基于Wi F i技術(shù)的軍用蓄電池智能化管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

蔡燦偉，焦貴偉，陳翠華，劉闖

（1. 陸軍炮兵防空兵學(xué)院兵器工程教研室，安徽 合肥 230031；2. 陸軍炮兵防空兵學(xué)院高過(guò)載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

0 引言

在高新技術(shù)作戰(zhàn)環(huán)境背景下，裝甲機(jī)械化部隊(duì)作為快速反應(yīng)部隊(duì)，能否實(shí)現(xiàn)快速部署，是奪取戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)、贏取戰(zhàn)斗勝利的重要保證。然而，經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我軍離高新技術(shù)條件下的快速反應(yīng)能力還有很大的差距，一些裝甲機(jī)械化部隊(duì)全裝訓(xùn)練準(zhǔn)備時(shí)間需要花費(fèi) 15 a，其中蓄電池的準(zhǔn)備工作就占用了 10 a。由此可見(jiàn)，偏弱的蓄電池使用管理水平嚴(yán)重影響了部隊(duì)的武器裝備快速保障能力。

目前，我軍大多數(shù)部隊(duì)對(duì)于蓄電池的使用管理，依舊采用人工作業(yè)的方式。這種方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且在具體實(shí)踐過(guò)程中更多依賴于技術(shù)人員的個(gè)人素質(zhì)和責(zé)任心，往往會(huì)因?yàn)槿说囊蛩囟鴮?dǎo)致蓄電池使用和維護(hù)管理不當(dāng)，使蓄電池的使用壽命和利用率達(dá)不到預(yù)期的效果，致使蓄電池過(guò)早的淘汰或者損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，蓄電池作為我軍機(jī)械化、摩托化部隊(duì)、炮兵裝甲兵部隊(duì)裝甲車輛等武器裝備的后備能源，提高蓄電池在實(shí)戰(zhàn)化作戰(zhàn)背景下的工作可靠性、穩(wěn)定性和使用效率，建立軍用蓄電池智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，改善部隊(duì)蓄電池使用和維護(hù)管理現(xiàn)狀，有著其現(xiàn)實(shí)意義。

基于上述因素的考慮，我們?cè)谇叭搜芯康幕A(chǔ)之上，利用現(xiàn)代信息技術(shù)的有力成果，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控、無(wú)人值守的管理方式，應(yīng)用智能化技術(shù)手段，研究和設(shè)計(jì)了基于 WiFi 技術(shù)的軍用蓄電池智能化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，對(duì)于提高軍用蓄電池的利用率和使用壽命，節(jié)約部隊(duì)開(kāi)支和提高部隊(duì)快速保障能力，具有重要的軍事經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于 WiFi 技術(shù)的軍用蓄電池智能化管理系統(tǒng)以蓄電池電壓、電流、溫度，以及容量等性能參數(shù)作為監(jiān)控對(duì)象，從數(shù)據(jù)信息和控制指令的產(chǎn)生、傳輸、處理的過(guò)程加以分析。如圖 1 所示，該系統(tǒng)主要由通信網(wǎng)絡(luò)、傳感節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端 3 個(gè)部分組成[1-3]。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

通信網(wǎng)絡(luò)：采用 WiFi 無(wú)線局域網(wǎng)作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸單元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蓄電池保養(yǎng)間、部隊(duì)裝備儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)和訓(xùn)練場(chǎng)等場(chǎng)所之間信息數(shù)據(jù)的傳輸，以及控制指令的傳達(dá)。

傳感節(jié)點(diǎn)：在軍用蓄電池上安裝 WiFi 無(wú)線收發(fā)模塊，作為系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制裝置和遠(yuǎn)程控制終端的“永遠(yuǎn)連線”。

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端：由無(wú)線手持終端、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、PC 機(jī)和 Web 服務(wù)器等組成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過(guò)軟件程序?yàn)g覽查看蓄電池主要參數(shù)的歷史信息、當(dāng)前使用狀態(tài)和健康狀態(tài)評(píng)估。若監(jiān)測(cè)到蓄電池出現(xiàn)異常，能夠報(bào)警提示，并且操作人員可通過(guò)命令界面進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)管理工作。

2 蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集及現(xiàn)場(chǎng)控制裝置的設(shè)計(jì)

軍用蓄電池智能化管理系統(tǒng)的 WiFi 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)是蓄電池智能化管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行裝置。這些安裝在軍用蓄電池上的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的采集，以及蓄電池使用和維護(hù)管理的控制操作，包括蓄電池WiFi 數(shù)據(jù)采集裝置、武器裝備蓄電池組在線工作狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置和蓄電池自動(dòng)化保養(yǎng)間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置[4-6]。

2.1 蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)控制裝置的設(shè)計(jì)

在配發(fā)給部隊(duì)的蓄電池上安裝一個(gè) WiFi 數(shù)據(jù)采集裝置（見(jiàn)圖 2），用來(lái)實(shí)時(shí)采集蓄電池儲(chǔ)放擱置狀態(tài)下各主要技術(shù)參數(shù)的變化規(guī)律，從而掌握蓄電池的儲(chǔ)存狀態(tài)，為蓄電池做出合理的維護(hù)意見(jiàn)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。蓄電池 WiFi 數(shù)據(jù)采集裝置主要由 WiFi 通信模塊、電子標(biāo)簽?zāi)K、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成（見(jiàn)圖 3）。

圖2 蓄電池 WiFi 數(shù)據(jù)采集裝置單元示意圖

圖3 蓄電池 WiFi 數(shù)據(jù)采集裝置硬件功能框圖

2.2 武器裝備用蓄電池組在線狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)

武器裝備蓄電池組在線狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，主要由 WiFi 通信、數(shù)據(jù)采集、充放電控制和數(shù)據(jù)處理 4 個(gè)大模塊組成。此裝置主要用來(lái)實(shí)時(shí)采集蓄電池在線工作時(shí)的溫度、電壓和電流等技術(shù)參數(shù)，并通過(guò) WiFi 通信模塊傳遞給監(jiān)控終端進(jìn)行監(jiān)控、分析、處理和決策，然后再根據(jù)監(jiān)控終端返回的相關(guān)維護(hù)指令自動(dòng)完成相應(yīng)的充放電控制動(dòng)作。具體的硬件功能如圖 5 所示。

圖4 蓄電池組在線狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 蓄電池組在線狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置硬件功能框圖

2.3 蓄電池自動(dòng)化保養(yǎng)間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)

部隊(duì)軍用蓄電池自動(dòng)化保養(yǎng)間主要分 5 個(gè)區(qū)域：蓄電池檢測(cè)區(qū)域、蓄電池維護(hù)區(qū)域、蓄電池充放電區(qū)域、蓄電池出入庫(kù)信息登記區(qū)域和蓄電池貯存區(qū)域（見(jiàn)圖 6）。如圖 7 所示，蓄電池自動(dòng)化保養(yǎng)間的具體工作過(guò)程如下[7-8]：

（1）需要進(jìn)行維護(hù)的蓄電池入庫(kù)之后，進(jìn)行相關(guān)信息登記，然后存放在貯存區(qū)域，排隊(duì)等待維護(hù)保養(yǎng)，直到蓄電池維護(hù)保養(yǎng)工作正式開(kāi)始；

（2）蓄電池維護(hù)保養(yǎng)模式開(kāi)啟之后，首先在蓄電池檢測(cè)區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行二維碼掃描和電子攝像攝影，獲取蓄電池健康狀態(tài)和型號(hào)類別等參數(shù)，同時(shí)檢測(cè)裝置向監(jiān)控終端發(fā)射充電器和充放電接口選擇信號(hào)；

（3）根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，在蓄電池維護(hù)區(qū)域進(jìn)行清潔蓄電池表面，固定蓄電池極板接線柱，以及添加蓄電池電解液等簡(jiǎn)單的維護(hù)操作；

圖6 蓄電池自動(dòng)化保養(yǎng)間平面結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 蓄電池自動(dòng)化保養(yǎng)間工作流程示意圖

（4）蓄電池簡(jiǎn)單的維護(hù)工作結(jié)束之后，將蓄電池放到自動(dòng)式履帶輸送裝置，向充放電接口進(jìn)行自動(dòng)輸送；

（5）待蓄電池運(yùn)送到相應(yīng)的自動(dòng)升降裝置之后，該裝置立即上升，將蓄電池自動(dòng)輸送到機(jī)械手操作平臺(tái)，然后自動(dòng)下降恢復(fù)原位；

（6）機(jī)械手操作平臺(tái)接收到蓄電池之后，機(jī)械手自動(dòng)完成充放電接口和蓄電池兩極之間的線路連接，完成充放電維護(hù)過(guò)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和充放電管理；

（7）充放電維護(hù)結(jié)束之后，機(jī)械手自動(dòng)完成充放電接口和蓄電池兩極之間線路的斷開(kāi)，至此蓄電池維護(hù)保養(yǎng)工作結(jié)束，進(jìn)行相關(guān)信息登記后即可出庫(kù)。

由上述蓄電池保養(yǎng)間的工作過(guò)程來(lái)看，能否實(shí)現(xiàn)蓄電池自動(dòng)化維護(hù)和保養(yǎng)的關(guān)鍵之處決定于蓄電池自動(dòng)化保養(yǎng)間的充放電維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置。其具體的工作流程如圖 8 所示。

圖8 蓄電池自動(dòng)化保養(yǎng)間現(xiàn)場(chǎng)控制裝置工作流程示意圖

3 系統(tǒng) WiFi 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

若以常規(guī)的一個(gè)炮兵團(tuán)作為研究對(duì)象，按照我軍現(xiàn)行的軍隊(duì)編制，一個(gè)團(tuán)下轄 6 個(gè)營(yíng)。如果以一個(gè)營(yíng)為基礎(chǔ)站點(diǎn)，一個(gè)團(tuán)級(jí)單位至少要設(shè)立 6 個(gè)蓄電池維護(hù)保養(yǎng)間站點(diǎn)。如果每個(gè)營(yíng)區(qū)占地半徑按1000 m 計(jì)算的話，那么蓄電池至少分布在半徑為6000 m 的范圍內(nèi)，這里還不包括野外訓(xùn)練場(chǎng)。因此，在布置 WiFi 接入點(diǎn)時(shí)，盡量考慮在蓄電池保養(yǎng)間和部隊(duì)裝備倉(cāng)庫(kù)，以及部隊(duì)營(yíng)區(qū)訓(xùn)練場(chǎng)附近都要設(shè)置 WiFi 接入點(diǎn)（WiFi 基站）。

在本設(shè)計(jì)中，我們將無(wú)線路由器作為 WiFi 接入點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池分布區(qū)域 WiFi 無(wú)線局域網(wǎng)的通信。WiFi 數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲捎谩包c(diǎn)對(duì)點(diǎn)”，即每個(gè) WiFi 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)與 WiFi 接入點(diǎn)建立一條單獨(dú)的數(shù)據(jù)傳輸信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；WiFi 數(shù)據(jù)傳輸方式采用雙工數(shù)據(jù)傳輸，即一端的 DTE 既為數(shù)據(jù)源又為數(shù)據(jù)宿，另一端的 DTE 既為數(shù)據(jù)宿又為數(shù)據(jù)源。

從系統(tǒng)整體來(lái)看，系統(tǒng)監(jiān)控終端（上位機(jī)）和蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集，及現(xiàn)場(chǎng)控制裝置（下位機(jī)）之間的數(shù)據(jù)通信不光包括采集蓄電池電壓、電流和溫度等物理量參數(shù)的數(shù)據(jù)通信，還包括監(jiān)控終端對(duì)蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)控制裝置電磁閥或繼電器等開(kāi)關(guān)量的通信。系統(tǒng) WiFi 數(shù)據(jù)通信，以及數(shù)據(jù)采集與接收的具體流程圖如圖 9～12 所示。

圖9 系統(tǒng) WiFi 數(shù)據(jù)通信的流程示意圖

圖10 下位機(jī)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程示意圖

圖11 上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控過(guò)程示意圖

圖12 上、下位機(jī)之間開(kāi)關(guān)量指令的傳輸示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

建立基于 WiFi 技術(shù)的軍用蓄電池智能化管理系統(tǒng)，可以極大地改善目前我軍對(duì)蓄電池使用和維護(hù)管理的現(xiàn)狀，降低蓄電池維護(hù)管理的人工作業(yè)成分，提高部隊(duì)對(duì)蓄電池使用和維護(hù)管理的效率。同時(shí)，還可以通過(guò)設(shè)計(jì)的蓄電池智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蓄電池使用和維護(hù)管理的遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)確保蓄電池處于良好的性能狀態(tài)投入到實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練和作戰(zhàn)使用中去。

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