劉瑞瑞，朱煜坤，吳仕情

（彩虹無人機(jī)科技有限公司，北京 100074）

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)憑借其安全、靈活的特點(diǎn)，在民用與軍用領(lǐng)域的作用日漸凸顯[1]。鋰電池作為無人機(jī)的關(guān)鍵能源部件，相比其他類型蓄電池，鋰電池具有能量密度高、放電倍率大、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在無人機(jī)領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展[2]。與此同時，鋰電池的廣泛使用對電池的存儲系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)，在軍用無人機(jī)領(lǐng)域，為了保證鋰電池的存放安全與緊急出動，需要部分鋰電池保持滿電戰(zhàn)備狀態(tài)、部分保持半電存儲狀態(tài)，同時還要實(shí)現(xiàn)鋰電池的定期維護(hù)，傳統(tǒng)的存儲方式依靠人員手工記錄與定期監(jiān)測，效率低且容易出錯。

本文提出了一種基于ESP32 平臺與MQTT 協(xié)議的無人機(jī)鋰電池存儲系統(tǒng)。ESP32 作為主控芯片，可實(shí)現(xiàn)鋰電池的溫度采集、單體電壓監(jiān)測、維護(hù)時間記錄等功能，同時，通過運(yùn)行于阿里云ECS 的MQTT 代理（Broker）與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端完成MQTT 消息交互，從而實(shí)現(xiàn)批量鋰電池存儲狀態(tài)的數(shù)字化實(shí)時監(jiān)控與記錄，有效減少人力物力，提高效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于MQTT 的無人機(jī)鋰電池存儲系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制器、云服務(wù)器、遠(yuǎn)程測控終端三個主要部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 鋰電池存儲系統(tǒng)框圖

從圖中可見，系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制器基于ESP32 硬件平臺實(shí)現(xiàn)鋰電池信息的采集與控制，現(xiàn)場控制器通過WiFi 與云服務(wù)器通信，借助阿里云ECS 搭建MQTT 代理（Broker），完成存儲系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)發(fā)，系統(tǒng)中遠(yuǎn)程監(jiān)控終端為筆記本電腦或者手機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)鋰電池存儲信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 現(xiàn)場控制器

2.1 硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場控制器是測試系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)鋰電池信息采集、處理與分發(fā)，現(xiàn)場控制器的組成框圖如圖2 所示。

圖2 測試系統(tǒng)框圖

現(xiàn)場控制器由ESP32 芯片及核心外圍電路組成，ESP32采用兩個哈佛結(jié)構(gòu)Xtensa LX6 CPU 構(gòu)成雙核系統(tǒng)。它將天線開關(guān)、RF balun、功率放大器、濾波器、電源管理模塊等功能集于一體，只需極少的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的處理性能、可靠的安全性能和WiFi 及藍(lán)牙功能[3-4]。該模塊處理速度快、接口豐富，非常適合基于無線WiFi 或者藍(lán)牙的工業(yè)控制領(lǐng)域。

2.1.1 RTC 時鐘與數(shù)據(jù)存儲電路

長期存儲過程中，為保持鋰電池的活性，需要定期對電池進(jìn)行充放電維護(hù)，現(xiàn)場控制器設(shè)計(jì)基于DS1302 的實(shí)時時鐘電路，對鋰電池的維護(hù)時間進(jìn)行計(jì)時，當(dāng)電池維護(hù)周期接近時提醒管理人員進(jìn)行維護(hù)操作。時鐘電路如圖3 所示。

圖3 RTC 實(shí)時時鐘與存儲電路

RTC 實(shí)時時鐘電路由DS1302 時鐘芯片與外圍電路組成，選擇系統(tǒng)電源與板載鋰電池雙路供電，保證時鐘的連續(xù)性。通信接口經(jīng)過上拉后與ESP32 處理器的I2C 接口連接通信，處理器定時讀取時間信息，從而完成維護(hù)時間計(jì)時。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)溯源，現(xiàn)場控制器設(shè)計(jì)TF 卡存儲電路，板載16 GB 存儲卡，TF 卡通過SDIO 接口與處理器實(shí)時通信，完成采集數(shù)據(jù)的實(shí)時記錄。

2.1.2 溫度檢測電路

鋰電池存儲過程中，為保證鋰電池的安全，實(shí)時監(jiān)測鋰電池組內(nèi)部溫度并上報(bào)，鋰電池溫度采集電路如圖4 所示。

圖4 溫度檢測電路

鋰電池組內(nèi)部溫度傳感器選擇PT-100 溫度傳感器，由基準(zhǔn)電源為電橋供電，溫度傳感器信號經(jīng)過電橋電路放大后輸出到ESP32 芯片的A/D 接口，完成溫度數(shù)據(jù)的采集。

2.1.3 單體檢測電路

鋰電池存儲過程中，現(xiàn)場控制器實(shí)時監(jiān)控鋰電池單體電壓，當(dāng)單體壓差超過安全閾值后及時報(bào)警，防止電池?zé)崾Э?。本文控制器中選擇ADI 公司出品的LTC6811 作為鋰電池單體狀態(tài)監(jiān)測芯片，最多可支持12 節(jié)電池單體串聯(lián)，測量精度不大于1.2 mV，可在290 μs 內(nèi)完成所有電池參數(shù)的測量[5]。

如圖5 所示，鋰電池單體檢測電路由LTC6811 與其外圍電路組成，由于系統(tǒng)中只有一片主控芯片，所以A0 ～A3均接地，芯片通過SPI 接口與處理器通信，處理器定時查詢電壓信息，監(jiān)測單體電壓是否正常，并將單體電壓通過MQTT 協(xié)議上報(bào)。

圖5 單體監(jiān)測電路

2.2 現(xiàn)場控制器軟件設(shè)計(jì)

硬件是控制器的功能載體，配合軟件才能實(shí)現(xiàn)電池存儲系統(tǒng)的功能，因此軟件系統(tǒng)是控制器的重要組成部分。

控制器選擇FreeRTOS 操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS 為一款輕量級實(shí)時操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)，采用搶占式與時間片輪轉(zhuǎn)的混合調(diào)度機(jī)制，代碼簡單小巧，非常適合于單片機(jī)、ARM等處理器[6-7]。

應(yīng)用軟件流程如圖6 所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)以及外設(shè)的初始化，啟動文件系統(tǒng)，然后進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)連接之后，連接遠(yuǎn)程MQTT 服務(wù)器并添加所需訂閱的Topic 主題，隨后啟動FreeRTOS 操作系統(tǒng)開始程序調(diào)度，主程序分為三個任務(wù)：

圖6 軟件流程

（1）訂閱任務(wù)，當(dāng)檢測到云端MQTT 代理（Broker）推送的訂閱信息后，完成訂閱的指令消息解析并執(zhí)行相應(yīng)指令；

（2）推送任務(wù)，定時采集鋰電池的各類狀態(tài)信息，按照Topic 格式打包后發(fā)布至云端MQTT 代理（Broker），便于遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測；

（3）故障檢測任務(wù)，解析采集的鋰電池狀態(tài)參數(shù)，與規(guī)定閾值對比后判斷是否異常，當(dāng)出現(xiàn)異常時發(fā)出報(bào)警信息，并將采集的參數(shù)存儲。

3 基于MQTT 的數(shù)據(jù)通信

3.1 通信系統(tǒng)構(gòu)架

無人機(jī)鋰電池存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信由三個主體組成：現(xiàn)場控制器、云服務(wù)器、遠(yuǎn)程終端。其中，現(xiàn)場控制器負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸、控制；云服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；遠(yuǎn)程終端用于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與控制。

鋰電池存儲系統(tǒng)通信選擇MQTT 協(xié)議，MQTT 協(xié)議是一種基于“訂閱/發(fā)布”的輕量級應(yīng)用層協(xié)議，旨在為低帶寬、不可靠網(wǎng)絡(luò)中資源受限的設(shè)備提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[8]。MQTT 數(shù)據(jù)基于消息代理（Broker），使得各設(shè)備之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方便，各節(jié)點(diǎn)無需關(guān)注其他節(jié)點(diǎn)的特性和格式，只要訂閱其主題（Topic）就可接收相應(yīng)的消息，這使得多節(jié)點(diǎn)之間消息傳輸方便，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。此外，MQTT 通信相對于TCP/UDP 傳輸方式加入了DTLS 層和應(yīng)用層的密碼認(rèn)證，使得通信過程更加安全[9]。

通信系統(tǒng)采用“C/S”（客戶端/服務(wù)器）構(gòu)架，多個現(xiàn)場控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端作為客戶端，與部署MQTT 代理（Broker）的阿里云服務(wù)器保持長連接?，F(xiàn)場控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端同時作為MQTT 消息的發(fā)布者與訂閱者，經(jīng)過參數(shù)通道與指令通道完成數(shù)據(jù)交互。

哈爾濱市供暖時間為6個月，本項(xiàng)目經(jīng)過1個采暖季的運(yùn)行后，累計(jì)耗電為506萬度。電價按0.5元/度計(jì)算，核算成本為38元/GJ，折合供熱面積15元/m2。

（1）參數(shù)通道，現(xiàn)場控制器作為發(fā)布者，發(fā)布被測鋰電池的溫度、電壓、維護(hù)時間等信息；遠(yuǎn)程監(jiān)控終端作為訂閱者，訂閱由MQTT 代理（Broker）轉(zhuǎn)發(fā)的鋰電池參數(shù)，完成系統(tǒng)參數(shù)的遠(yuǎn)程顯示與存儲。

（2）指令通道，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端作為發(fā)布者，發(fā)布鋰電池加熱、時間同步等指令，現(xiàn)場控制器作為訂閱者，訂閱由MQTT 代理（Broker）轉(zhuǎn)發(fā)的指令信息，實(shí)現(xiàn)鋰電池的狀態(tài)控制。

3.2 云服務(wù)器通信

云服務(wù)器是該系統(tǒng)的通信中心，云服務(wù)器使用阿里云ECS，搭載Ubuntu 操作系統(tǒng)，部署MQTT 系統(tǒng)代理（Broker），同時與現(xiàn)場控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時轉(zhuǎn)發(fā)。

目前商業(yè)MQTT 代理（Broker）可選阿里、騰訊、亞馬遜、華為等廠商提供的微消息隊(duì)列服務(wù)，功能齊全但價格較高，因此本文選擇國產(chǎn)開源MQTT 代理（Broker）服務(wù)EMQX，單點(diǎn)可支持100 萬以上MQTT 的設(shè)備連接，支持MQTT、HTTP、WebSocket 等協(xié)議[10]，并且提供圖形化配置界面Dashboard，可以方便的完成MQTT 通信參數(shù)配置，同時實(shí)時監(jiān)測MQTT 代理狀態(tài)。EMQX 代理的配置Dashboard如圖7 所示。

圖7 EMQX Dashboard 界面示意圖

阿里云ECS 上部署EMQX 服務(wù)后，可以通過Dashboard完成MQTT 通信參數(shù)配置、密碼管理，同時實(shí)時觀測各個終端設(shè)備的連接情況與MQTT 代理的負(fù)載狀態(tài)。運(yùn)行于阿里云ECS 的MQTT 代理（Broker）24 小時不間斷運(yùn)行，將現(xiàn)場控制器的反饋溫度、電壓、維護(hù)時間等參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控端地址端口，同時將遠(yuǎn)程監(jiān)控端的指令信息轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)現(xiàn)場控制器，從而完成無人機(jī)鋰電池存儲系統(tǒng)的通信。

3.3 消息結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MQTT 通信是一種基于“發(fā)布/訂閱”模式的消息傳輸系統(tǒng)，消息是系統(tǒng)信息傳輸?shù)闹黧w。因此，合理的消息結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于通信系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)，以及性能均衡具有重要意義[11]。

表1 參數(shù)消息結(jié)構(gòu)表（參數(shù)消息：控制器→遠(yuǎn)程終端）

表2 指令消息結(jié)構(gòu)表（指令消息：遠(yuǎn)程終端→控制器）

消息由主題（Topic）與負(fù)載（Payload）組成，代理（Broker）不關(guān)注消息內(nèi)容，只根據(jù)主題（Topic）進(jìn)行消息分發(fā)，控制器或者遠(yuǎn)程監(jiān)控終端發(fā)布或者訂閱某個主題（Topic）的消息，完成負(fù)載（Payload）的打包或者解析，負(fù)載（Payload）即為消息的實(shí)際內(nèi)容。

如表1 與表2 所列，主題（Topic）由三部分組成：xxx（內(nèi)容A）/xxx（內(nèi)容B）/xxx（內(nèi)容C）。內(nèi)容A 指示現(xiàn)場控制器編號；內(nèi)容B 指示消息功能代碼，指示本條消息為數(shù)據(jù)或者指令；內(nèi)容C 指示消息內(nèi)容，例如溫度、單體電壓、需要執(zhí)行的指令等。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)功能，選取3 臺現(xiàn)場控制器通過WiFi 接入網(wǎng)絡(luò)，MQTT 代理（Broker）服務(wù)EMQX 運(yùn)行于阿里云ECS，代理地址：mqtt：// xxx.xxx.xxx.xxx（ECS 地址），端口1883，本文僅測試系統(tǒng)的通信可靠性，因此遠(yuǎn)程測控終端使用MQTT 客戶端代替，客戶端選擇圖形化MQTTX 工具。

MQTTX 客戶端添加訂閱主題（controller_1/data/#～controller_n/data/#），從而獲取由MQTT 代理（Broker）轉(zhuǎn)發(fā)的所有現(xiàn)場控制器發(fā)布的消息，并接收相應(yīng)主題的詳細(xì)內(nèi)容用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖8 所示。與此同時，現(xiàn)場控制器訂閱各自的遠(yuǎn)程指令主題（controller_x/cmd/#），過濾來自遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的指令信息，通過調(diào)試終端打印，并執(zhí)行相應(yīng)動作，從而完成無人機(jī)鋰電池存儲系統(tǒng)的消息傳輸閉環(huán)。

圖8 遠(yuǎn)程客戶端訂閱數(shù)據(jù)主題

由圖8 可見，遠(yuǎn)程終端客戶端可以接收所有現(xiàn)場控制器發(fā)布的內(nèi)容。由圖9 可見，現(xiàn)場控制器可以接收遠(yuǎn)程監(jiān)控終端發(fā)送的指令，并通過調(diào)試助手打印收到的指令消息。

圖9 現(xiàn)場控制器訂閱指令主題

為了量化統(tǒng)計(jì)該系統(tǒng)的可靠性，選取3 個現(xiàn)場控制器，間隔1 s 向位于云服務(wù)器的MQTT 代理推送參數(shù)消息，并通過遠(yuǎn)程終端的客戶端訂閱，測試結(jié)構(gòu)見表3 所列；遠(yuǎn)程客戶端定時向MQTT 推送指令消息，由現(xiàn)場控制器訂閱執(zhí)行，并通過串口打印用于記錄，測試結(jié)果見表4 所列，測試時長1 h。

表3 參數(shù)消息測試表（控制器→遠(yuǎn)程終端）

表4 指令消息測試表（遠(yuǎn)程終端→控制器）

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)性能良好，在測試時間內(nèi)工作穩(wěn)定可靠，無丟包現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于MQTT 協(xié)議的無人機(jī)鋰電池存儲系統(tǒng)，借助運(yùn)行于阿里云ECS 的MQTT 代理（Broker），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制器與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端之間的數(shù)據(jù)與指令交互，完成批量鋰電池存儲狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制、鋰電池?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時記錄，有效解決了手工操作復(fù)雜的問題，提高了效率。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，在無人機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的使用前景。