zapisywane od początku zamazując najstarsze dane i tak cyklicznie. Sterowanie procesem wyrównywania napięć nie korzysta aktualnie z danych zgromadzonych w pamięci FLASH. Są one przechowywane ze względu na system nadzoru, który w przyszłości będzie mógł pobrać gromadzone dane pomiarowe. 25
26
27
Interfejs użytkownika Komunikacja z użytkownikiem odbywa się poprzez port szeregowy USART1. Wyświetlenie menu jest realizowane poprzez wysłanie m lub M. Zmiana parametrów jest realizowana poprzez wybranie parametru np.: t / T czułość modułu radiowego, h / H wartość histerezy sygnału odbieranego 5 - ustawienie progu komparatora, a - wyświetlenie wszystkich parametrów, s zapis aktualnie ustawionych parametrów do pamięci FLASH, = / - inkrementacja, dekrementacja aktualnie zmienianego parametru, + / _ mnożenie, dzielenie parametru przez stałą zadaną w programie np. 1,20. włączenie/wyłączenie wyświetlania danych pomiarowych otrzymywanych z wyrównywaczy, l / L wyświetlenie aktualnie zgromadzonych danych w pamięci FLASH. 28
7.3 Protokół komunikacyjny 29
8 Zarys koncepcji radiowego systemu nadzoru nad modułami wyrównywaczy 8.1 Opis koncepcji systemu Obecnie stosowane układy monitoringu nie pozwalają na wyrównywanie napięć poszczególnych bloków/ ogniw. Rozwój i spadek cen transceiverów pracujących w wolno dostępnym paśmie ISM 433 MHz pozwala na masowe adaptacje i projektowanie nowych systemów nadzoru. Bezprzewodowa wymiana danych pozwoli na uproszczenie gromadzenia danych przez systemy nadzoru (SN), a także na możliwość tworzenia wirtualnych systemów nadzoru. Tego typu systemy będą pozwalały na klejenie za pomocą łączy radiowych nowych parametrów, których nie uwzględniono w trakcie tworzenia SN i przyspieszenie montażu systemów nadzoru w takcie zwykłego przeglądu eksploatacyjnego systemów zasilania. Akwizycja, agregacja i transmisja tanich w tego typu rozwiązaniach staje się bardzo elastyczna. System ma umożliwić budowę dużych systemów zasilania bez konieczności ponoszenia kosztów na drogie i skomplikowane okablowywanie dużych systemów bateryjnych składających się z wielu baterii rozproszonych na obszarze zasięgu transceiverów. Rozważane są trzy warianty systemu. W pierwszym wariancie system prowadzi nadzór baterii w oparciu o informacje gromadzone w wyrównywaczach baterii. Każdy z wyrównywaczy posiada pamięć wewnętrzną pozwalającą na gromadzenie pomiarów i prostą analizę zgromadzonych pomiarów, tak aby możliwe było systematyczne przesyłanie informacji w sposób uporządkowany w określonych przedziałach czasowych. Zadaniem układu nadzoru jest monitorowanie stanu baterii poprzez cykliczne odpytywanie poszczególnych wyrównywaczy o informacje o ich stanie i taka agregacja danych, aby możliwe było określenie w jakim stanie jest cała bateria, czy wręcz siłownia. 30
Rysunek 2 Wariant drugi to połączenie wyrównywaczy z układami nadzoru. Tego typu wyrównywacze będą posiadały od oprócz podstawowej funkcji wyrównywania i pomiaru parametrów baterii również funkcje układu nadzoru. Centralny układ nadzoru, jeden dla dużego obiektu, będzie umożliwiał koordynację działań siłowni w oparciu o wiedzę zgromadzoną na przez układu nadzoru niższego rzędu. Duża chmura obrazuje warstwę komunikacyjną wspólną dla wszystkich układów, małe zaś obrazują dedykowane linki komunikacyjne pozwalające na komunikację systemów nadzoru w ramach sąsiedzkiej wymiany danych pozwalającej na efektywniejsze wykorzystanie pasma i efektywniejsze przesyłanie danych w ramach miniaturowej sieci nadzoru. 31
Rysunek 3 Wariant trzeci (Rysunek 4) przedstawia układ nadzoru, w którym możliwa jest praca równoległa wielu tego typu systemów w różnych warstwach. Możliwe jest to dzięki wykorzystaniu wielu częstotliwości transmisyjnych dla poszczególnych warstw. Każdą z tych warstw należy traktować jak niezależny system nadzoru. W przypadku konieczności koordynacji działań poszczególnych warstw, najlepszym rozwiązaniem wydaje się stworzenie węzłów koordynacyjnych pozwalających na optymalne zarządzanie zasobami systemu. 32
Rysunek 4 33
9 Realizacja szkieletu systemu Pierwsze próby funkcjonowania systemu przeprowadzono w oparciu o pierwszy wariant z pierwszy ( Rysunek 2). W rozwiązaniu tym moduł nadzoru cyklicznie odpytuje układy wyrównywaczy o parametry jakie mierzą wyrównywacze tj. napięcia ogniwa/baterii, prąd, temperaturę, ładunek jaki aktualnie jest zgromadzony w ogniwie. Każdy z wyrównywaczy przechowuje pomiary w swojej wewnętrznej pamięci. Zastosowana pamięć pozwala na przechowanie średnich czterech parametrów mierzonych z częstotliwością jednego pomiaru na minutę przez okres jednego roku. Wyrównywacz w trakcie wykonywania pomiaru przetwarza dane do przesłania do postaci rekordu o określonej strukturze wraz z sumą kontrolną CRC. Po wywołaniu układu wyrównywacza, mikrokontroler układu przełącza moduł radiowy w tryb nadawania, po ustabilizowaniu się nadajnika wysyła rekord z danymi dwukrotnie. Po porównaniu obu rekordów układ nadzoru decyduje, czy transmisja się powiodła. W zależności od potrzeb może ona zostać zarówno potwierdzona lub też nie. Zależy to od trybu pracy wyrównywaczy i układu nadzoru. Dla potrzeb projektowanego systemu układ nadzoru gromadzi zarówno dane odebrane prawidłowo jak i nieprawidłowo, do celów późniejszej analizy problemów jakie stwarzają połączenia radiowe. W obecnym stanie systemu nie zaimplementowano na razie żadnych stanów alarmowych linku radiowego. Analizę taką na razie przeprowadza się na podstawie otrzymanych danych. Zbudowano także wyrównywacz pozwalający na jednoczesny pomiar i wyrównywanie czterech ogniw baterii, aby obniżyć kosz wyrównywacza spowodowany ceną modułu radiowego (cena modułu to blisko 50% ceny całego układu wyrównywacza). Aby jeszcze bardziej obniżyć cenę drugi wariant systemu wykorzystuje wszystkie funkcje pierwszego, ale jeden z wyrównywaczy oprócz funkcji wyrównywania, realizuje funkcje nadzoru. Wariant trzeci wielowarstwowy sprawdzono wyłącznie w warstwie łącza radiowego zasymulowano jednoczesne funkcjonowanie kilku warstw komunikacyjnych przy użyciu modułu sterującego wyrównywaczem, modułu radiowego i specjalnie napisanego programu testującego zadającego parametry po jednym linku radiowym na każdą warstwę 34
komunikacyjną. W warunkach laboratoryjnych po automatycznej kalibracji układów nie stwierdzono występowania błędów w budynku w obszarze ok. 50 metrów 10 Wyniki badań laboratoryjnych nadajnika MMRF211 10.1 Moc promieniowana nadajnika Tab. 1: Moc promieniowana nadajnika, pomiary natężenia pola (polaryzacja V), EN 300 220-1 clause 8.3: Effective radiated power Moc znamionowa (e.r.p.) Częstotliwość znamionowa [MHz] 433,92 Temperatura Napięcie zasilania [V] +23 o C normalne 5,0 2,3 (3,6 dbm) maksymalne minimalne maksymalne minimalne Niepewność pomiaru: poziomu ±4 db, częstotliwości ±0,1 khz. Wartości graniczne: w tabelach poniżej: Klasa urządzenia wg EN 300 220-1 < 10 mw (10 dbm) Moc promieniowana (e.r.p.) [mw] Poziom mocy w.cz. [mw] 5a 0,025 7a 5 8 10 9 25 11 100 12 500 Wg Zalecenia ERC/REC 70-03 i rozporządzenia MI z dnia 24.10.2005 r. współczynnik aktywności δ nadajnika i wartość graniczna mocy P (e.r.p.) Odstęp międzykanałowy: nie dotyczy; δ < 10%; P 10 mw Odstęp międzykanałowy: nie dotyczy; δ 100%; P 1 mw; Odstęp międzykanałowy: 25 khz; δ 100%; P 10 mw; 13 dbm/10 khz Wniosek: Moc promieniowana mieści się w granicach ustalonych dla klasy 7a wymagania wg zalecenia ERC/REC 70-03 i wymagania krajowe (założono: δ < 10%): są spełnione. 35
10.2 Emisje niepożądane nadajnika Tab. 2.1: Emisje niepożądane nadajnika (natężenie pola), warunki normalne (polaryzacja H), EN 300 220-1 clause 8.7: Spurious emissions Częstotliwość (kanał) Częstotliwość składowej Moc składowej (e.r.p.) [MHz] [MHz] [dbm] [nw] 433,92 867,9794 51,8 6,61 1301,7135 49,9 10,23 pozostałe składowe /* < 60,0 < 1,0 Niepewność pomiaru: ±4 db. Wartości graniczne: wg EN 300 220-1 podane są w tabeli poniżej: Zakres częstotliwości 47,0 do 74 MHz; 87,5 do 118 MHz 174,0 do 230 MHz 470,0 do 862 MHz Inne od 25 MHz do 1 GHz Powyżej 1 GHz /* Nadajnik pracuje 4 nw ( 54 dbm) 0,25 µw ( 36 dbm) 1,0 µw ( 30 dbm) Nadajnik w stanie gotowości 2 nw ( 57 dbm) 2 nw ( 57 dbm) 20 nw ( 47 dbm) /* Uwaga. Badania w zakresie do 4 GHz w przypadku urządzenia pracującego na częstotliwości mniejszej niż 470 MHz. W zakresie do 12,75 GHz w przypadku urządzenia pracującego na częstotliwości większej niż 470 MHz. Wniosek: wymagania są spełnione. 36
Tab. 2.2: Emisje niepożądane nadajnika (natężenie pola), warunki normalne (polaryzacja V), EN 300 220-1 clause 8.7: Spurious emissions Częstotliwość (kanał) Częstotliwość składowej Moc składowej (e.r.p.) [MHz] [MHz] [dbm] [nw] 433,92 867,9746 43,2 47,86 1301,9587 49,6 10,96 pozostałe składowe /* < 60,0 < 1,0 Niepewność pomiaru: ±4 db. Wartości graniczne: wg EN 300 220-1 podane są w tabeli poniżej: Zakres częstotliwości 47,0 do 74 MHz; 87,5 do 118 MHz 174,0 do 230 MHz 470,0 do 862 MHz Inne od 25 MHz do 1 GHz Powyżej 1 GHz /* Nadajnik pracuje 4 nw ( 54 dbm) 0,25 µw ( 36 dbm) 1,0 µw ( 30 dbm) Nadajnik w stanie gotowości 2 nw ( 57 dbm) 2 nw ( 57 dbm) 20 nw ( 47 dbm) /* Uwaga. Badania w zakresie do 4 GHz w przypadku urządzenia pracującego na częstotliwości mniejszej niż 470 MHz. W zakresie do 12,75 GHz w przypadku urządzenia pracującego na częstotliwości większej niż 470 MHz. Wniosek: wymagania są spełnione. Wykaz użytej aparatury: 26, 27, 32, 33, 35 / C, 36 / D/E, 45, 46. 37
1 PK MAXH RF211 Równoważna moc promieniowana nadajnika, polaryzacja V Ref -10 dbm Att 15 db -10-20 -30-40 -50-60 -70-80 -90 1 * RBW 30 khz * VBW 30 khz SWT 5 ms 2 Marker 1 [T1 ] -24.41 dbm 433.905576923 MHz Marker 2 [T1 ] -24.39 dbm 433.987307692 MHz A P Tx = P G + G A P G = 5,7 dbm (moc generatora) G = 0 dbd (zysk anteny podstawienia) A = 2,1 db (tłumienie kabla) P Tx = 3,6 dbm (równoważna moc promieniowana) -100-110 Center 433.92 MHz 100 khz/ Span 1 MHz 38
1 PK MAXH RF211 Ref -10-20 -30-40 -50-10 dbm Emisje niepożądane nadajnika, polaryzacja H (II harmoniczna) * Att 5 db * RBW 30 khz * VBW 30 khz SWT 5 ms Marker 1 [T1 ] -84.63 dbm 867.979423077 MHz A P E = P G + G A P G = 48,9 dbm G = 0 dbd A = 2,9 db P E = 51,8 dbm -60-70 -80 1-90 -100-110 Center 867.84 MHz 100 khz/ Span 1 MHz 1 PK MAXH RF211 Ref -10-20 -30-40 -50-10 dbm Emisje niepożądane nadajnika, polaryzacja H (III harmoniczna) * Att 5 db * RBW 30 khz * VBW 30 khz SWT 5 ms Marker 1 [T1 ] -88.74 dbm 1.301713526 GHz A P E = P G + G A P G = 46,2 dbm G = 0 dbd A = 3,7 db P E = 49,9 dbm -60-70 -80 1-90 -100-110 Center 1.30176 GHz 100 khz/ Span 1 MHz 39
1 PK MAXH RF211 Ref -10-20 -30-40 -50-10 dbm Emisje niepożądane nadajnika, polaryzacja V (II harmoniczna) * Att 5 db * RBW 30 khz * VBW 30 khz SWT 5 ms Marker 1 [T1 ] -77.67 dbm 867.974615385 MHz A P E = P G + G A P G = 40,3 dbm G = 0 dbd A = 2,9 db P E = 43,2 dbm -60-70 1-80 -90-100 -110 Center 867.84 MHz 100 khz/ Span 1 MHz 1 PK MAXH RF211 Ref -10-20 -30-40 -50-10 dbm Emisje niepożądane nadajnika, polaryzacja V (III harmoniczna) * Att 5 db * RBW 30 khz * VBW 30 khz SWT 5 ms Marker 1 [T1 ] -87.12 dbm 1.301958718 GHz A P E = P G + G A P G = 45,9 dbm G = 0 dbd A = 3,7 db P E = 49,6 dbm -60-70 -80 1-90 -100-110 Center 1.30176 GHz 100 khz/ Span 1 MHz 40