水雷電池包裝箱智能化設(shè)計

周開華，李志華，陳蘭蘭

(海軍士官學(xué)校兵器系，安徽蚌埠 233012)

水雷是一種機電一體化且高度智能化武器裝備，其相應(yīng)器件在工作時需要有電池單元提供能量，離開電池，水雷不能發(fā)揮應(yīng)有的戰(zhàn)斗作用。可見，電池是水雷重要部件之一。為了確保電池貯運安全和分類、分批集中管理，裝箱管理是比較科學(xué)的手段之一。但是電池包裝箱結(jié)構(gòu)簡單、功能單一，這與信息化、智能化管理要求存在差距。

電池包裝箱無論是民用還是軍用，目前主要研究方向集中于包裝箱材料，主要聚焦于運輸快捷以及防熱防潮設(shè)計，個別涉及到電池包裝箱氣密性檢查制造技術(shù)。對于電池包裝箱智能化設(shè)計研究基本處于空白。本文對水雷電池包裝箱現(xiàn)狀進行了分析，并在此基礎(chǔ)之上，對水雷電池包裝箱智能化設(shè)計進行了探討，以供有關(guān)方面參考。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 電池管理規(guī)定

目前，水雷采用鋰電池提供能源，鋰電池在保管儲存過程中可能存在電池漏液、電池泄放爆炸或燃燒等安全問題，故其在儲存保管期間，有著嚴格的要求，按照軍械裝備儲存管理規(guī)定，對水雷電池儲存管理提出了如下要求[1-2]：

(1)存放水雷電池的庫房溫度為5～25 ℃，相對濕度為40%～65%；

(2)電池有效儲存期從生產(chǎn)之日算起，超過有效使用期不能作為戰(zhàn)用品使用，鋰電池儲存時間為5 年，電池到有效儲存期時，應(yīng)及時報上級主管部門；

(3)電池電壓下降到規(guī)定值以下不可再利用，需返廠處理；

(4)裝箱管理，分類分批存放；

(5)用舊存新、先進先出。

1.2 電池包裝箱現(xiàn)狀分析

水雷電池自出廠之日起，到投入戰(zhàn)斗使用之前，長期處于裝箱管理狀態(tài)。在這過程中，包裝箱不僅是水雷電池重要的保護裝置，也是水雷電池必不可少的轉(zhuǎn)運載體，為保障水雷電池處于良好性能狀態(tài)發(fā)揮了至關(guān)重要作用，圖1 為某型水雷電池包裝箱。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水雷電池包裝箱既具有許多優(yōu)點，也存在一些不足。

圖1 某型水雷電池包裝箱

其主要優(yōu)點有：(1)鋼質(zhì)材料箱體防爆、耐沖擊，對箱內(nèi)電池具有較好的保護作用；(2)箱蓋蓋板通過螺釘與箱體連接，中間鋪設(shè)密封圈，箱內(nèi)放置干燥劑，確保箱體具有較好的防潮作用；(3)玻璃窗口上的變色貼條能夠警示箱內(nèi)腐蝕性氣體的產(chǎn)生，且通過壓力表顯示箱內(nèi)氣壓的大??；(4)通過調(diào)節(jié)箱蓋卸壓閥卸放箱內(nèi)氣體，防止帶壓操作。

其主要缺點有：(1)不具備滾輪推動功能，完全依靠人工搬運；(2)開箱和密閉箱體時，要拆卸和安裝的螺釘數(shù)量比較多(圖1 中所示箱體有18 顆螺釘)，不利于快速反應(yīng)；(3)不具備自動調(diào)節(jié)功能，當溫度超標、箱內(nèi)氣壓超壓時，不能自動調(diào)節(jié)；(4)密閉情況下，難以清楚內(nèi)部電池數(shù)量和電池性能狀態(tài)[3]；(5)不具備自動檢測功能，需取出箱內(nèi)電池，利用專用檢測設(shè)備一一檢查；(6)電池漏液、腐蝕性氣體等危險現(xiàn)象產(chǎn)生或電池到達儲存期時，不能自動報警。

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，電池包裝箱雖然在防護性上采取了一定措施，但在可操作性、自動化、信息化、智能化方面存在嚴重不足，嚴重制約電池管理現(xiàn)代化。為提高部隊水雷電池信息化、智能化管理水平和工作效率，需要對水雷電池包裝箱這一基礎(chǔ)性部件進行智能化設(shè)計，包括以下三個方面，一是包裝箱功能設(shè)計；二是包裝箱硬件設(shè)計；三是包裝箱軟件設(shè)計。

2 包裝箱功能設(shè)計

恰當?shù)墓δ芏ㄎ皇菍崿F(xiàn)包裝箱智能化的前提，為此，要高度重視包裝箱功能設(shè)計。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電池包裝箱應(yīng)該是一款集多功能于一體的智能化包裝箱，其應(yīng)具備的特點包括：可操作性好；較強的防護能力；自動調(diào)節(jié)功能；自動報警功能；自動檢測與計時、計數(shù)功能；信息化管理功能。

2.1 可操作性

日常管理中，需要定期打開包裝箱進行數(shù)量清點、電池性能檢測與維護保養(yǎng)。由于水雷電池儲量大，而相應(yīng)崗位人員編配數(shù)量有限，部隊日常管理與維護工作任務(wù)十分繁重。為了降低工作人員工作強度，包裝箱一定要具備較好的可操作性：一是方便搬運；二是方便開箱與密閉操作。

2.2 較強防護能力

水雷電池包裝箱在儲存、搬運和使用過程中，始終要注意保護水雷電池的安全，在防碰、防潮、防熱、抗炸、耐腐蝕等方面要有較強的防護能力。

2.3 自動調(diào)節(jié)功能

水雷電池在出廠、儲運、運往部隊使用過程中，外部環(huán)境在不斷發(fā)生變化。為了確保電池保管環(huán)境達到規(guī)定要求，一方面，電池包裝箱要能夠根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)節(jié)溫度，確保箱內(nèi)溫度在5～25 ℃；另一方面，當電池產(chǎn)生腐蝕性氣體、壓力超標時，能夠自動卸放箱內(nèi)氣體。

2.4 自動報警功能

2.4.1 有毒氣體報警

鋰電池在儲存期間，由于電池的儲存環(huán)境變化、搬運過程發(fā)生磕碰等原因，電池內(nèi)部的電解液可能發(fā)生泄露，產(chǎn)生有毒氣體，甚至發(fā)生爆炸、燃燒等危險情況時，包裝箱能夠迅速報警[4]。

2.4.2 超期報警

水雷用電池自出廠之日起，有效儲存期為五年，五年期到，不管電池處于何種狀態(tài)，都一律返廠處理。當箱內(nèi)電池儲存期到達期限時，能夠自動報警。

2.4.3 電池欠壓報警

隨著時間的推移，電壓會有一定的下降，當電壓下降到規(guī)定值以下時，不允許安裝使用，需返廠處理。當箱內(nèi)電池電壓下降到規(guī)定值時，能夠自動報警。

2.4.4 劇烈震動報警

電池在搬運、儲存過程中，有可能發(fā)生意外跌落，當這種情形發(fā)生時，應(yīng)該及時報警，便于事后進一步檢查。

2.5 自動檢測電壓、計時、計數(shù)功能

在不需要開箱取出電池檢測的情況下，通過人機交互控制或后臺監(jiān)控，能夠隨時檢測箱內(nèi)各電池電壓，且計時顯示儲存期，計數(shù)顯示箱內(nèi)電池數(shù)量。

2.6 信息化管理功能

智能化電池包裝箱不僅自身實現(xiàn)高度自動化和智能化，而且可以通過組網(wǎng)，能與外界進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、信息化管理。

3 包裝箱硬件設(shè)計

包裝箱硬件設(shè)計主要包括箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路系統(tǒng)設(shè)計。

3.1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于箱體較笨重、可操作性不強等原因，箱體設(shè)計可參考市面成熟產(chǎn)品樣式進行加固設(shè)計。其外形如圖2 所示。

圖2 箱體外形設(shè)計效果圖

在箱體材料上統(tǒng)一采用高強度PP 改性工程塑料外殼，大大降低箱體質(zhì)量。其不僅耐高低溫(－40～90 ℃)，而且具有防潮、防爆、防腐功能。為便于搬運，箱體兩側(cè)和前端面加裝有搬運手柄，底部安裝有承重萬向滾輪[5]。

箱蓋采用上翻蓋設(shè)計，箱蓋溝槽裝有O 形密封圈，與箱體凸起配合，通過前端面、兩側(cè)加裝的多道按壓鎖扣給予密封面一定的壓力達到密封的目的。通過這一設(shè)計，可免去拆卸安裝螺釘麻煩，大大方便開箱檢查、清點與密閉箱體等工作[6]。

箱體前端設(shè)置顯示器，安裝報警蜂鳴器、卸壓裝置等部件，并做密封處理。箱體后部設(shè)有航空接插件、通訊接口，實現(xiàn)電源輸入與信號通訊。

箱體內(nèi)部做加固內(nèi)襯、防震、抗沖擊設(shè)計，設(shè)置電池儲存單元和功能電路單元兩個區(qū)域。電池組呈豎立狀態(tài)放置在儲存單元，與相應(yīng)槽位固定對應(yīng)，電池接口朝上?？梢詫崿F(xiàn)電池組與電路板塊單元快插快拔。電路板控制區(qū)安裝有各種傳感器、電源轉(zhuǎn)換電路、溫度調(diào)控裝置。箱體內(nèi)部大致布局如圖3 所示。

圖3 箱體內(nèi)部設(shè)置效果圖

3.2 電路系統(tǒng)設(shè)計

包裝箱在內(nèi)部電路板控制區(qū)設(shè)計有多款電路板，主要包括：電源板、主板(含單片機)、電壓采集板、傳感器板、通訊板、信號轉(zhuǎn)換板。它們與箱體上安裝的語音提示器、溫度調(diào)節(jié)器、壓力調(diào)節(jié)器、液晶顯示器等構(gòu)成有機整體，形成硬件系統(tǒng)。電路板采用模塊化設(shè)計思路，方便后期硬件電路的擴展與維護[7-8]。從功能上講，主要由五個分系統(tǒng)組成：單片機管理系統(tǒng)；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；電壓檢測系統(tǒng)；電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)。智能化電池包裝箱電路系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能化電池包裝箱電路系統(tǒng)原理框圖

3.2.1 單片機管理系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)是包裝箱智能化核心系統(tǒng)，由單片機模塊、通訊模塊和顯示模塊等組成。主用用來對電池電壓信號、傳感器信號、數(shù)據(jù)交換器信號等外圍信號進行采樣處理，并適時啟動報警裝置、溫度調(diào)節(jié)器、壓力調(diào)節(jié)裝置。此外，單片機控制模塊還兼有定時、計數(shù)、計算等功能。考慮到今后的發(fā)展，本系統(tǒng)還留有可擴展的接口。顯示模塊采用觸摸屏顯示，可以根據(jù)項目具體需求進行界面設(shè)計(UI)，通過人機交互操作，實現(xiàn)多組菜單界面切換與相應(yīng)設(shè)置操作。

3.2.2 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、壓力傳感器、有毒氣體傳感器、告警模塊、語音提示器、信號轉(zhuǎn)換模塊、單片機模塊和顯示模塊等組成。通過安裝在包裝箱上的各種傳感器，可以實時監(jiān)測包裝箱內(nèi)溫濕度變化、有毒氣體的產(chǎn)生、氣體壓力大小，將測得信號轉(zhuǎn)成電信號，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換模塊，傳輸給單片機模塊采樣，單片機系統(tǒng)對照設(shè)定的標準值，啟動對應(yīng)溫濕度調(diào)節(jié)器、壓力調(diào)節(jié)器、告警模塊、顯示器和語音提示器等。

3.2.3 電壓檢測系統(tǒng)

電壓檢測系統(tǒng)主要由包裝箱內(nèi)儲存的電池組數(shù)、電壓檢測及轉(zhuǎn)換模塊、單片機模塊和顯示模塊組成。電池電壓通過線束傳輸?shù)诫妷翰杉?，電壓采集板首先通過電壓跟隨再進行電阻分壓，把電壓轉(zhuǎn)變成處理器可處理的范圍。由于包裝箱內(nèi)電池組數(shù)較多，為了解決處理器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(AD)采樣接口沒有足夠的通道問題，在采樣前端模擬開關(guān)芯片進行切換采樣。單片機系統(tǒng)啟動電壓值測量、計數(shù)、欠壓報警、超期報警、顯示器等對應(yīng)的電路。

3.2.4 電源轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)

智能化電池包裝箱內(nèi)部設(shè)置有備用電源，在箱體無外部電源供電情況下，箱體切換到備用電源，可以保障其所有功能在轉(zhuǎn)移過程中正常使用。當有外部電源正常介入后可以給備用電池充電。

3.2.5 后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)

后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由信息控制中心、數(shù)據(jù)變換器、通訊模塊、單片機模塊和計算機終端等組成。箱體內(nèi)部含有通訊電路，采用串口轉(zhuǎn)RS485 電路，通過程序設(shè)置串口參數(shù)。對于多個箱體與監(jiān)控臺的通訊，需要對每個箱體進行地址參數(shù)設(shè)置。通訊電路為隔離通訊，降低干擾，在通訊后端需要進行防雷處理。一個主機總線可以連接255 個從機，從機與從機不能通訊，主機與從機之間采用定點查閱與輪詢查閱方式通信。智能化電池包裝箱后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 智能化電池包裝箱后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是實現(xiàn)自動化、智能化的關(guān)鍵之一。軟件框架結(jié)構(gòu)與流程如圖6 所示。程序使用KEIL5 編譯器軟件模塊化編寫方式，函數(shù)之間可以相互調(diào)用，方便維護與更改。

圖6 軟件框架結(jié)構(gòu)與流程圖

系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時域初始化、輸入輸出(IO)端口初始化、AD 采樣初始化、集成電路(IIC)端口初始化、定時器初始化、串口初始化等。

電池電壓采集采用單片機的AD 端口進行采集，AD 采樣的精度為12 位，參考電壓為3.3 V。

傳感器數(shù)據(jù)讀取。傳感器數(shù)據(jù)采用IIC 總線與單片機通訊，單片機可能使用IIC 外設(shè)讀取傳感器的值。IIC 總線根據(jù)傳感器的地址位不同，單片機可以通過程序設(shè)定地址來選擇讀取某一個傳感器數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進行初始化，進入主循環(huán)程序。主循環(huán)程序包括電池電壓采集判斷程序(含電池個數(shù)、電池存放時間、電池類型程序)、傳感器數(shù)據(jù)采集與判斷程序、顯示屏的通訊程序、后臺監(jiān)控程序。

在電池放入箱體后，設(shè)備開始監(jiān)控電池電壓，定期會進行電壓分析。當發(fā)現(xiàn)某個電池電壓有問題時，告警處理啟動相應(yīng)告警器件，且通過通訊處理網(wǎng)絡(luò)上傳給后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

電池包裝箱智能化設(shè)計的主要目的有：一是響應(yīng)部隊信息化、智能化發(fā)展要求；二是滿足部隊提高信息化、智能化管理實際需要，大力提升水雷戰(zhàn)斗力；三是減輕官兵工作強度，提高工作效率。期望通過本文初步研究，引起有關(guān)方面重視，共同為實現(xiàn)水雷電池管理自動化、信息傳遞實時化、業(yè)務(wù)處理自動化、計劃決策智能化提供方案與策略。