龍毓亮，史添添

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545616）

0 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通高速發(fā)展，不僅對(duì)運(yùn)行安全有重要要求，對(duì)為乘客提供高質(zhì)量的出行服務(wù)也是不斷優(yōu)化的目標(biāo)。地鐵采用新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比對(duì)供電質(zhì)量的要求大大提高，任何偶然、短暫的供電中斷都可能造成難以估量的損失，甚至對(duì)行車安全產(chǎn)生極大威脅。因此，采用不間斷電源（UPS）作為其電源的保障將會(huì)確保地鐵安全、準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。而目前UPS 基本上是工人們定時(shí)、定點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)，對(duì)于UPS 的關(guān)鍵部件—蓄電池的健康狀態(tài)無法準(zhǔn)確判斷，長(zhǎng)期處于過度充放電的自由工作狀況，會(huì)導(dǎo)致電池過早惡化，使用壽命變短，使用性能得不到發(fā)揮[1]。因此對(duì)UPS 電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控是必不可少的。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)是由三部分組成，一是UPS 電池模擬測(cè)試平臺(tái)；二是監(jiān)控APP；三是電池管理系統(tǒng)。電池模擬測(cè)試平臺(tái)硬件部分主要包括以下幾個(gè)模塊：WiFi 模塊；單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊；電池電壓、溫度、電流模擬信號(hào)源模塊；散熱報(bào)警保護(hù)模塊。APP 是基于Android5.0 及以上系統(tǒng)進(jìn)行的開發(fā)，滿足大多數(shù)使用者的要求。其整體構(gòu)架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微控制器循環(huán)采集電壓、電流和溫度等模擬信號(hào)，經(jīng)過控制器內(nèi)部處理分析，將獲取的數(shù)據(jù)傳送到維護(hù)人員的手機(jī)APP 中，維護(hù)人員對(duì)獲得的信息參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，根據(jù)使用條件的改變，可對(duì)UPS 的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化重新標(biāo)定。電池管理系統(tǒng)通過CAN 總線與測(cè)試平臺(tái)互相通信獲取處理信息，并與采集的信號(hào)源信息進(jìn)行比較，控制散熱報(bào)警保護(hù)模塊從而達(dá)到對(duì)UPS 電池實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)的目地。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控芯片

MCU 作為單片機(jī)的核心控件，應(yīng)便于開發(fā)、滿足功能需求。因此本設(shè)計(jì)采用40 引腳的PIC18F4685 芯片，它具有足夠的通信接口及豐富的I/O 口資源，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和中斷處理能力，最主要的特點(diǎn)是它內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換器，無需外部擴(kuò)展轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)還具有良好的電磁兼容、抗干擾等特性[2]。最小系統(tǒng)電路包括：晶振電路，復(fù)位電路，電源電路。其最小系統(tǒng)連接電路如圖2(a)所示。

■2.2 WiFi 接口電路設(shè)計(jì)

為保證地鐵列車安全有效運(yùn)行，中央控制室內(nèi)裝有一套綜合監(jiān)控系統(tǒng)，為便于工作人員查詢運(yùn)行參數(shù)，本設(shè)計(jì)的WiFi 模塊既要能實(shí)現(xiàn)與綜合監(jiān)控中心的無線通信，又要完成與手機(jī)間的數(shù)據(jù)交互。其中，與中央控制主機(jī)的通信采

用無線熱點(diǎn)模式，與APP 通信采用WiFi-Direct 模式，鑒于地鐵工作環(huán)境等因素，本設(shè)計(jì)采用工業(yè)級(jí)WiFi 模塊—RS-WC-201RS。它是業(yè)界首款支持WiFi-Direct 特性的WiFi 模塊，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、交通運(yùn)輸工業(yè)等領(lǐng)域[3]。它集成了802.11b/g/n 特性，TCP/IP 和WLAN 協(xié)議棧，可以被快速移植進(jìn)入各種應(yīng)用場(chǎng)景[4]。WiFi 與單片機(jī)接口電路如圖2(b)所示。

圖2 硬件電路連接設(shè)計(jì)

■2.3 CAN 接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的PIC18F4685 單片機(jī)，因其擁有內(nèi)置CAN 控制器，可有效簡(jiǎn)化CAN 接口的電路設(shè)計(jì)，當(dāng)電池模擬測(cè)試平臺(tái)與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行連接時(shí)，只需外接CAN 總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250 即可。CAN 通信接口電路如圖2(c)所示。

■2.4 模擬信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

為較好完成對(duì)UPS 電池的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)，本系統(tǒng)先利用“12V，24W ”的燈泡模擬UPS 電池持續(xù)工作發(fā)熱的過程，用繼電保護(hù)系統(tǒng)作為燈泡亮滅的開關(guān)，通過電池管理系統(tǒng)采集到的模擬信號(hào)和通過CAN通信交互得到的信息進(jìn)行比較，能達(dá)到輸出控制風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)、報(bào)警等功能既滿足管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。主控芯片通過數(shù)字電位器X9C103 外接1 路電壓模擬信號(hào)、1 路電流模擬信號(hào)和1 路溫度模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)也通過對(duì)數(shù)字電位器的進(jìn)行控制達(dá)到對(duì)信號(hào)源進(jìn)行標(biāo)定的目地。采集電路設(shè)計(jì)如圖2(d)所示。

3 監(jiān)控APP

本系統(tǒng)APP 基于Android5.0 以上開發(fā)，采用B/S 架構(gòu)模式，以HTTP 的JSON 解析方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，然后按照MVC 模式設(shè)計(jì)完成各個(gè)功能模塊[5]。本APP 利用Android studio 軟件完成開發(fā)，相較于其它開發(fā)軟件它開發(fā)界面友好、簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速快，能較好的適用于不同屏幕大小的Android 手機(jī)。作為UPS 電池實(shí)時(shí)監(jiān)控客戶端，應(yīng)具有以下功能：

（1）注冊(cè)登錄功能：本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是便于維護(hù)人員對(duì)UPS 電池參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，進(jìn)而分析，完善對(duì)電池的保護(hù)。因此所設(shè)計(jì)的注冊(cè)和登錄功能必須限定為企業(yè)相關(guān)人員，只有注冊(cè)登錄成功后才能獲取WiFi-Direct 的賬號(hào)和密碼，注冊(cè)工號(hào)和姓名必須綁定，確?！耙蝗艘淮a”的注冊(cè)形式。

（2）WiFi-Direct 連接功能：每一個(gè)UPS 電池監(jiān)控系統(tǒng)有唯一的一組SSID賬號(hào)和密碼，使用者通過企業(yè)管理人員獲取對(duì)應(yīng)的登錄權(quán)限。登錄后開啟手機(jī)和UPS 電池模擬測(cè)試平臺(tái)的WiFi 直連功能，通過WiFi-Direct 模式兩者建立通信，手動(dòng)輸入密碼并發(fā)送至主控芯片進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證成功既完成連接，可進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將獲取的數(shù)據(jù)顯示到數(shù)據(jù)查詢界面并保存到本地手機(jī)數(shù)據(jù)庫。

（3）數(shù)據(jù)上傳下載功能：設(shè)計(jì)的APP 能夠訪問地鐵綜合控制中心，當(dāng)手機(jī)處于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)時(shí)可將獲取的UPS數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，通過監(jiān)控中心分析獲取優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)，在對(duì)UPS 電池管理系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)校正；當(dāng)手機(jī)沒有連網(wǎng)狀態(tài)，可查詢本地以保存的歷史故障表，獲得最有效信息。

（4）故障報(bào)警功能：當(dāng)獲取的參數(shù)值，超過優(yōu)化后的預(yù)設(shè)值，界面能彈出警告提醒，維護(hù)人員根據(jù)異常參數(shù)比對(duì)歷史故障表進(jìn)行檢修，有效提高檢修時(shí)間。APP 的首界面如圖3(a)所示,APP 數(shù)據(jù)查詢界面如圖3(b)所示。

圖3 APP 界面展示

4 結(jié)論

針對(duì)課題組已開發(fā)的電池管理系統(tǒng)，完成基于APP 監(jiān)控的UPS 電池管理平臺(tái)的研究，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、診斷報(bào)警、參數(shù)標(biāo)定和繼電保護(hù)等功能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。本系統(tǒng)的不足之處是對(duì)電池進(jìn)行1 路模擬量的探究，硬件通信設(shè)計(jì)不夠完善，但作為各大地鐵公司培訓(xùn)、各高校學(xué)生基礎(chǔ)性研究具有一定的參考價(jià)值。