燃料電池檢測與監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)探究

李強

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

關(guān)鍵詞：燃料電池;檢測與控制;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日益加劇，國家大力倡導(dǎo)新能源發(fā)展方向，這里面的燃料電池都已經(jīng)正在成為重點研究內(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)雜的動態(tài)性能，如溫度動態(tài)變化、濕度動態(tài)變化、功率動態(tài)變化、性能時間衰減、內(nèi)部反應(yīng)物濃度動態(tài)變化和單片電池相關(guān)性能離散等具體特點。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)需要進行具體的檢測和管理控制，同時這些具體檢測到的實際數(shù)據(jù)能夠促進將來深入分析研究燃料電池自身性能特點和不斷完善改進燃料電池內(nèi)部系統(tǒng)。針對目前燃料電池內(nèi)部需要開展特別精確的檢測與控制工作，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)目前智能化檢測的時代發(fā)展趨勢，主要研究開發(fā)了根據(jù)樹莓派系統(tǒng)平臺的先進燃料電池系統(tǒng)智能遠程管理監(jiān)控系統(tǒng)。

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

系統(tǒng)內(nèi)部的上位機和下位機確定

樹莓派系統(tǒng)平臺是最早通過英國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微型電腦控制主板，本身具有工作功耗低、功能性能強等明顯優(yōu)點。因此，采取樹莓派平臺作為系統(tǒng)內(nèi)部的上位機部分。樹莓派平臺僅能夠提供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。因為Arduino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，操作過程簡單，因此，采用Arduino作為內(nèi)部系統(tǒng)下位機部分。

單片電池電壓部分的內(nèi)部巡檢模塊設(shè)計

燃料電池系統(tǒng)通常通過多片單體電池進行串聯(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)部單片電壓進行巡檢模塊的設(shè)計工作十分關(guān)鍵。目前，常用的單片電池巡檢方法主要涵蓋機械繼電器部分檢測法、系統(tǒng)電壓分壓法、系統(tǒng)差分放大器部分隔離法等方式。由于機械繼電器部分檢測法自身轉(zhuǎn)換時間特別長，不適合開展實時檢測工作，而系統(tǒng)電壓分壓法自身的測量精度十分差，因此選取完善改進后的系統(tǒng)差分放大器部分隔離檢測法，這種檢測方式轉(zhuǎn)換時間能實現(xiàn)微秒級的水平，達到系統(tǒng)開關(guān)次數(shù)無限同時自身測量精度特別高，但制造成本很高。

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

燃料電池內(nèi)部檢測與控制工作系統(tǒng)軟件基本組成

燃料電池內(nèi)部遠程管理監(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GPIO管理控制功能，同時應(yīng)該進一步開展設(shè)計良好的人機交互交流的平臺界面。軟件設(shè)計內(nèi)部一共能夠分為4個具體的模塊，這四個模塊分別是系統(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)存在的各種實時狀態(tài)參數(shù)，并按照USB通信的方式發(fā)送到樹莓派平臺部分;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)遠程管理控制模塊的主要作用是負責(zé)進一步執(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一步實現(xiàn)人機交互交流。

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語言部分進行編寫，最后將相關(guān)的程序內(nèi)容燒錄到Arduino里面進行運行工作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊還能夠具體細分為三個小模塊部分，包括系統(tǒng)擴展采集數(shù)據(jù)板的管理控制、模擬量的對應(yīng)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)信息發(fā)送。當(dāng)單片機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)完成采集對應(yīng)模擬量通過ADC方式進行轉(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語言進行編寫完成，同時在樹莓派平臺的Raspbian系統(tǒng)里面進行工作運行。首先，采取調(diào)用Python語言編寫的相關(guān)MySQL數(shù)據(jù)庫里對應(yīng)的文件實現(xiàn)連接云數(shù)據(jù)庫的目的，然后開展USB通信工作，進一步獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊部分發(fā)送過來的信息數(shù)據(jù)，最后實現(xiàn)循環(huán)監(jiān)聽工作開始等待信息數(shù)據(jù)、檢測信息數(shù)據(jù)部分的準確性、進行信息數(shù)據(jù)整理工作、在本地位置進行信息數(shù)據(jù)的實時保存同時傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫里面。

系統(tǒng)遠程管理控制模塊

系統(tǒng)遠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)控制命令信號的實時通信工作，但其自身的原理和遠程監(jiān)測工作順序相反。系統(tǒng)遠程管理控制通過GUI相關(guān)應(yīng)用程序進行發(fā)送對應(yīng)的控制信號，然后通過樹莓派平臺實現(xiàn)登錄云數(shù)據(jù)庫的操作，從而實現(xiàn)獲取相關(guān)控制指令，同時利用GPIO口進行指令執(zhí)行工作。

相關(guān)GUI應(yīng)用程序設(shè)計部分

燃料電池內(nèi)部檢測與控制系統(tǒng)能夠充分運用GUI應(yīng)用程序，實現(xiàn)減少界面設(shè)計工作與邏輯設(shè)計工作之間耦合度，真正能夠?qū)崿F(xiàn)完成一次開發(fā)，保證多平臺進行使用的功能。主要包括系統(tǒng)登錄和內(nèi)部功能索引檢索模塊、系統(tǒng)實時管理監(jiān)測模塊、系統(tǒng)離線監(jiān)測管理模塊和系統(tǒng)遠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的上位機和ArduinoUno系統(tǒng)部分的下位機進行燃料電池內(nèi)部遠程管理監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作，燃料電池內(nèi)部檢測與控制工作系統(tǒng)本身具有工作體積小、運行功耗低、制造成本低等明顯優(yōu)點，同時能夠支持信息數(shù)據(jù)定時備份存儲、信息數(shù)據(jù)導(dǎo)出等具體功能。

參考文獻

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