燃料電池檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)探究

李強(qiáng)

摘要：本文通過對(duì)燃料電池內(nèi)部檢測(cè)與控制工作系統(tǒng)相關(guān)硬件選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，分析了燃料電池內(nèi)部檢測(cè)與控制工作系統(tǒng)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，這樣的燃料電池內(nèi)部檢測(cè)與控制工作系統(tǒng)本身具有工作體積小、運(yùn)行功耗低、制造成本低等明顯優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：燃料電池;檢測(cè)與控制;系統(tǒng)開發(fā)

由于目前各種環(huán)境問題層出不窮和能源危機(jī)日益加劇，國(guó)家大力倡導(dǎo)新能源發(fā)展方向，這里面的燃料電池都已經(jīng)正在成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。燃料電池系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)內(nèi)部反應(yīng)物供給子系統(tǒng)、內(nèi)部散熱子系統(tǒng)、內(nèi)部電能變化子系統(tǒng)、內(nèi)部氣流控制子系統(tǒng)等相關(guān)部分共同組成，本身具有十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性能，如溫度動(dòng)態(tài)變化、濕度動(dòng)態(tài)變化、功率動(dòng)態(tài)變化、性能時(shí)間衰減、內(nèi)部反應(yīng)物濃度動(dòng)態(tài)變化和單片電池相關(guān)性能離散等具體特點(diǎn)。另外，這些具體的參數(shù)不僅能夠直接影響燃料電池內(nèi)部的正常運(yùn)行工作，還可以造成燃料電池出現(xiàn)不可逆的內(nèi)部損壞情況。因此，燃料電池里面有許多性能參數(shù)需要進(jìn)行具體的檢測(cè)和管理控制，同時(shí)這些具體檢測(cè)到的實(shí)際數(shù)據(jù)能夠促進(jìn)將來深入分析研究燃料電池自身性能特點(diǎn)和不斷完善改進(jìn)燃料電池內(nèi)部系統(tǒng)。針對(duì)目前燃料電池內(nèi)部需要開展特別精確的檢測(cè)與控制工作，存在很多十分復(fù)雜的燃料電池監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)，但由于這些系統(tǒng)存在制造成本較高、存放體積過大、開展監(jiān)控工作不方便等具體問題?；诖耍鶕?jù)目前智能化檢測(cè)的時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，主要研究開發(fā)了根據(jù)樹莓派系統(tǒng)平臺(tái)的先進(jìn)燃料電池系統(tǒng)智能遠(yuǎn)程管理監(jiān)控系統(tǒng)。

燃料電池內(nèi)部檢測(cè)與控制工作系統(tǒng)相關(guān)硬件選型與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)部的上位機(jī)和下位機(jī)確定

樹莓派系統(tǒng)平臺(tái)是最早通過英國(guó)的一家慈善組織研究開發(fā)的基于ARM系統(tǒng)的體積僅有信用卡體積左右的先進(jìn)微型電腦控制主板，本身具有工作功耗低、功能性能強(qiáng)等明顯優(yōu)點(diǎn)。因此，采取樹莓派平臺(tái)作為系統(tǒng)內(nèi)部的上位機(jī)部分。樹莓派平臺(tái)僅能夠提供I/O接口和其他串口，至于相關(guān)的數(shù)據(jù)采集功能還需其他輔助工作模塊的具體協(xié)助。因?yàn)锳rduino系統(tǒng)內(nèi)部自帶ADC工作模塊，且能夠存在特別豐富內(nèi)部調(diào)用系統(tǒng)庫資源，操作過程簡(jiǎn)單，因此，采用Arduino作為內(nèi)部系統(tǒng)下位機(jī)部分。

單片電池電壓部分的內(nèi)部巡檢模塊設(shè)計(jì)

燃料電池系統(tǒng)通常通過多片單體電池進(jìn)行串聯(lián)而成，且這些單片電池自身的電壓直接決定整體電堆內(nèi)部性能好壞，因此開展燃料電池內(nèi)部單片電壓進(jìn)行巡檢模塊的設(shè)計(jì)工作十分關(guān)鍵。目前，常用的單片電池巡檢方法主要涵蓋機(jī)械繼電器部分檢測(cè)法、系統(tǒng)電壓分壓法、系統(tǒng)差分放大器部分隔離法等方式。由于機(jī)械繼電器部分檢測(cè)法自身轉(zhuǎn)換時(shí)間特別長(zhǎng)，不適合開展實(shí)時(shí)檢測(cè)工作，而系統(tǒng)電壓分壓法自身的測(cè)量精度十分差，因此選取完善改進(jìn)后的系統(tǒng)差分放大器部分隔離檢測(cè)法，這種檢測(cè)方式轉(zhuǎn)換時(shí)間能實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的水平，達(dá)到系統(tǒng)開關(guān)次數(shù)無限同時(shí)自身測(cè)量精度特別高，但制造成本很高。

燃料電池內(nèi)部檢測(cè)與控制工作系統(tǒng)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)

燃料電池內(nèi)部檢測(cè)與控制工作系統(tǒng)軟件基本組成

燃料電池內(nèi)部遠(yuǎn)程管理監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分能夠?qū)崿F(xiàn)信息數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)傳輸、樹莓派平臺(tái)GPIO管理控制功能，同時(shí)應(yīng)該進(jìn)一步開展設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互交流的平臺(tái)界面。軟件設(shè)計(jì)內(nèi)部一共能夠分為4個(gè)具體的模塊，這四個(gè)模塊分別是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊、系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理控制模塊和相關(guān)的GUI應(yīng)用程序部分。其中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用是開展采集燃料電池自身系統(tǒng)存在的各種實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，并按照USB通信的方式發(fā)送到樹莓派平臺(tái)部分;系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊的主要作用是通過利用采集模塊發(fā)送過來的相關(guān)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄唧w的Azure云服務(wù)器里面的相關(guān)MySQL數(shù)據(jù)庫中;系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理控制模塊的主要作用是負(fù)責(zé)進(jìn)一步執(zhí)行相關(guān)終端設(shè)備發(fā)出的系統(tǒng)管理控制命令;相關(guān)GUI應(yīng)用程序的主要作用進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互交流。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊通過利用Arduino內(nèi)部推薦的IDE部分開展開發(fā)工作，能夠提供對(duì)應(yīng)的編寫程序的工作環(huán)境和相關(guān)的串口監(jiān)視器部分，還能夠進(jìn)行編譯工作和燒錄程序工作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的程序內(nèi)容都是根據(jù)C語言部分進(jìn)行編寫，最后將相關(guān)的程序內(nèi)容燒錄到Arduino里面進(jìn)行運(yùn)行工作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊還能夠具體細(xì)分為三個(gè)小模塊部分，包括系統(tǒng)擴(kuò)展采集數(shù)據(jù)板的管理控制、模擬量的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)信息發(fā)送。當(dāng)單片機(jī)部分完成初始化操作以后，開展相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集工作，然后將已經(jīng)完成采集對(duì)應(yīng)模擬量通過ADC方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，最后把這些具體的數(shù)字量同步發(fā)送到對(duì)應(yīng)的串口部分，在能夠延遲1s后即刻開展循環(huán)采集工作。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊的具體程序通過Python語言進(jìn)行編寫完成，同時(shí)在樹莓派平臺(tái)的Raspbian系統(tǒng)里面進(jìn)行工作運(yùn)行。首先，采取調(diào)用Python語言編寫的相關(guān)MySQL數(shù)據(jù)庫里對(duì)應(yīng)的文件實(shí)現(xiàn)連接云數(shù)據(jù)庫的目的，然后開展USB通信工作，進(jìn)一步獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊部分發(fā)送過來的信息數(shù)據(jù)，最后實(shí)現(xiàn)循環(huán)監(jiān)聽工作開始等待信息數(shù)據(jù)、檢測(cè)信息數(shù)據(jù)部分的準(zhǔn)確性、進(jìn)行信息數(shù)據(jù)整理工作、在本地位置進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存同時(shí)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫里面。

系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理控制模塊

系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理控制同樣利用MySQL云數(shù)據(jù)庫的具體內(nèi)容開展系統(tǒng)控制命令信號(hào)的實(shí)時(shí)通信工作，但其自身的原理和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)工作順序相反。系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理控制通過GUI相關(guān)應(yīng)用程序進(jìn)行發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，然后通過樹莓派平臺(tái)實(shí)現(xiàn)登錄云數(shù)據(jù)庫的操作，從而實(shí)現(xiàn)獲取相關(guān)控制指令，同時(shí)利用GPIO口進(jìn)行指令執(zhí)行工作。

相關(guān)GUI應(yīng)用程序設(shè)計(jì)部分

燃料電池內(nèi)部檢測(cè)與控制系統(tǒng)能夠充分運(yùn)用GUI應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)減少界面設(shè)計(jì)工作與邏輯設(shè)計(jì)工作之間耦合度，真正能夠?qū)崿F(xiàn)完成一次開發(fā)，保證多平臺(tái)進(jìn)行使用的功能。主要包括系統(tǒng)登錄和內(nèi)部功能索引檢索模塊、系統(tǒng)實(shí)時(shí)管理監(jiān)測(cè)模塊、系統(tǒng)離線監(jiān)測(cè)管理模塊和系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理控制模塊等部分一起組成。

結(jié)束語

通過利用樹莓派平臺(tái)的上位機(jī)和ArduinoUno系統(tǒng)部分的下位機(jī)進(jìn)行燃料電池內(nèi)部遠(yuǎn)程管理監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作，燃料電池內(nèi)部檢測(cè)與控制工作系統(tǒng)本身具有工作體積小、運(yùn)行功耗低、制造成本低等明顯優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠支持信息數(shù)據(jù)定時(shí)備份存儲(chǔ)、信息數(shù)據(jù)導(dǎo)出等具體功能。

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