基于APP监控的UPS电池管理系统的实现

龙毓亮，史添添

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州，545616）

0 引言

随着我国城市轨道交通高速发展，不仅对运行安全有重要要求，对为乘客提供高质量的出行服务也是不断优化的目标。地铁采用新技术与传统技术相比对供电质量的要求大大提高，任何偶然、短暂的供电中断都可能造成难以估量的损失，甚至对行车安全产生极大威胁。因此，采用不间断电源（UPS）作为其电源的保障将会确保地铁安全、准点运行。而目前UPS基本上是工人们定时、定点进行维护，对于UPS的关键部件—蓄电池的健康状态无法准确判断，长期处于过度充放电的自由工作状况，会导致电池过早恶化，使用寿命变短，使用性能得不到发挥[1]。因此对UPS电池进行实时的监控是必不可少的。

1 系统总体架构

本系统是由三部分组成，一是UPS电池模拟测试平台；二是监控APP；三是电池管理系统。电池模拟测试平台硬件部分主要包括以下几个模块：WiFi模块；单片机最小系统模块；电池电压、温度、电流模拟信号源模块；散热报警保护模块。APP是基于Android5.0及以上系统进行的开发，满足大多数使用者的要求。其整体构架如图1所示。

图1 系统总体结构

微控制器循环采集电压、电流和温度等模拟信号，经过控制器内部处理分析，将获取的数据传送到维护人员的手机APP中，维护人员对获得的信息参数进行实时的监测，根据使用条件的改变，可对UPS的参数进行优化重新标定。电池管理系统通过CAN总线与测试平台互相通信获取处理信息，并与采集的信号源信息进行比较，控制散热报警保护模块从而达到对UPS电池实时监控保护的目地。

2 硬件设计

■2.1 主控芯片

MCU作为单片机的核心控件，应便于开发、满足功能需求。因此本设计采用40引脚的PIC18F4685芯片，它具有足够的通信接口及丰富的I/O口资源，具有较强的运算能力和中断处理能力，最主要的特点是它内置A/D转换器，无需外部扩展转换电路，同时还具有良好的电磁兼容、抗干扰等特性[2]。最小系统电路包括：晶振电路，复位电路，电源电路。其最小系统连接电路如图2(a)所示。

■2.2 WiFi接口电路设计

为保证地铁列车安全有效运行，中央控制室内装有一套综合监控系统，为便于工作人员查询运行参数，本设计的WiFi模块既要能实现与综合监控中心的无线通信，又要完成与手机间的数据交互。其中，与中央控制主机的通信采用无线热点模式，与APP通信采用WiFi-Direct模式，鉴于地铁工作环境等因素，本设计采用工业级WiFi模块—RS-WC-201RS。它是业界首款支持WiFi-Direct特性的WiFi模块，广泛应用于物联网、交通运输工业等领域[3]。它集成了802.11b/g/n特性，TCP/IP和WLAN协议栈，可以被快速移植进入各种应用场景[4]。WiFi与单片机接口电路如图2(b)所示。

■2.3 CAN接口电路设计

本设计采用的PIC18F4685单片机，因其拥有内置CAN控制器，可有效简化CAN接口的电路设计，当电池模拟测试平台与电池管理系统进行连接时，只需外接CAN总线驱动器PCA82C250即可。CAN通信接口电路如图2(c)所示。

■2.4 模拟信号采集电路设计

为较好完成对UPS电池的实时监测保护，本系统先利用“12V，24W ”的灯泡模拟UPS电池持续工作发热的过程，用继电保护系统作为灯泡亮灭的开关，通过电池管理系统采集到的模拟信号和通过CAN通信交互得到的信息进行比较，能达到输出控制风扇运转、报警等功能既满足管理系统设计需求。主控芯片通过数字电位器X9C103外接1路电压模拟信号、1路电流模拟信号和1路温度模拟信号进行数据的采集，同时也通过对数字电位器的进行控制达到对信号源进行标定的目地。采集电路设计如图2(d)所示。

图2 硬件电路连接设计

3 监控APP

本系统APP基于Android5.0以上开发，采用B/S架构模式，以HTTP的JSON解析方式实现数据交互，然后按照MVC模式设计完成各个功能模块[5]。本APP利用Android studio软件完成开发，相较于其它开发软件它开发界面友好、简单、响应快速快，能较好的适用于不同屏幕大小的Android手机。作为UPS电池实时监控客户端，应具有以下功能：

（1）注册登录功能：本设计的目标是便于维护人员对UPS电池参数进行实时掌握，进而分析，完善对电池的保护。因此所设计的注册和登录功能必须限定为企业相关人员，只有注册登录成功后才能获取WiFi-Direct的账号和密码，注册工号和姓名必须绑定，确保“一人一码”的注册形式。

（2）WiFi-Direct连接功能：每一个UPS电池监控系统有唯一的一组SSID账号和密码，使用者通过企业管理人员获取对应的登录权限。登录后开启手机和UPS电池模拟测试平台的WiFi直连功能，通过WiFi-Direct模式两者建立通信，手动输入密码并发送至主控芯片进行验证，验证成功既完成连接，可进行数据交互，将获取的数据显示到数据查询界面并保存到本地手机数据库。

（3）数据上传下载功能：设计的APP能够访问地铁综合控制中心，当手机处于网络连接状态时可将获取的UPS数据进行上传，通过监控中心分析获取优化标定数据，在对UPS电池管理系统进行参数校正；当手机没有连网状态，可查询本地以保存的历史故障表，获得最有效信息。

（4）故障报警功能：当获取的参数值，超过优化后的预设值，界面能弹出警告提醒，维护人员根据异常参数比对历史故障表进行检修，有效提高检修时间。APP的首界面如图3(a)所示,APP数据查询界面如图3(b)所示。

图3 APP界面展示

4 结论

针对课题组已开发的电池管理系统，完成基于APP监控的UPS电池管理平台的研究，可实现网络连接、诊断报警、参数标定和继电保护等功能达到了预期目标。本系统的不足之处是对电池进行1路模拟量的探究，硬件通信设计不够完善，但作为各大地铁公司培训、各高校学生基础性研究具有一定的参考价值。