摘要：為了解決電動自行車充電管理不便、安全性低的問題，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的充電系統(tǒng)。 該系統(tǒng)智能充電節(jié)點通過RN8209模塊實現(xiàn)對電動車充電電壓、電流和功率的采集，并利用這些數(shù)據(jù)判斷充電狀態(tài)，異常時自動關(guān)閉。該設(shè)計不僅實現(xiàn)了電能的計量，而且確保了電動車充電的安全性。系統(tǒng)中控網(wǎng)關(guān)通過LORA線模塊與多個智能充電節(jié)點通信并通過4G模塊實現(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,通信距離達到300ｍ，網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通信穩(wěn)定。該設(shè)計實現(xiàn)了對充電樁的遠程監(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)的電動自行車充電樁都是傳統(tǒng)的投幣式充電樁，主機體積大、用戶體驗差。而且由于缺乏維護管理，傳統(tǒng)充電樁廢棄率很高，使用 效率低，甚至會損壞電池，造成火災。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)信號不穩(wěn)定的問題。

　　1系統(tǒng)整體方案設(shè)計

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

　　智能充電節(jié)點應(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，充電電能的計量?？蓪崿F(xiàn)充滿自動斷電、突發(fā)異常情況自動斷電等功能。充電節(jié)點通過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，進行雙向通信。中控網(wǎng)關(guān)收集智能充電節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后利用4G模塊上傳到服務(wù)器，并負責解析服務(wù)器下發(fā)命令，實現(xiàn)對充電節(jié)點的控制。

　　2硬件設(shè)計

　　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)點和中控網(wǎng)關(guān)。如圖2所示，智能充電節(jié)點主要設(shè)計了RN8209電能檢測 和LORA無線傳輸電路，負責控制、監(jiān)測充電，并與中網(wǎng)關(guān)進行通信。如圖3所示，中控網(wǎng)關(guān)設(shè)計了4G聯(lián)網(wǎng)通信、LORA無線傳輸、人機交互等電路，負責管理一個站點所有的智能充電節(jié)點，并與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。

圖2 智能充電節(jié)點結(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)點電能檢測電路

　　許多充電樁使用電流互感器采集電流信號，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，可同時采集電流、電壓、功率，有效值誤差小，滿足充電節(jié)點的監(jiān)測需求。充電控制模塊只有在充電時打開繼電器，向插座接口輸電，因此不用同時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，負載可能會通過大地回到零線上，使電表計量不準，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300kft電阻，某一個電阻短路只會造成電表不準，并不會損壞設(shè)備。采集時為了抗混疊，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擴頻傳輸，工作頻率在410-441MHZ，共計32個信道，每個信道 間隔1M，發(fā)射功率大達到20dBm，空中速率大19.2kbit/s，采用循環(huán)交織糾錯編碼算法，糾錯能力及抗干擾能力強，且自帶看門狗，無需外部復位。通信時，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，即一個模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，其他都能收到。管腳6為天線引腳，預留一個TT型阻抗匹配電路，ANT為天線接口。利用 LORA模塊做了相當于無線中繼的功能，在使用9.6kbit/s速率時就能穿透地下室，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)信號差甚至無信號的問題，同時也解決了有線連接布線復雜的問題。

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，適合做更復雜的業(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,可能會由于網(wǎng)絡(luò)異常出現(xiàn)socket通道用不了的情況,因此設(shè)計硬件復位。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L710出現(xiàn)異常時,可以通過重新上電的方式進行復位。

　　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，1#、100nF濾除數(shù)字信號噪聲，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，模塊開機時，USM＿VDD先輸出1.8V進行SIM卡握手,如果不成功,則會輸出 2.85V 進行SIM卡握 手,自動檢測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，其中MAIN＿ANT用于發(fā)射接收RF信號,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

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

　　中控網(wǎng)關(guān)相對于充電節(jié)點是主機，所有通信由主機主動發(fā)起，從機被動響應(yīng)，不然從機都在發(fā)數(shù)據(jù)會造成干擾，導致通信失敗。中控網(wǎng)關(guān)和充電節(jié)點之間的通信協(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個字節(jié)代表充電節(jié)點號。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)當前有功功率，2字節(jié)消費金額；打開命令用有2字節(jié)充電時間；其他都為無。校驗：采用 CRC16校驗法，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)點的查詢應(yīng)答數(shù)據(jù)，每個節(jié)點包含1字節(jié)節(jié)點號，1字節(jié)充電狀態(tài)，2字節(jié) 當前有功功率，2字節(jié)消費金額；打開命令有3字節(jié)，1字節(jié)節(jié)點號，2字節(jié)充電時間，關(guān)閉命令有1字節(jié)節(jié)點號，其他都為無。校驗：采用CRC16校驗法，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

　　4.1智能充電節(jié)點軟件

　　如圖7所示，充電節(jié)點實時處理中控網(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，進行計時，充電時間到則停止充電。實時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)，則切斷電源并進行聲光報警。功率躍變診斷可防止他人惡意更換用電器，判斷標準為在正常充電時，出現(xiàn)功率低于2W，隨后又恢復正常，低于2W前后的兩次正常功率相差超過10W。充電節(jié)點嚴格按充電規(guī)范執(zhí)行，大大提高了安全性。

圖7智能充電節(jié)點軟件流程圖

　　為了避免意外斷電導致正在執(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時進人中斷，把充電數(shù)據(jù)存入Flash。當再次上電時，從Flash里讀出充電數(shù)據(jù)就能維持斷電前的充電狀態(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里存儲的地址，與服務(wù)器通信和智能充電節(jié)點通信時用此地址來區(qū)分充電站點。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)器上記錄的實時充電狀態(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4G模塊數(shù)據(jù)的處理效率會直接影響到整個系統(tǒng)的運行速度和可靠性。設(shè)計了“DMA接收+串口IDLE中斷+定時器中斷”的軟件方案。使用DMA硬件接收串口數(shù)據(jù)， 不占用CPU時間。由于一幀的數(shù)據(jù)不一定連續(xù)傳給STM32，中間也會觸發(fā)空閑中斷，因此在串口空閑中斷中開啟10ms的定時器，10ms內(nèi)沒觸發(fā)空閑中斷才進入定時器中斷，確保了一幀數(shù)據(jù)的完整性。

　　4.3移動端軟件

　　移動端軟件設(shè)計成微信小程序，集成地圖、微信支付、掃碼充電等功能，而且不必安裝，用戶體驗感強。小程序使用Https和Web Socket協(xié)議與服務(wù)器進行交互。Https主要用于發(fā)起請求后服務(wù)器立即回復的情景，如刷新界面信息。Web Socket使服務(wù)器可以隨時推動信息給小程序，彌補了Https的缺陷。如圖9所示，用戶選擇智能充電節(jié)點和時間并點擊開始充電，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，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移動端軟件充電流程圖

　　5測試與總結(jié)

　　充電樁調(diào)試時，LoRa無線傳輸成功穿透地下室，且通信距離超過300m。移動端界面如圖10所示，用戶選擇智能充電節(jié)點和充電時間后，點擊開始充電。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1分錢，之后按0.3元/小時計費。

　　本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電動車充電系統(tǒng)，能夠用移動端APP對充電樁進行操作， 并實時監(jiān)測充電狀態(tài)。且此系統(tǒng)適應(yīng)能力強，可安裝在地下室等無信號場合，有很高的應(yīng)用價值。

　　6安科瑞電動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)、充電過程進行監(jiān)控；實現(xiàn)充電支付對接：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，對充電過程中的異常情況進行有效的預警；實現(xiàn)對下游站級平臺的清算和對賬功能。

　　智能電瓶車充電樁云平臺的架構(gòu)圖10所示。

圖10智能電瓶車充電樁云平臺架構(gòu)

　　根據(jù)對運營數(shù)據(jù)的分析，云平臺能杜絕充電過程中存在的火災隱患，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)向因火災隱患而自動斷電的車主實時發(fā)出警告信息，告知其應(yīng)對車輛進行必要的檢測和保養(yǎng)。對于投幣車主出現(xiàn)險情因未有聯(lián)系通道轉(zhuǎn)而采取對其出現(xiàn)險情的站點以及區(qū)域進行熱點追蹤排查和突破。據(jù)統(tǒng)計，浙江省去年持續(xù)共投入8366個智能電瓶車充電樁，4500個注冊會員，刷卡和“樁源”APP充電達92281次，投幣充電達67723次，微信公眾號“樁源”充電達7205次，共計167209次。實時監(jiān)控充電記33564327條，因超72V非標車輛、改裝車輛、私自外接多用插座等原因主動拒絕充電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斷電1138次。

　　6.2智能電瓶車云平臺功能

　　6.2.1數(shù)據(jù)服務(wù)

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

　　6.2.2安全預警

　　對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發(fā)出報警信號，及時消除火災隱患。

       6.2.3交易結(jié)算管理

　　平臺為運營方提供充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表等，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)，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現(xiàn)充電。

       6.2.5運營分析

　　對訂單進行數(shù)據(jù)化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數(shù)據(jù)，并支持和第三方平臺對接。

　　

　　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：

　　[1]王剛，張萬民.電車充電過程起火原因分析及技術(shù)防范措施[J].火災調(diào)査與分析，2012，31（12）：1376-1379

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

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

　　[4]安科瑞電瓶車充電樁收費云平臺選型手冊.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研發(fā)與應(yīng)用；Email:gengminhua@email.acrel.com；手機：18860995116（微信同號）；QQ:2880581271