基于樹莓派的電池管理系統設計與實現

蔡慶秋，王雙園，白國振，張志強

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

0 引言

作為電網運輸過程中的重要組成部分，儲能技術不僅可以有效地利用電力設備實現需求側管理，降低用電成本，還可以補償負荷波動，提高系統穩定性［1］。電池作為最具投資效益的儲能技術之一，因其安裝靈活，建設周期短而備受關注［2］。但是由電池串聯組成的電池包經過不斷循環的充放電后，電池內部材料特性逐漸發生變化，從而導致電池性能下降，壽命縮短［3］。為確保電池使用良好，并延長電池壽命，必須對電池進行合理有效的管理。文獻［4-6］基于嵌入式微處理器對電池數據進行實時監測和故障診斷，但是系統過于單一，僅依靠電池狀態發出警告信號并中斷電路，且容易受到外界干擾。文獻［7］對電池充電狀態進行實時監測，結合充電管理芯片保證電壓輸出穩定，但是缺少系統故障提示。文獻［8］采用ZigBee 無線通信技術對電池系統進行信息采集與傳輸，并增加了故障報警功能，但是忽略了該技術存在傳輸數據范圍短且傳輸速率較低的問題。文獻［9］結合電池監測芯片遠程監測車載蓄電池和用電器信息并統一管理，但是該系統缺乏遠距離通信功能設計，無法對電池狀態進行遠程管理。

隨著智能手機和電腦等移動端的普及，人們對生活方式的追求不斷智能化、便捷化。本文結合WiFi、NATDDNS（Network Address Translation-Dynamic Domain Name Server）技術、人機界面及傳感器，設計一種基于樹莓派的功能性電池管理系統，以更好地遠程化管理電池。該系統以樹莓派為核心處理器采集和處理電池信號，用戶可在電腦端使用VNC（Virtual Network Console）登錄樹莓派遠程監測系統數據。在此基礎上，基于HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）超文本傳輸協議，設立PC 或手機端為客戶端，樹莓派為服務器，通過NAT-DDNS 網絡地址轉換技術使服務器能夠接收到來自不同局域網的數據通訊，以此進行用戶手機等移動端與服務器端之間的數據傳輸，實現用戶遠程控制電池系統的功能。該系統能耗低、穩定可靠，且與傳統的單一系統相比具有多通訊協議，據此對電池的使用進行改善，有效減少了電池過充放電，保障電池的穩定使用，并延長電池壽命，滿足實際生活需求。

1 系統總體設計

電池管理系統設計采用軟硬件相結合的方式，以微型計算機樹莓派為核心，支持WiFi 及NAT-DDNS 網絡訪問技術，實現系統遠距離監測與控制功能，同時集成了信號采集單元，實現對儲能電池的數據采集與處理。該系統包括網絡通信模塊、信號采集模塊及系統控制模塊，系統總體框圖如圖1所示。

Fig.1 Overall block diagram of battery management system圖1 電池管理系統總體框圖

（1）網絡通信模塊實現用戶端與系統之間的數據傳輸及遠程控制，使用戶有效地遠程化監測與處理信號。用戶基于WiFi 將電腦端與樹莓派通過SSH 連接，并使用VNC登錄至樹莓派［10］，將樹莓派的視頻界面傳輸至PC 端，實現電池數據遠程觀測，在電池出現異常時系統發出警告以提醒用戶，具有一定的故障報警功能。同時，利用樹莓派搭建服務器，并設計人機交互界面，通過HTTP 協議，用戶可使用網絡訪問服務器實現遠程控制系統。當用戶與電池系統存在物理隔離時，通過外部移動設備進行網頁登錄訪問，從而對電池系統進行遠程化管理。

（2）信號采集模塊實現電池信號采集，并估算電池SOC 狀態。系統通過各類傳感器分別采集電池信號，并采用ADS1115 進行A/D 轉換［11］，轉換器節點連接至樹莓派GPIO（General-purpose input/output）引腳，并將數據傳輸至樹莓派上。

（3）系統控制模塊實現電池充放電管理。該模塊由樹莓派GPIO 與繼電器組成［12］。系統通過分析電池數據狀態參數，對電池充放電進行調節與控制，同時接受用戶遠程通訊指令以實現電池管理控制。

2 系統硬件結構設計

2.1 樹莓派

樹莓派（Raspberry Pi）是一款只有信用卡大小［13］，基于Linux 系統的微型電腦，由英國的樹莓派基金會開發。該系統使用樹莓派4B 作為核心處理器和關鍵硬件平臺，其芯片采用全新64 位BCM2711 四核處理器，支持雙頻IEEE802.11ac 無線網絡和千兆以太網，更好地滿足用戶通過PC 端遠程監測電池數據，同時具備無線通信功能，使其能夠作為服務器與客戶端實現遠程通訊傳輸，圖2 為樹莓派4B 的外形圖。此外，樹莓派通過GPIO 引腳實現傳感器與樹莓派之間的數據傳輸，完成電池信號采集，圖3 為樹莓派的GPIO 引腳圖。

Fig.2 Raspberry Pi 4B圖2 樹莓派4B

Fig.3 Raspberry Pi GPIO pin diagram圖3 樹莓派GPIO引腳圖

2.2 電池信號采集模塊

該系統的電池信號采集模塊由ACS712 電流采集模塊、電壓變送器、PT100 溫度傳感器、DS18B20 測溫模塊及ADS1115 組成，實現電池系統各信號采集，包括電池的電壓、溫度信號、環境溫度信號以及電池充放電時的電流信號。首先將各信號采集模塊與電池系統相連，采集電池各模擬量信號，然后通過高精度A/D 轉換器將各模擬量信號轉換成數字信號，最后將A/D 轉換器的管腳與樹莓派GPIO引腳相連，將數字量輸出至樹莓派界面，實現電池系統各數據的采集與監測，其硬件結構設計如圖4 所示。由于樹莓派自身內部沒有集成ADC（Analog to Digital Converter），因此通過外接ADS1115進行模數轉換。

Fig.4 Hardware structure design of battery data acquisition圖4 電池數據采集硬件結構設計

3 系統軟件架構設計

該系統支持HTTP 超文本傳輸協議和無線傳輸協議，系統以手機和PC 等移動端為客戶端，樹莓派為服務器，通過設計用戶與服務器之間進行交互的界面，并結合NATDDNS 架構，實現客戶端與系統的遠程連接，在此基礎上通過交互界面對系統進行遠程控制。

系統軟件設計主要完成以下功能：①WiFi 模塊遠程連接；②服務器功能；③用戶與系統遠距離通訊；④視頻界面遠距離傳輸。系統軟件設計包括NAT-DDNS 內網穿透模塊搭建、服務器搭建、人機交互界面搭建、VNC 界面搭建。

3.1 NAT-DDNS內網穿透模塊搭建

NAT 的實質是一種將私有網絡地址轉化為公網IP 地址的轉換技術［14］，包括靜態網絡地址轉換、動態網絡地址轉換、端口映射、網絡地址及端口轉換等，它被廣泛應用于各種Internet 接入方式，NAT 可以實現重用地址，并且可以有效地避免來自外部網絡的攻擊，實現對外隱蔽。該系統結合NAT-DDNS 技術，在樹莓派搭建的服務器內使用動態域名解析，通過云服務器與內網服務器建立連接，同時將內網端口映射到云端，用戶使用基于域名的互聯網訪問云服務器時，在HTTP 協議下，云服務器根據域名和端口會自動映射到對應的內網服務器靜態IP，實現用戶通過外網地址訪問到內網服務器搭建的服務應用，完成遠距離通訊。NAT-DDNS 內網穿透基本模型如圖5 所示，當用戶手機或PC 等移動端處于4G/5G 及其他局域網時，通過互聯網輸入私有網絡地址，云服務器接受到用戶發來的外網地址信號，并將其轉化成樹莓派的靜態IP 地址，通過WiFi 訪問至樹莓派組建的服務器，從而實現用戶與電池系統的遠程連接。

Fig.5 Basic model of NAT-DDNS intranet penetration圖5 NAT-DDNS內網穿透基本模型

NAT-DDNS 內網穿透模塊搭建步驟如下：

（1）利用樹莓派下載內網穿透軟件，并在終端上通過cd指令進入對應下載目錄，輸入如下指令進行安裝。

輸入指令：sudo dpkg-i phtunnel_5_0_rapi_armhf.deb

通過終端界面顯示此樹莓派的SN 碼、默認密碼（admin）和遠程管理地址，表示軟件安裝成功，如圖6所示。

Fig.6 Install peanut shell software圖6 安裝花生殼軟件

（2）啟動花生殼客戶端，配置軟件工作參數。用戶首次登陸管理網頁時需要補全資料、重新設置密碼，并開通內網穿透服務。映射類型選擇HTTP 協議，它是一種運行在TCP 協議之上的響應協議，具有操作便捷等特點，且效率比TCP 協議更高。根據用戶輸入的內網IP 地址及端口號等參數，花生殼會提供系統遠程訪問控制的地址，NATDDNS 轉換成功如圖7所示。

Fig.7 NAT-DDNS module builds a successful interface圖7 NAT-DDNS模塊搭建成功界面

當手機或PC 等客戶端打開后，隨著樹莓派開啟服務器功能，客戶端便可通過輸入外網地址進行HTTP 連接，同時服務器接受連接并在界面上通知用戶已完成連接，用戶利用人機交互界面實現對系統的遠程控制，其連接流程如圖8所示。

Fig.8 Connection flow of the client and the system圖8 客戶端與系統連接流程

3.2 服務器搭建

為了搭建人機交互界面，需要先將樹莓派轉變為一個Web服務器，提供用戶遠程訪問功能。

（1）在樹莓派終端安裝bottle 庫，將樹莓派作為一個小型網站。

輸入指令：sudo apt-get install python-bottle

（2）在樹莓派中建立文件夾，命名web.py。編寫以下程序：

3.3 人機交互界面搭建

該系統基于網頁搭建人機交互界面，人機交互界面是用戶與服務器之間傳遞、交換信息的對話接口，是整個系統的重要組成部分之一。通過交互界面與NAT-DDNS 架構相結合，實現用戶對系統的遠距離管理，增強了系統的功能性。

（1）在web.py 所屬文件夾中編寫控制界面，將文件命名為home.tpl，并編寫HTML 代碼。部分程序如下所示：

3.4 VNC界面搭建

VNC 是用戶使用PC 端遠程監測電池數據的重要技術，首先采用putty 的方式使電腦端與樹莓派無線連接，通過SSH 輸入路由器靜態IP 地址登錄，然后在PC 上通過tightVNC 客戶端啟動樹莓派的界面，如圖9 所示。通過VNC 界面的搭建實現樹莓派端與電腦端屏幕、鍵盤、鼠標的共享，使用戶能夠遠程監測系統各數據變化，并分析處理電池信號。

Fig.9 Raspberry Pi VNC interface圖9 樹莓派VNC界面

4 系統實現效果與功能測試

4.1 系統實現效果

4.1.1 遠程控制軟件

當系統連通網絡后，用戶在手機等移動端登錄NATDDNS 網址實現內網穿透，結合HTTP 協議將客戶端與樹莓派搭建的服務器相連接，并通過人機界面將電池開關控制信號傳輸至系統，實現遠程控制與管理，界面設計如圖10 所示。用戶通過點擊開關按鈕控制電池的充放電，增強了系統的便捷性與個性化。

Fig.10 Control interface圖10 控制界面

4.1.2 系統數據監測

系統基于Thonny Python IDE 軟件運行信號采集及處理程序，在樹莓派上顯示電池狀態并自我控制平衡。用戶通過VNC 界面遠程化監測電池狀態，并通過繼電器控制電池充放電的開關，實現系統自動化及遠程化管理。系統數據采集界面如圖11所示。

Fig.11 System data display interface圖11 系統數據監測界面

4.2 系統故障提示功能測試

電池溫度過高或者過低時會引起電池的功率和能耗變化［15］，進而影響電池的壽命和性能，因此系統出現故障時會給予用戶提示，表1 列舉了系統提示類型。該系統采用的硬件精度較高、抗干擾性強，故當系統出現異常時能及時發出警示，保證系統安全運行。

Table 1 System prompt type表1 系統提示類型

5 結語

本文設計了一種基于樹莓派的電池管理系統，通過HTTP 協議及NAT-DDNS 協議實現了用戶對電池系統的遠距離監測與管理。與傳統的電池管理系統相比，該系統具有遠程通訊功能，更好地滿足了用戶對電池系統的個性化管理，且系統信號采集精度高、數據傳輸范圍廣，同時具有故障提示功能，使其工作狀態保持在合理范圍內，提高了電池的安全性能，對電池管理系統發展具有良好促進作用。未來可以將智能壽命診斷及智能故障診斷等功能加入電池管理系統，搭建電池系統智能化管理框架，對未來電池的健康使用具有很好的參考價值。