燃料電池檢測與監控系統開發探究

李強

摘要：本文通過對燃料電池內部檢測與控制工作系統相關硬件選型與設計進行闡述，分析了燃料電池內部檢測與控制工作系統相關軟件設計，這樣的燃料電池內部檢測與控制工作系統本身具有工作體積小、運行功耗低、制造成本低等明顯優點。

關鍵詞：燃料電池;檢測與控制;系統開發

由于目前各種環境問題層出不窮和能源危機日益加劇，國家大力倡導新能源發展方向，這里面的燃料電池都已經正在成為重點研究內容。燃料電池系統主要包括系統內部反應物供給子系統、內部散熱子系統、內部電能變化子系統、內部氣流控制子系統等相關部分共同組成，本身具有十分復雜的動態性能，如溫度動態變化、濕度動態變化、功率動態變化、性能時間衰減、內部反應物濃度動態變化和單片電池相關性能離散等具體特點。另外，這些具體的參數不僅能夠直接影響燃料電池內部的正常運行工作，還可以造成燃料電池出現不可逆的內部損壞情況。因此，燃料電池里面有許多性能參數需要進行具體的檢測和管理控制，同時這些具體檢測到的實際數據能夠促進將來深入分析研究燃料電池自身性能特點和不斷完善改進燃料電池內部系統。針對目前燃料電池內部需要開展特別精確的檢測與控制工作，存在很多十分復雜的燃料電池監控設備系統，但由于這些系統存在制造成本較高、存放體積過大、開展監控工作不方便等具體問題。基于此，根據目前智能化檢測的時代發展趨勢，主要研究開發了根據樹莓派系統平臺的先進燃料電池系統智能遠程管理監控系統。

燃料電池內部檢測與控制工作系統相關硬件選型與設計

系統內部的上位機和下位機確定

樹莓派系統平臺是最早通過英國的一家慈善組織研究開發的基于ARM系統的體積僅有信用卡體積左右的先進微型電腦控制主板，本身具有工作功耗低、功能性能強等明顯優點。因此，采取樹莓派平臺作為系統內部的上位機部分。樹莓派平臺僅能夠提供I/O接口和其他串口，至于相關的數據采集功能還需其他輔助工作模塊的具體協助。因為Arduino系統內部自帶ADC工作模塊，且能夠存在特別豐富內部調用系統庫資源，操作過程簡單，因此，采用Arduino作為內部系統下位機部分。

單片電池電壓部分的內部巡檢模塊設計

燃料電池系統通常通過多片單體電池進行串聯而成，且這些單片電池自身的電壓直接決定整體電堆內部性能好壞，因此開展燃料電池內部單片電壓進行巡檢模塊的設計工作十分關鍵。目前，常用的單片電池巡檢方法主要涵蓋機械繼電器部分檢測法、系統電壓分壓法、系統差分放大器部分隔離法等方式。由于機械繼電器部分檢測法自身轉換時間特別長，不適合開展實時檢測工作，而系統電壓分壓法自身的測量精度十分差，因此選取完善改進后的系統差分放大器部分隔離檢測法，這種檢測方式轉換時間能實現微秒級的水平，達到系統開關次數無限同時自身測量精度特別高，但制造成本很高。

燃料電池內部檢測與控制工作系統相關軟件設計

燃料電池內部檢測與控制工作系統軟件基本組成

燃料電池內部遠程管理監控系統的軟件部分能夠實現信息數據采集、信息數據傳輸、樹莓派平臺GPIO管理控制功能，同時應該進一步開展設計良好的人機交互交流的平臺界面。軟件設計內部一共能夠分為4個具體的模塊，這四個模塊分別是系統數據采集模塊、系統數據傳輸模塊、系統遠程管理控制模塊和相關的GUI應用程序部分。其中，系統數據采集模塊的主要作用是開展采集燃料電池自身系統存在的各種實時狀態參數，并按照USB通信的方式發送到樹莓派平臺部分;系統數據傳輸模塊的主要作用是通過利用采集模塊發送過來的相關信息數據傳輸到具體的Azure云服務器里面的相關MySQL數據庫中;系統遠程管理控制模塊的主要作用是負責進一步執行相關終端設備發出的系統管理控制命令;相關GUI應用程序的主要作用進一步實現人機交互交流。

系統數據采集模塊

系統數據采集模塊通過利用Arduino內部推薦的IDE部分開展開發工作，能夠提供對應的編寫程序的工作環境和相關的串口監視器部分，還能夠進行編譯工作和燒錄程序工作。系統數據采集模塊的程序內容都是根據C語言部分進行編寫，最后將相關的程序內容燒錄到Arduino里面進行運行工作。系統數據采集模塊還能夠具體細分為三個小模塊部分，包括系統擴展采集數據板的管理控制、模擬量的對應轉換和數據信息發送。當單片機部分完成初始化操作以后，開展相應的數據采集工作，然后將已經完成采集對應模擬量通過ADC方式進行轉換為相應的數字量，最后把這些具體的數字量同步發送到對應的串口部分，在能夠延遲1s后即刻開展循環采集工作。

系統數據傳輸模塊

系統數據傳輸模塊的具體程序通過Python語言進行編寫完成，同時在樹莓派平臺的Raspbian系統里面進行工作運行。首先，采取調用Python語言編寫的相關MySQL數據庫里對應的文件實現連接云數據庫的目的，然后開展USB通信工作，進一步獲取系統數據采集模塊部分發送過來的信息數據，最后實現循環監聽工作開始等待信息數據、檢測信息數據部分的準確性、進行信息數據整理工作、在本地位置進行信息數據的實時保存同時傳輸到云數據庫里面。

系統遠程管理控制模塊

系統遠程管理控制同樣利用MySQL云數據庫的具體內容開展系統控制命令信號的實時通信工作，但其自身的原理和遠程監測工作順序相反。系統遠程管理控制通過GUI相關應用程序進行發送對應的控制信號，然后通過樹莓派平臺實現登錄云數據庫的操作，從而實現獲取相關控制指令，同時利用GPIO口進行指令執行工作。

相關GUI應用程序設計部分

燃料電池內部檢測與控制系統能夠充分運用GUI應用程序，實現減少界面設計工作與邏輯設計工作之間耦合度，真正能夠實現完成一次開發，保證多平臺進行使用的功能。主要包括系統登錄和內部功能索引檢索模塊、系統實時管理監測模塊、系統離線監測管理模塊和系統遠程管理控制模塊等部分一起組成。

結束語

通過利用樹莓派平臺的上位機和ArduinoUno系統部分的下位機進行燃料電池內部遠程管理監控系統的開發工作，燃料電池內部檢測與控制工作系統本身具有工作體積小、運行功耗低、制造成本低等明顯優點，同時能夠支持信息數據定時備份存儲、信息數據導出等具體功能。

參考文獻

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