基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)自行車(chē)智能充電系統(tǒng)

    摘要:為了解決電動(dòng)自行車(chē)充電管理不便、安全性低的問(wèn)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(guò)RN8209模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車(chē)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(chē)充電的安全性。系統(tǒng)中控網(wǎng)關(guān)通過(guò)LORA線模塊與多個(gè)智能充電節(jié)點(diǎn)通信并通過(guò)4G模塊實(shí)現(xiàn)了與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互測(cè)試結(jié)果表明,LORA無(wú)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(wú)線模塊;4G;監(jiān)控
     
    目前,電動(dòng)自行車(chē)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(chē)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(lái)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(chǎng)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(wèn)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(kāi)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(guò)LORA無(wú)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(cè) 和LORA無(wú)線傳輸電路,負(fù)責(zé)控制、監(jiān)測(cè)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(wú)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(cè)電路
    許多充電樁使用電流互感器采集電流信號(hào),經(jīng)過(guò)放大電路做AD轉(zhuǎn)換來(lái)采集電流,但缺少電壓、功率的 檢測(cè),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(cè)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(cè)需求。充電控制模塊只有在充電時(shí)打開(kāi)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(lái)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(guò)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(cè)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(jiǎn)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(cè)電路
    2.3LORA無(wú)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,**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(mén)狗,*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(wú)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(wú)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(wú)信號(hào)的問(wèn)題,同時(shí)也解決了有線連接布線復(fù)雜的問(wèn)題。
     
    圖5 LORa無(wú)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L(zhǎng)710-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(guò)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(kāi)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(cè)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**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。
     
    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(kāi)始。地址:前兩字節(jié)代表中控地址,低位在前,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(kāi)Ox02,打開(kāi)應(yīng)答Ox02,關(guān)閉Ox03,關(guān)閉應(yīng)答Ox13。
    長(zhǎng)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(kāi)命令用有2字節(jié)充電時(shí)間;其他都為無(wú)。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(kāi)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(kāi)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0xB(niǎo)1、Ox02
    長(zhǎng)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(kāi)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(wú)。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(kāi)始充電命令則打開(kāi)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(guò)高、電壓過(guò)高、功率躍變、功率**2W連續(xù)3min(充電器沒(méi)插上)、功率**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?cè)\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**2W,隨后又恢復(fù)正常,**2W前后的兩次正常功率相差過(guò)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(guò)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(lái)區(qū)分充電站點(diǎn)。使用4G模塊與服務(wù)器建立TCP長(zhǎng)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(cè)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(kāi)啟10ms的定時(shí)器,10ms內(nèi)沒(méi)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(qǐng)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(kāi)始充電,小程序發(fā)送命令到服務(wù)器,通過(guò)服務(wù)器和中控的轉(zhuǎn)發(fā),即可打開(kāi)智能充電節(jié)點(diǎn),服務(wù)器通過(guò)Web Socket給用戶推送打開(kāi)成功或打開(kāi)失敗的提示。
     

    9移動(dòng)端軟件充電流程圖

     

    5  測(cè)試與總結(jié)
    充電樁調(diào)試時(shí),LoRa無(wú)線傳輸成功穿透地下室,且通信距離過(guò)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(kāi)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(méi)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(kāi)消費(fèi)1分錢(qián),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(chē)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(cè)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(wú)信號(hào)場(chǎng)合,有很高的應(yīng)用。
    6安科瑞電動(dòng)自行車(chē)充電樁智能管理系統(tǒng)
    6.1簡(jiǎn)介
    安科瑞電瓶車(chē)充電樁通過(guò)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?chē)充電樁的日常狀態(tài)、充電過(guò)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(guò)程的完整性,對(duì)充電過(guò)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(chē)充電樁云平臺(tái)的架構(gòu)圖10所示。
     
     
    圖10智能電瓶車(chē)充電樁云平臺(tái)架構(gòu)
    根據(jù)對(duì)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的分析,云平臺(tái)能杜絕充電過(guò)程中存在的火災(zāi)隱患,還能通過(guò)物聯(lián)技術(shù)、無(wú)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(chē)主實(shí)時(shí)發(fā)出警告信息,告知其應(yīng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行必要的檢測(cè)和保養(yǎng)。對(duì)于投幣車(chē)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(chē)充電樁,4500個(gè)注冊(cè)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72V非標(biāo)車(chē)輛、改裝車(chē)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(guò)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(chē)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(guò)APP、短信及時(shí)向運(yùn)營(yíng)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(yíng)方提供充電價(jià)格策略管理,預(yù)收費(fèi)管理,賬單管理,營(yíng)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(guò)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^(guò)在線自助支付實(shí)現(xiàn)充電。
     
    6.2.5運(yùn)營(yíng)分析
    對(duì)訂單進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析,通過(guò)柱狀圖、報(bào)表方式直觀展示數(shù)據(jù),并支持和三方平臺(tái)對(duì)接。
     
    6.2.6微信小程序
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