摘要：為了解決電動(dòng)自行車充電管理不便、安全性低的問題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的充電系統(tǒng)。 該系統(tǒng)智能充電節(jié)點(diǎn)通過RN8209模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車充電電壓、電流和功率的采集，并利用這些數(shù)據(jù)判斷充電狀態(tài)，異常時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。該設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了電能的計(jì)量，而且確保了電動(dòng)車充電的安全性。系統(tǒng)中控網(wǎng)關(guān)通過LORA線模塊與多個(gè)智能充電節(jié)點(diǎn)通信并通過4G模塊實(shí)現(xiàn)了與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互測試結(jié)果表明，LORA無線能夠穿透地下室,通信距離達(dá)到300ｍ，網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通信穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有很好的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；充電；無線模塊；4G；監(jiān)控

　　目前，電動(dòng)自行車是人們出行的主要交通工具之一，但大多數(shù)的電動(dòng)自行車充電樁都是傳統(tǒng)的投幣式充電樁，主機(jī)體積大、用戶體驗(yàn)差。而且由于缺乏維護(hù)管理，傳統(tǒng)充電樁廢棄率很高，使用 效率低，甚至?xí)p壞電池，造成火災(zāi)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起給人們的生活帶來了便利。本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能充電樁，采用分布式控制方案，成本低廉、體積小，適合安 裝在各種公共場所。而且智能充電節(jié)點(diǎn)和中控網(wǎng)關(guān)間的LORA通信能穿透地下室，由安裝在地面的中控網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器交互，解決了地下室網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定的問題。

　　1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括移動(dòng)終端、服務(wù)器、中控網(wǎng)關(guān)和智能充電節(jié)點(diǎn)。使用手機(jī)軟件，掃描充電站點(diǎn)的二維碼，然后選擇空閑的充電節(jié)點(diǎn)，就能進(jìn)行手機(jī)支付并開始充電。能在手機(jī)上遠(yuǎn)程監(jiān)控充電電量、時(shí)間等信息，也可以結(jié)束充電。

　　智能充電節(jié)點(diǎn)應(yīng)部署在能和中控網(wǎng)關(guān)通信的區(qū)域，其主要功能是提供充電接口，并完成充電電量、電壓、有功功率的采集，充電電能的計(jì)量?？蓪?shí)現(xiàn)充滿自動(dòng)斷電、突發(fā)異常情況自動(dòng)斷電等功能。充電節(jié)點(diǎn)通過LORA無線模塊和中控網(wǎng)關(guān)通信。

圖1系統(tǒng)總體框圖

　　中控網(wǎng)關(guān)用4G模塊與服務(wù)器建立TCP連接，進(jìn)行雙向通信。中控網(wǎng)關(guān)收集智能充電節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后利用4G模塊上傳到服務(wù)器，并負(fù)責(zé)解析服務(wù)器下發(fā)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電節(jié)點(diǎn)的控制。

　　2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　硬件系統(tǒng)主要包括智能充電節(jié)點(diǎn)和中控網(wǎng)關(guān)。如圖2所示，智能充電節(jié)點(diǎn)主要設(shè)計(jì)了RN8209電能檢測 和LORA無線傳輸電路，負(fù)責(zé)控制、監(jiān)測充電，并與中網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。如圖3所示，中控網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了4G聯(lián)網(wǎng)通信、LORA無線傳輸、人機(jī)交互等電路，負(fù)責(zé)管理一個(gè)站點(diǎn)所有的智能充電節(jié)點(diǎn)，并與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖2 智能充電節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖3中控網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

　　2.2智能充電節(jié)點(diǎn)電能檢測電路

　　許多充電樁使用電流互感器采集電流信號(hào)，經(jīng)過放大電路做AD轉(zhuǎn)換來采集電流，但缺少電壓、功率的 檢測，還是有安全隱患。本文采用RN8209單相電能計(jì)量芯片，采用完全差分輸人方式測量電流和一路電壓，可同時(shí)采集電流、電壓、功率，有效值誤差小，滿足充電節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測需求。充電控制模塊只有在充電時(shí)打開繼電器，向插座接口輸電，因此不用同時(shí)采集火線和零線電流來防止竊電。在絕大多數(shù)情況下，低壓供電系統(tǒng)零線直接接地，負(fù)載可能會(huì)通過大地回到零線上，使電表計(jì)量不準(zhǔn)，所以選擇采集火線電流。

　　如圖4所示，管腳4、管腳5為電流通道A，使用5mil的錳銅作為采樣電阻，錳銅的溫漂系數(shù)小，電流檢測可靠性高。管腳8、管腳9為電壓通道，跨接在零線和火線之間。L＿IN為火線，N＿IN為零線，把火線作為參考地，接火線的采樣就可以減少限流電阻，簡化電路。電壓采集接零線的一端需要串聯(lián)1-2Mil限流電阻，選為4個(gè)300kft電阻，某一個(gè)電阻短路只會(huì)造成電表不準(zhǔn)，并不會(huì)損壞設(shè)備。采集時(shí)為了抗混疊，并聯(lián)1電阻和33nF電容。管腳12IS接上拉，選擇使用SPI接口（管腳13管腳16）與STM32通信。

圖4電能檢測電路

　　2.3LORA無線傳輸電路

　　AS32采用LORA擴(kuò)頻傳輸，工作頻率在410-441MHZ，共計(jì)32個(gè)信道，每個(gè)信道 間隔1M，發(fā)射功率大達(dá)到20dBm，空中速率大19.2kbit/s，采用循環(huán)交織糾錯(cuò)編碼算法，糾錯(cuò)能力及抗干擾能力強(qiáng)，且自帶看門狗，無需外部復(fù)位。通信時(shí)，AS32的通信信道和傳輸速率設(shè)置一致，否則將無法通信。如圖5所示，管腳4、管腳5（MD0、MD1）接地選擇一般透明傳輸模式，即一個(gè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，其他都能收到。管腳6為天線引腳，預(yù)留一個(gè)TT型阻抗匹配電路，ANT為天線接口。利用 LORA模塊做了相當(dāng)于無線中繼的功能，在使用9.6kbit/s速率時(shí)就能穿透地下室，與地面的中控網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定通信，解決了在地下室等地方網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差甚至無信號(hào)的問題，同時(shí)也解決了有線連接布線復(fù)雜的問題。

圖5 LORa無線傳輸電路２

　　2.4中控網(wǎng)關(guān)4G傳輸電路

　　使用4G模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)2G、3G模塊可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高用戶體驗(yàn)，適合做更復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。4G模塊選為L710-CN-30,DC:3.3-4.4V供電,支持AT指令操作.L710在使用時(shí),可能會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)異常出現(xiàn)socket通道用不了的情況,因此設(shè)計(jì)硬件復(fù)位。使用TPS54202電源芯片提供3.6V電壓給L710供電,并由STM32控制TP54202的使能端。當(dāng)L710出現(xiàn)異常時(shí),可以通過重新上電的方式進(jìn)行復(fù)位。

　　如圖6所示，VABT引腳處需要加各種濾波電容,其中100tｘF用于減少電源波動(dòng)，1#、100nF濾除數(shù)字信號(hào)噪聲，33PF濾除低頻段射頻干擾，其余可以濾除中、高頻段射頻干擾。USIM接口支持1.8V/3V SIM 卡，模塊開機(jī)時(shí)，USM＿VDD先輸出1.8V進(jìn)行SIM卡握手,如果不成功,則會(huì)輸出 2.85V 進(jìn)行SIM卡握 手,自動(dòng)檢測SIM卡,并能支持SIM卡熱拔插。USB支持軟件下載、socket抓包等調(diào)試功能。UART用于與CPU通信STM32高電平為3.3V,而L710 串口高電平為1.8V,1.8可由L710輸出,為此設(shè)計(jì)了由Q1、Q2三極管組成的電平匹配電路。

　　L710模塊使用雙天線設(shè)計(jì)，其中MAIN＿ANT用于發(fā)射接收RF信號(hào),接天線,DIV＿ANT只用于接收,能提高接收靈敏度,并提高下載速率,可不接。模塊和天線之間預(yù)留TT型電路供阻抗匹配調(diào)試,阻抗控制在50A左右。路

圖6 4G模塊電路

　　3通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　3.1充電節(jié)點(diǎn)與中控網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議

　　中控網(wǎng)關(guān)相對(duì)于充電節(jié)點(diǎn)是主機(jī)，所有通信由主機(jī)主動(dòng)發(fā)起，從機(jī)被動(dòng)響應(yīng)，不然從機(jī)都在發(fā)數(shù)據(jù)會(huì)造成干擾，導(dǎo)致通信失敗。中控網(wǎng)關(guān)和充電節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議格式如表1所示。

　　表1 中控網(wǎng)關(guān) 和充電節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議格式

　　起始：固定為OｘFF、OｘCC，表示一幀數(shù)據(jù)的開始。地址：前兩字節(jié)代表中控地址，低位在前，第3個(gè)字節(jié)代表充電節(jié)點(diǎn)號(hào)。命令：查詢Oｘ01，查詢應(yīng)答Oｘ11，打開Oｘ02，打開應(yīng)答Oｘ02，關(guān)閉Oｘ03，關(guān)閉應(yīng)答Oｘ13。

　　長度：表示內(nèi)容的字節(jié)數(shù)。

　　內(nèi)容：查詢應(yīng)答有5字節(jié)，1字節(jié)充電狀態(tài)，2字節(jié)當(dāng)前有功功率，2字節(jié)消費(fèi)金額；打開命令用有2字節(jié)充電時(shí)間；其他都為無。校驗(yàn)：采用 CRC16校驗(yàn)法，低位在前。結(jié)束：固定為0ｘ55，0ｘ19，表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

　　3.2中控網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器通信協(xié)議

　　中控網(wǎng)關(guān)使用TCP方式與服務(wù)器通信，數(shù)據(jù)中大多為數(shù)字，直接傳16進(jìn)制相比傳字符串能減少通信字節(jié)數(shù)，而且處理效率高，通信格式如表2所示。

　　表2 中控網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器之間的通信協(xié)議格式

　　起始：固定為OｘAA，Oｘ55，表示一幀數(shù)據(jù)的開始。地址：中控網(wǎng)關(guān)地址，低位在前。命令：心跳上傳Oｘ01、ｘ00，打開Oｘ02、ｘ00，關(guān)閉Oｘ03、ｘ00，中控網(wǎng)關(guān)應(yīng)答Oｘ96、0ｘ01，服務(wù)器應(yīng)答0ｘB1、Oｘ02

　　長度：表示內(nèi)容的字節(jié)數(shù)，低位在前 。

　　內(nèi)容：心跳包含所有充電節(jié)點(diǎn)的查詢應(yīng)答數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含1字節(jié)節(jié)點(diǎn)號(hào)，1字節(jié)充電狀態(tài)，2字節(jié) 當(dāng)前有功功率，2字節(jié)消費(fèi)金額；打開命令有3字節(jié)，1字節(jié)節(jié)點(diǎn)號(hào)，2字節(jié)充電時(shí)間，關(guān)閉命令有1字節(jié)節(jié)點(diǎn)號(hào)，其他都為無。校驗(yàn)：采用CRC16校驗(yàn)法，低位在前。結(jié)束：固定為OｘOD,OｘOA,表示一 幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

　　4軟件設(shè)計(jì)

　　4.1智能充電節(jié)點(diǎn)軟件

　　如圖7所示，充電節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)處理中控網(wǎng)關(guān)的命令，收到開始充電命令則打開繼電器給充電接口提供電源，進(jìn)行計(jì)時(shí)，充電時(shí)間到則停止充電。實(shí)時(shí)采集充電接口的電壓、電流和有功功率用于診斷充電狀態(tài)，若充電時(shí)出現(xiàn)電流過高、電壓過高、功率躍變、功率低于2W連續(xù)3min(充電器沒插上)、功率低于10W連續(xù) 3min(已充滿)，則切斷電源并進(jìn)行聲光報(bào)警。功率躍變診斷可防止他人惡意更換用電器，判斷標(biāo)準(zhǔn)為在正常充電時(shí)，出現(xiàn)功率低于2W，隨后又恢復(fù)正常，低于2W前后的兩次正常功率相差超過10W。充電節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格按充電規(guī)范執(zhí)行，大大提高了安全性。

圖7智能充電節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

　　為了避免意外斷電導(dǎo)致正在執(zhí)行的充電過程結(jié)束，使用STM 32自帶的PVD中斷。設(shè)置在電壓降到2.9V時(shí)進(jìn)人中斷，把充電數(shù)據(jù)存入Flash。當(dāng)再次上電時(shí)，從Flash里讀出充電數(shù)據(jù)就能維持?jǐn)嚯娗暗某潆姞顟B(tài)。

　　4.2中控網(wǎng)關(guān)軟件

　　如圖8所示，中控網(wǎng)關(guān)初始化完成后讀取Flash里存儲(chǔ)的地址，與服務(wù)器通信和智能充電節(jié)點(diǎn)通信時(shí)用此地址來區(qū)分充電站點(diǎn)。使用4G模塊與服務(wù)器建立TCP長連接后就能接收服務(wù)器下發(fā)的命令。每隔300ms輪詢智能充電節(jié)點(diǎn)的充電數(shù)據(jù)，并每分鐘上傳心跳，以更新服務(wù)器上記錄的實(shí)時(shí)充電狀態(tài)。中控監(jiān)測TCP連接狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常則重啟4G模塊并重新建立連接。

圖8中控網(wǎng)關(guān)軟件流程圖

　　4G模塊和服務(wù)器通信的數(shù)據(jù)量大，對(duì)4G模塊數(shù)據(jù)的處理效率會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度和可靠性。設(shè)計(jì)了“DMA接收+串口IDLE中斷+定時(shí)器中斷”的軟件方案。使用DMA硬件接收串口數(shù)據(jù)， 不占用CPU時(shí)間。由于一幀的數(shù)據(jù)不一定連續(xù)傳給STM32，中間也會(huì)觸發(fā)空閑中斷，因此在串口空閑中斷中開啟10ms的定時(shí)器，10ms內(nèi)沒觸發(fā)空閑中斷才進(jìn)入定時(shí)器中斷，確保了一幀數(shù)據(jù)的完整性。

　　4.3移動(dòng)端軟件

　　移動(dòng)端軟件設(shè)計(jì)成微信小程序，集成地圖、微信支付、掃碼充電等功能，而且不必安裝，用戶體驗(yàn)感強(qiáng)。小程序使用Https和Web Socket協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行交互。Https主要用于發(fā)起請求后服務(wù)器立即回復(fù)的情景，如刷新界面信息。Web Socket使服務(wù)器可以隨時(shí)推動(dòng)信息給小程序，彌補(bǔ)了Https的缺陷。如圖9所示，用戶選擇智能充電節(jié)點(diǎn)和時(shí)間并點(diǎn)擊開始充電，小程序發(fā)送命令到服務(wù)器，通過服務(wù)器和中控的轉(zhuǎn)發(fā)，即可打開智能充電節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器通過Web Socket給用戶推送打開成功或打開失敗的提示。

　　、

圖9移動(dòng)端軟件充電流程圖

　　5測試與總結(jié)

　　充電樁調(diào)試時(shí)，LoRa無線傳輸成功穿透地下室，且通信距離超過300m。移動(dòng)端界面如圖10所示，用戶選擇智能充電節(jié)點(diǎn)和充電時(shí)間后，點(diǎn)擊開始充電。如圖11所示，地址為512、1的中控網(wǎng)關(guān)每分鐘上傳心跳正常，表明沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，通信鏈路可靠，充電功率為60W，正常打開消費(fèi)1分錢，之后按0.3元/小時(shí)計(jì)費(fèi)。

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)車充電系統(tǒng)，能夠用移動(dòng)端APP對(duì)充電樁進(jìn)行操作， 并實(shí)時(shí)監(jiān)測充電狀態(tài)。且此系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)，可安裝在地下室等無信號(hào)場合，有很高的應(yīng)用價(jià)值。

　　6安科瑞電動(dòng)自行車充電樁智能管理系統(tǒng)

　　6.1簡介

　　安科瑞電瓶車充電樁通過GPRS模塊與云端進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)﹄娖寇嚦潆姌兜娜粘顟B(tài)、充電過程進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)充電支付對(duì)接：支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式，保證交付交易過程的完整性，對(duì)充電過程中的異常情況進(jìn)行有效的預(yù)警；實(shí)現(xiàn)對(duì)下游站級(jí)平臺(tái)的清算和對(duì)賬功能。

　　智能電瓶車充電樁云平臺(tái)的架構(gòu)圖10所示。

圖10智能電瓶車充電樁云平臺(tái)架構(gòu)

　　根據(jù)對(duì)運(yùn)營數(shù)據(jù)的分析，云平臺(tái)能杜絕充電過程中存在的火災(zāi)隱患，還能通過物聯(lián)技術(shù)、無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向因火災(zāi)隱患而自動(dòng)斷電的車主實(shí)時(shí)發(fā)出警告信息，告知其應(yīng)對(duì)車輛進(jìn)行必要的檢測和保養(yǎng)。對(duì)于投幣車主出現(xiàn)險(xiǎn)情因未有聯(lián)系通道轉(zhuǎn)而采取對(duì)其出現(xiàn)險(xiǎn)情的站點(diǎn)以及區(qū)域進(jìn)行熱點(diǎn)追蹤排查和突破。據(jù)統(tǒng)計(jì)，浙江省去年持續(xù)共投入8366個(gè)智能電瓶車充電樁，4500個(gè)注冊會(huì)員，刷卡和“樁源”APP充電達(dá)92281次，投幣充電達(dá)67723次，微信公眾號(hào)“樁源”充電達(dá)7205次，共計(jì)167209次。實(shí)時(shí)監(jiān)控充電記33564327條，因超72V非標(biāo)車輛、改裝車輛、私自外接多用插座等原因主動(dòng)拒絕充電5135次，因電池或充電器充電過程發(fā)生故障等電氣原因自動(dòng)斷電1138次。

　　6.2智能電瓶車云平臺(tái)功能

　　6.2.1數(shù)據(jù)服務(wù)

　　數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析。

　　6.2.2安全預(yù)警

　　對(duì)平臺(tái)連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時(shí)可通過APP、短信及時(shí)向運(yùn)營人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)消除火災(zāi)隱患。

       6.2.3交易結(jié)算管理

　　平臺(tái)為運(yùn)營方提供充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。

       6.2.4充電服務(wù)

　　可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態(tài)，并導(dǎo)航至可用充電樁?？赏ㄟ^在線自助支付實(shí)現(xiàn)充電。

       6.2.5運(yùn)營分析

　　對(duì)訂單進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，通過柱狀圖、報(bào)表方式直觀展示數(shù)據(jù)，并支持和第三方平臺(tái)對(duì)接。

　　

　　6.2.6微信小程序

　　可通過微信小程序掃碼充電，充電賬單支付。運(yùn)營商和物業(yè)管理人員均可通過小程序管理，監(jiān)測充電樁狀態(tài)和充電交易情況。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]王佳佳、孫玉濤，蚌埠市電動(dòng)自行車充電站的現(xiàn)狀和前景的調(diào)研[J]

　　[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2019.11

　　[4]安科瑞電瓶車充電樁收費(fèi)云平臺(tái)選型手冊.2019.11

 

        作者簡介：

       耿敏花，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要從事智慧消防管理云平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用；Email:gengminhua@email.acrel.com；手機(jī)：18860995116（微信同號(hào)）；QQ:2880581271