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基于物聯(lián)網(wǎng)的電動自行車智能充電系統(tǒng)

日期:2024-09-20 15:33
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摘要: 張娟 安科瑞電氣股份有限公司 摘要:為了解決電動自行車充電管理不便、**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**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(dá)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(yuǎn)程監(jiān)控,...

張娟

安科瑞電氣股份有限公司

摘要:為了解決電動自行車充電管理不便、**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**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(dá)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(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
 基于物聯(lián)網(wǎng)的電動自行車智能充電系統(tǒng)
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(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。
基于物聯(lián)網(wǎng)的電動自行車智能充電系統(tǒng) 
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(jìn)行手機支付并開始充電。能在手機上遠(yuǎn)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(jìn)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(fù)責(zé)解析服務(wù)器下發(fā)命令,實現(xiàn)對充電節(jié)點的控制。
基于物聯(lián)網(wǎng)的電動自行車智能充電系統(tǒng) 
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(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)計了4G聯(lián)網(wǎng)通信、LORA無線傳輸、人機交互等電路,負(fù)責(zé)管理一個站點所有的智能充電節(jié)點,并與服務(wù)器進(jìn)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**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(fù)載可能會通過大地回到零線上,使電表計量不準(zhǔn),所以選擇采集火線電流。

基于物聯(lián)網(wǎng)的電動自行車智能充電系統(tǒng) 
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(dǎo)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(dāng)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(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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)為在正常充電時,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)點嚴(yán)格按充電規(guī)范執(zhí)行,大大提高了**性。
 
圖7智能充電節(jié)點軟件流程圖
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時進(jìn)人中斷,把充電數(shù)據(jù)存入Flash。當(dāng)再次上電時,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(jìn)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(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。
 

9移動端軟件充電流程圖

 


基于物聯(lián)網(wǎng)的電動自行車智能充電系統(tǒng)

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(jìn)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(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(jìn)行有效的預(yù)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(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)隱患而自動斷電的車主實時發(fā)出警告信息,告知其應(yīng)對車輛進(jìn)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(jìn)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(dá)92281次,投幣充電達(dá)67723次,微信公眾號“樁源”充電達(dá)7205次,共計167209次。實時監(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**預(yù)警
對平臺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(zāi)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(yù)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(dǎo)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(jìn)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。
 

作者簡介:張娟  任職于安科瑞電氣股份有限公司  郵箱:2885050128@qq.com   QQ:2885050128


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