水雷電池包裝箱智能化設計

周開華，李志華，陳蘭蘭

(海軍士官學校兵器系，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，水雷不能發揮應有的戰斗作用。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的手段之一。但是電池包裝箱結構簡單、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計，個別涉及到電池包裝箱氣密性檢查制造技術。對于電池包裝箱智能化設計研究基本處于空白。本文對水雷電池包裝箱現狀進行了分析，并在此基礎之上，對水雷電池包裝箱智能化設計進行了探討，以供有關方面參考。

1 現狀分析

1.1 電池管理規定

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之日算起，超過有效使用期不能作為戰用品使用，鋰電池儲存時間為5 年，電池到有效儲存期時，應及時報上級主管部門；

(3)電池電壓下降到規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 電池包裝箱現狀分析

水雷電池自出廠之日起，到投入戰斗使用之前，長期處于裝箱管理狀態。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運載體，為保障水雷電池處于良好性能狀態發揮了至關重要作用，圖1 為某型水雷電池包裝箱。根據調查發現，水雷電池包裝箱既具有許多優點，也存在一些不足。

圖1 某型水雷電池包裝箱

其主要優點有：(1)鋼質材料箱體防爆、耐沖擊，對箱內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，中間鋪設密封圈，箱內放置干燥劑，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腐蝕性氣體的產生，且通過壓力表顯示箱內氣壓的大小；(4)通過調節箱蓋卸壓閥卸放箱內氣體，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量比較多(圖1 中所示箱體有18 顆螺釘)，不利于快速反應；(3)不具備自動調節功能，當溫度超標、箱內氣壓超壓時，不能自動調節；(4)密閉情況下，難以清楚內部電池數量和電池性能狀態[3]；(5)不具備自動檢測功能，需取出箱內電池，利用專用檢測設備一一檢查；(6)電池漏液、腐蝕性氣體等危險現象產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現，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性部件進行智能化設計，包括以下三個方面，一是包裝箱功能設計；二是包裝箱硬件設計；三是包裝箱軟件設計。

2 包裝箱功能設計

恰當的功能定位是實現包裝箱智能化的前提，為此，要高度重視包裝箱功能設計。通過調查發現，電池包裝箱應該是一款集多功能于一體的智能化包裝箱，其應具備的特點包括：可操作性好；較強的防護能力；自動調節功能；自動報警功能；自動檢測與計時、計數功能；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量清點、電池性能檢測與維護保養。由于水雷電池儲量大，而相應崗位人員編配數量有限，部隊日常管理與維護工作任務十分繁重。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 自動調節功能

水雷電池在出廠、儲運、運往部隊使用過程中，外部環境在不斷發生變化。為了確保電池保管環境達到規定要求，一方面，電池包裝箱要能夠根據環境變化自動調節溫度，確保箱內溫度在5～25 ℃；另一方面，當電池產生腐蝕性氣體、壓力超標時，能夠自動卸放箱內氣體。

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，由于電池的儲存環境變化、搬運過程發生磕碰等原因，電池內部的電解液可能發生泄露，產生有毒氣體，甚至發生爆炸、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，都一律返廠處理。當箱內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，當電壓下降到規定值以下時，不允許安裝使用，需返廠處理。當箱內電池電壓下降到規定值時，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，有可能發生意外跌落，當這種情形發生時，應該及時報警，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控，能夠隨時檢測箱內各電池電壓，且計時顯示儲存期，計數顯示箱內電池數量。

2.6 信息化管理功能

智能化電池包裝箱不僅自身實現高度自動化和智能化，而且可以通過組網，能與外界進行數據交換，實現遠程監控、信息化管理。

3 包裝箱硬件設計

包裝箱硬件設計主要包括箱體結構設計和電路系統設計。

3.1 箱體結構設計

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

圖2 箱體外形設計效果圖

在箱體材料上統一采用高強度PP 改性工程塑料外殼，大大降低箱體質量。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。箱體后部設有航空接插件、通訊接口，實現電源輸入與信號通訊。

箱體內部做加固內襯、防震、抗沖擊設計，設置電池儲存單元和功能電路單元兩個區域。電池組呈豎立狀態放置在儲存單元，與相應槽位固定對應，電池接口朝上。可以實現電池組與電路板塊單元快插快拔。電路板控制區安裝有各種傳感器、電源轉換電路、溫度調控裝置。箱體內部大致布局如圖3 所示。

圖3 箱體內部設置效果圖

3.2 電路系統設計

包裝箱在內部電路板控制區設計有多款電路板，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、信號轉換板。它們與箱體上安裝的語音提示器、溫度調節器、壓力調節器、液晶顯示器等構成有機整體，形成硬件系統。電路板采用模塊化設計思路，方便后期硬件電路的擴展與維護[7-8]。從功能上講，主要由五個分系統組成：單片機管理系統；環境監測系統；電壓檢測系統；電源轉換系統；后臺監控管理系統。智能化電池包裝箱電路系統組成結構如圖4所示。

圖4 智能化電池包裝箱電路系統原理框圖

3.2.1 單片機管理系統

單片機控制系統是包裝箱智能化核心系統，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、數據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、溫度調節器、壓力調節裝置。此外，單片機控制模塊還兼有定時、計數、計算等功能。考慮到今后的發展，本系統還留有可擴展的接口。顯示模塊采用觸摸屏顯示，可以根據項目具體需求進行界面設計(UI)，通過人機交互操作，實現多組菜單界面切換與相應設置操作。

3.2.2 環境監測系統

環境監測系統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，可以實時監測包裝箱內溫濕度變化、有毒氣體的產生、氣體壓力大小，將測得信號轉成電信號，經信號轉換模塊，傳輸給單片機模塊采樣，單片機系統對照設定的標準值，啟動對應溫濕度調節器、壓力調節器、告警模塊、顯示器和語音提示器等。

3.2.3 電壓檢測系統

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

3.2.4 電源轉換及控制系統

智能化電池包裝箱內部設置有備用電源，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 后臺監控管理系統

后臺監控管理系統主要由信息控制中心、數據變換器、通訊模塊、單片機模塊和計算機終端等組成。箱體內部含有通訊電路，采用串口轉RS485 電路，通過程序設置串口參數。對于多個箱體與監控臺的通訊，需要對每個箱體進行地址參數設置。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控管理系統如圖5 所示。

圖5 智能化電池包裝箱后臺監控管理系統

4 軟件設計

軟件設計是實現自動化、智能化的關鍵之一。軟件框架結構與流程如圖6 所示。程序使用KEIL5 編譯器軟件模塊化編寫方式，函數之間可以相互調用，方便維護與更改。

圖6 軟件框架結構與流程圖

系統初始化包括系統時域初始化、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。

傳感器數據讀取。傳感器數據采用IIC 總線與單片機通訊，單片機可能使用IIC 外設讀取傳感器的值。IIC 總線根據傳感器的地址位不同，單片機可以通過程序設定地址來選擇讀取某一個傳感器數據。

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

在電池放入箱體后，設備開始監控電池電壓，定期會進行電壓分析。當發現某個電池電壓有問題時，告警處理啟動相應告警器件，且通過通訊處理網絡上傳給后臺監控系統。

5 結束語

電池包裝箱智能化設計的主要目的有：一是響應部隊信息化、智能化發展要求；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，引起有關方面重視，共同為實現水雷電池管理自動化、信息傳遞實時化、業務處理自動化、計劃決策智能化提供方案與策略。