某型防爆搬运车监测系统的设计与应用

郭 奎 张新福 杜 昊

（1.92942部队，北京 100161；2.内蒙古第一机械集团有限公司，包头 014030）

随着国内大型民用船舶如滚装船、散货船的数量越来越多，船上运载的货物类型也逐渐丰富。部分物资因其形状特殊、防爆要求等因素，对民船的性能提出了更高的要求。民船舱室内空间狭小，且装载有防爆电梯，用于从底层舱室内运送至甲板面。运载货物时由于受空间限制，货物一般采用长条形的储具存放和输转，由防爆搬运车两车共同托举将储具托起运输。储具一般宽度为1.5 m，长度从2.7 m到4.6 m不等。防爆搬运车采用两车对开输转，行驶时会造成其中一辆车背向行驶。因船舶空间狭小，通道内有各种障碍物，故行驶时要实时观察背后路况，以免产生碰撞，影响车辆行驶安全。防爆搬运车采用动力电池组作为驱动动力，需要实时观察电池组的动态，并观察每块动力电池的温度、电流、电压等，以及电池充电过程中的状态，以免过充、过放、温度过高等因素造成电池的损坏[1-2]。因此，监测系统要求能够实时监控防爆车的行驶情况，而且能够监测动力电池组及单体电池的使用状态，并在出现异常情况时第一时间报警，提醒操作人员及时开展下一步工作。

1 功能设计

根据防爆搬运车的使用要求，设计监测系统功能。监测系统主要具有视频监控、动力系统监测及数据显示等功能。功能模块主要包括数据显示模块、视频信号解析模块和数据通信模块。其中：数据显示模块主要根据设计界面要求采用WIN I/O访问层，使用系统底层输入/输出（Input/Output，I/O）读取的方式读取相应寄存器值来判断外部按键动作；视频信号解析模块主要用于接收来自前后摄像头的视频实时监控画面并进行信号解析和画面渲染；数据通信模块（RS-485）主要用于接收动力电池组中单体电池的监测数据，如电池的温度、电流、电压、剩余电量等详情监测以及电池充电过程中是否存在过充、过放、温度过高等状态监测，并通过设定的通信协议显示所需的电池的状态监测数据。上述各模块最终通过功能调度模块实时显示在显示屏上[3]。系统架构原理如图1所示。

图1 系统架构原理图

2 主要模块设计

2.1 GPIO按键

采用Windows内核驱动WIN I/O技术，控制、采集通用输入输出（General Purpose Input Output，GPIO）端口的通信状态，将所读取的I/O端口状态进行编译转码，向系统发送所专用的键值信息，以便系统进行相应功能状态的切换控制。GPIO管脚外部按键，需要连通GPI和GND，使其由+5 V变为0 V，另外设备上引出了GPI1和GPI2两个接口。

2.2 视频捕获

防爆搬运车上安装有2个摄像头，分别拍摄前后两个视角。前侧主要用于拍摄防爆搬运与储具对接时的画面，在显示屏上设置一条对准线，当切换到前摄像头视频显示画面时对准线自动出现，若与储具上的中线对齐，则可以完成防爆搬运车与储具的对接。后摄像头主要用于拍摄防爆搬运车后退时的画面。

视频采集时，需要先DX初始化所有资源，系统使用枚举设备DXGetDeviceCount、DXEnum-VideoDevices获取当前所有可使用的视频采集设备，并放入临时数组。根据配置参数，打开相应的视频采集设备，建立相应的信号通道，可以读取和显示视频预览。在进行功能切换时，将自动停止视频读取功能，停止向界面输出视频信号流，同时断开相应的信号通道，以提高系统资源的可用性。

2.3 数据通信解析

利用电池状态监测系统与底层管理系统构建特定的通信通道，按照管理系统的专用通信协议，对所有通道接收的实时电池元数据，如单体电池的温度、电压、电流以及电池组的总电压、电流等数据进行校验、过滤，并按协议约定解读电池元数据，以供电池状态监测系统中各管理系统相关功能模块实时展示数据信息[4]。防爆搬运车由两组电池作为动力源，由底层管理系统进行管理。管理系统采集相应单体电池的电压、温度等，以及电池组的充放电电流、总电压等数据，根据通信协议将数据上传至显示状态，由操作人员根据电池状态及电池组电量等信息及时作出反应。单体电池数据上传后，由系统对检测到的单体电池电压温度和电池组电压电流数据进行分析，依照设定保护门限对电池进行告警保护。按照内部算法计算电池容量，控制检测均衡单元对超前电池进行均衡。同时，根据电池的电压或充放电电流判断电池的状态，并控制电池的输入输出。此外，将电池实时数据和状态显示在液晶显示屏上，并在告警保护时产生声光报警[5]。

监控终端采用RS-485总线实现数据的接收处理，可以实现一对多的通信。数据传送采用异步方式，起始位1位，数据位8位，停止位1位。无校验信息上传的顺序为概要信息、单体电压、单体温度。概要信息、单体电压、单体温度上传间隔为500 ms。数据传送速率为9 600 b·s-1。流程图如图2所示。

图2 数据解析流程图

2.4 功能调度控制

对电池状态监测系统内部的各个功能模块进行统一管理、调度及控制。响应经由操作系统转发的外部功能切换按键所产生的功能切换信息，按照电池状态监测系统与其功能代码进行统一调度激活，并将相应功能模块置为活动状态，方便操作人员使用相应功能[6]。它的主要操作流程如图3所示。

图3 功能调度控制流程图

为能够在显示屏上实时显示监测状态，利用上述功能调度控制功能，实现对视频监控、单体电池状态、电池组状态等信息的切换。操作人员可以根据电池显示状态判断电池状态，并根据报警信息判断动力系统的故障原因，从而快速排除动力系统故障。例如，在充电过程中单体电池报警，提示操作人员电池温度过高，操作人员可将界面切回到电池监控界面，观察哪块电池出现故障，找到故障原因并及时排除。

3 测试与应用

监测系统设计完成后加装在防爆搬运车上，通过显示系统可以完整观察作为动力源的电池组及单体电池的状态，如可观测到电池组的总体电量以及单体电池的电压、容量、温度等信息，也可以在单体电池出现异常时提供报警，以便操作人员能够定位到哪块电池出现故障，如温度异常、容量过低等。当车辆需要与货物承载储具对接或向后倒车时，可随时切换屏幕进入视频监控界面。在该界面上绘制有红色十字线，当红色十字线与承载储具上标识线对齐时，车辆与储具能够对接成功[7]。图4为电池组观测界面，通过显示界面可以直观观察电池组的总电流、总电压以及总容量，并且可以显示告警信息，以便操作人员根据告警信息判断故障，并予以及时处理。图5为单体电池的电压、温度等信息显示，操作人员能够实时观察某块单体电池的状态，从而准确判断某块电池故障。

图4 电池组信息及告警信息显示

图5 单体电池信息显示

4 结语

监测系统的设计与应用解决了防爆搬运车在运行过程中遇到的监测前后视频画面异常、电池状态性能无法显示等问题，使防爆搬运车能够在船舶狭小通道空间内正常运行，避免了运行过程中与通道内的障碍物发生碰撞，能够满足防爆车运载大型长条形货物储具的特殊要求，并能够监测动力电池组的状态实时显示数据，能够判断故障声光报警。同时，根据防爆搬运车的防爆性能要求，采用防爆线缆、防爆接头等元器件将显示终端放置在隔爆箱内，且其电磁兼容检验和防爆性能检验均符合整车设计性能要求。