基于APP 監控的UPS 電池管理系統的實現

龍毓亮，史添添

（柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州，545616）

0 引言

隨著我國城市軌道交通高速發展，不僅對運行安全有重要要求，對為乘客提供高質量的出行服務也是不斷優化的目標。地鐵采用新技術與傳統技術相比對供電質量的要求大大提高，任何偶然、短暫的供電中斷都可能造成難以估量的損失，甚至對行車安全產生極大威脅。因此，采用不間斷電源（UPS）作為其電源的保障將會確保地鐵安全、準點運行。而目前UPS 基本上是工人們定時、定點進行維護，對于UPS 的關鍵部件—蓄電池的健康狀態無法準確判斷，長期處于過度充放電的自由工作狀況，會導致電池過早惡化，使用壽命變短，使用性能得不到發揮[1]。因此對UPS 電池進行實時的監控是必不可少的。

1 系統總體架構

本系統是由三部分組成，一是UPS 電池模擬測試平臺；二是監控APP；三是電池管理系統。電池模擬測試平臺硬件部分主要包括以下幾個模塊：WiFi 模塊；單片機最小系統模塊；電池電壓、溫度、電流模擬信號源模塊；散熱報警保護模塊。APP 是基于Android5.0 及以上系統進行的開發，滿足大多數使用者的要求。其整體構架如圖1 所示。

圖1 系統總體結構

微控制器循環采集電壓、電流和溫度等模擬信號，經過控制器內部處理分析，將獲取的數據傳送到維護人員的手機APP 中，維護人員對獲得的信息參數進行實時的監測，根據使用條件的改變，可對UPS 的參數進行優化重新標定。電池管理系統通過CAN 總線與測試平臺互相通信獲取處理信息，并與采集的信號源信息進行比較，控制散熱報警保護模塊從而達到對UPS 電池實時監控保護的目地。

2 硬件設計

■2.1 主控芯片

MCU 作為單片機的核心控件，應便于開發、滿足功能需求。因此本設計采用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，具有較強的運算能力和中斷處理能力，最主要的特點是它內置A/D 轉換器，無需外部擴展轉換電路，同時還具有良好的電磁兼容、抗干擾等特性[2]。最小系統電路包括：晶振電路，復位電路，電源電路。其最小系統連接電路如圖2(a)所示。

■2.2 WiFi 接口電路設計

為保證地鐵列車安全有效運行，中央控制室內裝有一套綜合監控系統，為便于工作人員查詢運行參數，本設計的WiFi 模塊既要能實現與綜合監控中心的無線通信，又要完成與手機間的數據交互。其中，與中央控制主機的通信采

用無線熱點模式，與APP 通信采用WiFi-Direct 模式，鑒于地鐵工作環境等因素，本設計采用工業級WiFi 模塊—RS-WC-201RS。它是業界首款支持WiFi-Direct 特性的WiFi 模塊，廣泛應用于物聯網、交通運輸工業等領域[3]。它集成了802.11b/g/n 特性，TCP/IP 和WLAN 協議棧，可以被快速移植進入各種應用場景[4]。WiFi 與單片機接口電路如圖2(b)所示。

圖2 硬件電路連接設計

■2.3 CAN 接口電路設計

本設計采用的PIC18F4685 單片機，因其擁有內置CAN 控制器，可有效簡化CAN 接口的電路設計，當電池模擬測試平臺與電池管理系統進行連接時，只需外接CAN 總線驅動器PCA82C250 即可。CAN 通信接口電路如圖2(c)所示。

■2.4 模擬信號采集電路設計

為較好完成對UPS 電池的實時監測保護，本系統先利用“12V，24W ”的燈泡模擬UPS 電池持續工作發熱的過程，用繼電保護系統作為燈泡亮滅的開關，通過電池管理系統采集到的模擬信號和通過CAN通信交互得到的信息進行比較，能達到輸出控制風扇運轉、報警等功能既滿足管理系統設計需求。主控芯片通過數字電位器X9C103 外接1 路電壓模擬信號、1 路電流模擬信號和1 路溫度模擬信號進行數據的采集，同時也通過對數字電位器的進行控制達到對信號源進行標定的目地。采集電路設計如圖2(d)所示。

3 監控APP

本系統APP 基于Android5.0 以上開發，采用B/S 架構模式，以HTTP 的JSON 解析方式實現數據交互，然后按照MVC 模式設計完成各個功能模塊[5]。本APP 利用Android studio 軟件完成開發，相較于其它開發軟件它開發界面友好、簡單、響應快速快，能較好的適用于不同屏幕大小的Android 手機。作為UPS 電池實時監控客戶端，應具有以下功能：

（1）注冊登錄功能：本設計的目標是便于維護人員對UPS 電池參數進行實時掌握，進而分析，完善對電池的保護。因此所設計的注冊和登錄功能必須限定為企業相關人員，只有注冊登錄成功后才能獲取WiFi-Direct 的賬號和密碼，注冊工號和姓名必須綁定，確保“一人一碼”的注冊形式。

（2）WiFi-Direct 連接功能：每一個UPS 電池監控系統有唯一的一組SSID賬號和密碼，使用者通過企業管理人員獲取對應的登錄權限。登錄后開啟手機和UPS 電池模擬測試平臺的WiFi 直連功能，通過WiFi-Direct 模式兩者建立通信，手動輸入密碼并發送至主控芯片進行驗證，驗證成功既完成連接，可進行數據交互，將獲取的數據顯示到數據查詢界面并保存到本地手機數據庫。

（3）數據上傳下載功能：設計的APP 能夠訪問地鐵綜合控制中心，當手機處于網絡連接狀態時可將獲取的UPS數據進行上傳，通過監控中心分析獲取優化標定數據，在對UPS 電池管理系統進行參數校正；當手機沒有連網狀態，可查詢本地以保存的歷史故障表，獲得最有效信息。

（4）故障報警功能：當獲取的參數值，超過優化后的預設值，界面能彈出警告提醒，維護人員根據異常參數比對歷史故障表進行檢修，有效提高檢修時間。APP 的首界面如圖3(a)所示,APP 數據查詢界面如圖3(b)所示。

圖3 APP 界面展示

4 結論

針對課題組已開發的電池管理系統，完成基于APP 監控的UPS 電池管理平臺的研究，可實現網絡連接、診斷報警、參數標定和繼電保護等功能達到了預期目標。本系統的不足之處是對電池進行1 路模擬量的探究，硬件通信設計不夠完善，但作為各大地鐵公司培訓、各高校學生基礎性研究具有一定的參考價值。