基于物聯(lián)網的電動自行車智能充電系統(tǒng)

時間：2020-09-10作者：江蘇安科瑞電器制造有限公司瀏覽：238

摘要：為了解決電動自行車充電管理不便、安全性低的問題，設計了一種基于物聯(lián)網的充電系統(tǒng)。 該系統(tǒng)智能充電節(jié)點通過RN8209模塊實現對電動車充電電壓、電流和功率的采集，并利用這些數據判斷充電狀態(tài)，異常時自動關閉。該設計不僅實現了電能的計量，而且確保了電動車充電的安全性。系統(tǒng)中控網關通過LORA線模塊與多個智能充電節(jié)點通信并通過4G模塊實現了與服務器的數據交互測試結果表明，LORA無線能夠穿透地下室,通信距離達到300m，網關與服務器通信穩(wěn)定。該設計實現了對充電樁的遠程監(jiān)控，具有很好的應用前景。

關鍵詞：物聯(lián)網;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)網技術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)網技術的智能充電樁，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)點和中控網關間的LORA通信能穿透地下室，由安裝在地面的中控網關與服務器交互，解決了地下室網絡信號不穩(wěn)定的問題。

1 系統(tǒng)整體方案設計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括移動終端、服務器、中控網關和智能充電節(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，也可以結束充電。

智能充電節(jié)點應部署在能和中控網關通信的區(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無線模塊和中控網關通信。







圖1系統(tǒng)總體框圖

中控網關用4G模塊與服務器建立TCP連接，進行雙向通信。中控網關收集智能充電節(jié)點的數據，然后利用4G模塊上傳到服務器，并負責解析服務器下發(fā)命令，實現對充電節(jié)點的控制。

2 硬件設計

2.1硬件系統(tǒng)整體結構

硬件系統(tǒng)主要包括智能充電節(jié)點和中控網關。如圖2所示，智能充電節(jié)點主要設計了RN8209電能檢測 和LORA無線傳輸電路，負責控制、監(jiān)測充電，并與中網關進行通信。如圖3所示，中控網關設計了4G聯(lián)網通信、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，并與服務器進行數據交互。







圖2 智能充電節(jié)點結構圖







圖3中控網關結構圖

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，經過放大電路做AD轉換來采集電流，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，**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，*外部復位。通信時，AS32的通信信道和傳輸速率設置一致，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)送數據，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，與地面的中控網關穩(wěn)定通信，解決了在地下室等地方網絡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中控網關4G傳輸電路

使用4G模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)2G、3G模塊可以提高數據傳輸速率，提高用戶體驗，適合做較復雜的業(yè)務邏輯。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,可能會由于網絡異常出現socket通道用不了的情況,因此設計硬件復位。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模塊使用雙天線設計，其中MAIN_ANT用于**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試,阻抗控制在50A左右。







圖6 4G模塊電路

3 通信協(xié)議設計

3.1充電節(jié)點與中控網關通信協(xié)議

中控網關相對于充電節(jié)點是主機，所有通信由主機主動發(fā)起，從機被動響應，不然從機都在發(fā)數據會造成干擾，導致通信失敗。中控網關和充電節(jié)點之間的通信協(xié)議格式如表1所示。

表1 中控網關 和充電節(jié)點之間的通信協(xié)議格式







起始：固定為OxFF、OxCC，表示一幀數據的開始。地址：前兩字節(jié)代表中控地址，低位在前，*3個字節(jié)代表充電節(jié)點號。命令：查詢Ox01，查詢應答Ox11，打開Ox02，打開應答Ox02，關閉Ox03，關閉應答Ox13。

長度：表示內容的字節(jié)數。

內容：查詢應答有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。結束：固定為0x55，0x19，表示一幀數據的結束。

3.2中控網關和服務器通信協(xié)議

中控網關使用TCP方式與服務器通信，數據*多為數字，直接傳16進制相比傳字符串能減少通信字節(jié)數，而且處理效率高，通信格式如表2所示。

表2 中控網關和服務器之間的通信協(xié)議格式







起始：固定為OxAA，Ox55，表示一幀數據的開始。地址：中控網關地址，低位在前。命令：心跳上傳Ox01、x00，打開Ox02、x00，關閉Ox03、x00，中控網關應答Ox96、0x01，服務器應答0xB1、Ox02

長度：表示內容的字節(jié)數，低位在前 。

內容：心跳包含所有充電節(jié)點的查詢應答數據，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。結束：固定為OxOD,OxOA,表示一 幀數據的結束。

4 軟件設計

4.1智能充電節(jié)點軟件

如圖7所示，充電節(jié)點實時處理中控網關的命令，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)，若充電時出現電流過高、電壓過高、功率躍變、功率**2W連續(xù)3min(充電器沒插上)、功率**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，出現功率**2W，隨后又恢復正常，**2W前后的兩次正常功率相差**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)行的充電過程結束，使用STM 32自帶的PVD中斷。設置在電壓降到2.9V時進人中斷，把充電數據存入Flash。當再次上電時，從Flash里讀出充電數據就能維持斷電前的充電狀態(tài)。

4.2中控網關軟件

如圖8所示，中控網關初始化完成后讀取Flash里存儲的地址，與服務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模塊與服務器建立TCP長連接后就能接收服務器下發(fā)的命令。每隔300ms輪詢智能充電節(jié)點的充電數據，并每分鐘上傳心跳，以較新服務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)現異常則重啟4G模塊并重新建立連接。







圖8中控網關軟件流程圖

4G模塊和服務器通信的數據量大，對4G模塊數據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硬件接收串口數據， 不占用CPU時間。由于一幀的數據不一定連續(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內沒觸發(fā)空閑中斷才進入定時器中斷，確保了一幀數據的完整性。

4.3移動端軟件

移動端軟件設計成微信小程序，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)議與服務器進行交互。Https主要用于發(fā)起請求后服務器立即回復的情景，如刷新界面信息。Web Socket使服務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)送命令到服務器，通過服務器和中控的轉發(fā)，即可打開智能充電節(jié)點，服務器通過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

充電樁調試時，LoRa無線傳輸成功穿透地下室，且通信距離**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的中控網關每分鐘上傳心跳正常，表明沒有出現丟包現象，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。

本文設計了一種基于物聯(lián)網的電動車充電系統(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)適應能力強，可安裝在地下室等無信號場合，有很高的應用**。

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據交互。系統(tǒng)能夠對電瓶車充電樁的日常狀態(tài)、充電過程進行監(jiān)控;實現充電支付對接：支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式，保證交付交*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圖10所示。







圖10智能電瓶車充電樁云平臺架構

根據對運營數據的分析，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、無線通信技術和互聯(lián)網技術向因火災隱患而自動斷電的車主實時發(fā)出警告信息，告知其應對車輛進行必要的檢測和保養(yǎng)。對于投幣車主出現險情因未有聯(lián)系通道轉而采取對其出現險情的站點以及區(qū)域進行熱點追蹤排查和突破。據統(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**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數據服務

數據采集，短信提醒，數據存儲和解析。

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，營收和財務相關報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。







6.2.4充電服務

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?？赏ㄟ^在線自助支付實現充電。







6.2.5運營分析

對訂單進行數據化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數據，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。





江蘇安科瑞電器制造有限公司專注于導軌電能表,有源濾波柜,工礦用電監(jiān)管,電動機保護器廠家,環(huán)保用電監(jiān)測,物聯(lián)網電表,一體式電動機保護器,油煙在線監(jiān)控,智能電動機保護器等

• 詞條

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