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

日期：2025-09-09 22:24

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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(dòng)自行車充電管理不便、**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**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(cè)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，...

張娟

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：為了解決電動(dòng)自行車充電管理不便、**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**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(cè)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

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

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(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)定的問題。

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

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。

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

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)過放大電路做AD轉(zhuǎn)換來采集電流，但缺少電壓、功率的檢測(cè)，還是有**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。

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

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(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(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?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**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(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(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

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

5 測(cè)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(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信號(hào)場(chǎng)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(jiǎn)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(cè)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(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**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。