基于物联网的电动自行车智能充电系统

时间：2020-06-30作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：477

摘要：为了解决电动自行车充电管理不便、安全性低的问题，设计了一种基于物联网的充电系统。 该系统智能充电节点通过RN8209模块实现对电动车充电电压、电流和功率的采集，并利用这些数据判断充电状态，异常时自动关闭。该设计不仅实现了电能的计量，而且确保了电动车充电的安全性。系统中控网关通过LORA线模块与多个智能充电节点通信并通过4G模块实现了与服务器的数据交互测试结果表明，LORA无线能够穿透地下室,通信距离达到300ｍ，网关与服务器通信稳定。该设计实现了对充电桩的远程监控，具有很好的应用前景。

关键词：物联网；充电；无线模块；4G；监控
 
目前，电动自行车是人们出行的主要交通工具之一，但大多数的电动自行车充电桩都是传统的投币式充电桩，主机体积大、用户体验差。而且由于缺乏维护管理，传统充电桩废弃率很高，使用 效率低，甚至会损坏电池，造成火灾。物联网技术的兴起给人们的生活带来了便利。本文介绍了一种基于物联网技术的智能充电桩，采用分布式控制方案，成本低廉、体积小，适合安 装在各种公共场所。而且智能充电节点和中控网关间的LORA通信能穿透地下室，由安装在地面的中控网关与服务器交互，解决了地下室网络信号不稳定的问题。
 
1  系统整体方案设计 
系统总体框图如图1所示，主要包括移动终端、服务器、中控网关和智能充电节点。使用手机软件，扫描充电站点的二维码，然后选择空闲的充电节点，就能进行手机支付并开始充电。能在手机上远程监控充电电量、时间等信息，也可以结束充电。
智能充电节点应部署在能和中控网关通信的区域，其主要功能是提供充电接口，并完成充电电量、电压、有功功率的采集，充电电能的计量。可实现充满自动断电、突发异常情况自动断电等功能。充电节点通过LORA无线模块和中控网关通信。
 
图1系统总体框图
中控网关用4G模块与服务器建立TCP连接，进行双向通信。中控网关收集智能充电节点的数据，然后利用4G模块上传到服务器，并负责解析服务器下发命令，实现对充电节点的控制。
 
2  硬件设计
2.1硬件系统整体结构
硬件系统主要包括智能充电节点和中控网关。如图2所示，智能充电节点主要设计了RN8209电能检测 和LORA无线传输电路，负责控制、监测充电，并与中网关进行通信。如图3所示，中控网关设计了4G联网通信、LORA无线传输、人机交互等电路，负责管理一个站点所有的智能充电节点，并与服务器进行数据交互。
 
图2 智能充电节点结构图
 
图3中控网关结构图
2.2智能充电节点电能检测电路
许多充电桩使用电流互感器采集电流信号，经过放大电路做AD转换来采集电流，但缺少电压、功率的 检测，还是有安全隐患。本文采用RN8209单相电能计量芯片，采用完全差分输人方式测量电流和一路电压，可同时采集电流、电压、功率，有效值误差小，满足充电节点的监测需求。充电控制模块只有在充电时打开继电器，向插座接口输电，因此不用同时采集火线和零线电流来防止窃电。在绝大多数情况下，低压供电系统零线直接接地，负载可能会通过大地回到零线上，使电表计量不准，所以选择采集火线电流。
如图4所示，管脚4、管脚5为电流通道A，使用5mil的锰铜作为采样电阻，锰铜的温漂系数小，电流检测可靠性高。管脚8、管脚9为电压通道，跨接在零线和火线之间。L＿IN为火线，N＿IN为零线，把火线作为参考地，接火线的采样就可以减少限流电阻，简化电路。电压采集接零线的一端需要串联1-2Mil限流电阻，选为4个300kft电阻，某一个电阻短路只会造成电表不准，并不会损坏设备。采集时为了抗混叠，并联1电阻和33nF电容。管脚12IS接上拉，选择使用SPI接口（管脚13管脚16）与STM32通信。
 
图4电能检测电路
2.3LORA无线传输电路
AS32采用LORA扩频传输，工作频率在410-441MHZ，共计32个信道，每个信道 间隔1M，发射功率大达到20dBm，空中速率大19.2kbit/s，采用循环交织纠错编码算法，纠错能力及抗干扰能力强，且自带看门狗，*外部复位。通信时，AS32的通信信道和传输速率设置一致，否则将无法通信。如图5所示，管脚4、管脚5（MD0、MD1）接地选择一般透明传输模式，即一个模块发送数据，其他都能收到。管脚6为天线引脚，预留一个TT型阻抗匹配电路，ANT为天线接口。利用 LORA模块做了相当于无线中继的功能，在使用9.6kbit/s速率时就能穿透地下室，与地面的中控网关稳定通信，解决了在地下室等地方网络信号差甚至无信号的问题，同时也解决了有线连接布线复杂的问题。
 
图5 LORa无线传输电路２
2.4中控网关4G传输电路
使用4G模块代替传统2G、3G模块可以提高数据传输速率，提高用户体验，适合做更复杂的业务逻辑。4G模块选为L710-CN-30,DC:3.3-4.4V供电,支持AT指令操作.L710在使用时,可能会由于网络异常出现socket通道用不了的情况,因此设计硬件复位。使用TPS54202电源芯片提供3.6V电压给L710供电,并由STM32控制TP54202的使能端。当L710出现异常时,可以通过重新上电的方式进行复位。
如图6所示，VABT引脚处需要加各种滤波电容,其中100tｘF用于减少电源波动，1#、100nF滤除数字信号噪声，33PF滤除低频段射频干扰，其余可以滤除中、高频段射频干扰。USIM接口支持1.8V/3V SIM 卡，模块开机时，USM＿VDD先输出1.8V进行SIM卡握手,如果不成功,则会输出 2.85V 进行SIM卡握 手,自动检测SIM卡,并能支持SIM卡热拔插。USB支持软件下载、socket抓包等调试功能。UART用于与CPU通信STM32高电平为3.3V,而L710 串口高电平为1.8V,1.8可由L710输出,为此设计了由Q1、Q2三管组成的电平匹配电路。
L710模块使用双天线设计，其中MAIN＿ANT用于发射接收RF信号,接天线,DIV＿ANT只用于接收,能提高接收灵敏度,并提高下载速率,可不接。模块和天线之间预留TT型电路供阻抗匹配调试,阻抗控制在50A左右。
 
图6 4G模块电路
 
3  通信协议设计 
3.1充电节点与中控网关通信协议 
中控网关相对于充电节点是主机，所有通信由主机主动发起，从机被动响应，不然从机都在发数据会造成干扰，导致通信失败。中控网关和充电节点之间的通信协议格式如表1所示。
表1 中控网关 和充电节点之间的通信协议格式
 
起始：固定为OｘFF、OｘCC，表示一帧数据的开始。地址：前两字节代表中控地址，低位在前，3个字节代表充电节点号。命令：查询Oｘ01，查询应答Oｘ11，打开Oｘ02，打开应答Oｘ02，关闭Oｘ03，关闭应答Oｘ13。
长度：表示内容的字节数。
内容：查询应答有5字节，1字节充电状态，2字节当前有功功率，2字节消费金额；打开命令用有2字节充电时间；其他都为无。校验：采用 CRC16校验法，低位在前。结束：固定为0ｘ55，0ｘ19，表示一帧数据的结束。
3.2中控网关和服务器通信协议
中控网关使用TCP方式与服务器通信，数据中大多为数字，直接传16进制相比传字符串能减少通信字节数，而且处理效率高，通信格式如表2所示。
表2 中控网关和服务器之间的通信协议格式
 
起始：固定为OｘAA，Oｘ55，表示一帧数据的开始。地址：中控网关地址，低位在前。命令：心跳上传Oｘ01、ｘ00，打开Oｘ02、ｘ00，关闭Oｘ03、ｘ00，中控网关应答Oｘ96、0ｘ01，服务器应答0ｘB1、Oｘ02
长度：表示内容的字节数，低位在前 。 
内容：心跳包含所有充电节点的查询应答数据，每个节点包含1字节节点号，1字节充电状态，2字节 当前有功功率，2字节消费金额；打开命令有3字节，1字节节点号，2字节充电时间，关闭命令有1字节节点号，其他都为无。校验：采用CRC16校验法，低位在前。结束：固定为OｘOD,OｘOA,表示一 帧数据的结束。
 
4  软件设计 
4.1智能充电节点软件
如图7所示，充电节点实时处理中控网关的命令，收到开始充电命令则打开继电器给充电接口提供电源，进行计时，充电时间到则停止充电。实时采集充电接口的电压、电流和有功功率用于诊断充电状态，若充电时出现电流过高、电压过高、功率跃变、功率低于2W连续3min(充电器没插上)、功率低于10W连续 3min(已充满)，则切断电源并进行声光报警。功率跃变诊断可防止他人恶意更换用电器，判断标准为在正常充电时，出现功率低于2W，随后又恢复正常，低于2W前后的两次正常功率相差过10W。充电节点严格按充电规范执行，大大提高了安全性。
 
图7智能充电节点软件流程图
为了避免意外断电导致正在执行的充电过程结束，使用STM 32自带的PVD中断。设置在电压降到2.9V时进人中断，把充电数据存入Flash。当再次上电时，从Flash里读出充电数据就能维持断电前的充电状态。
4.2中控网关软件
如图8所示，中控网关初始化完成后读取Flash里存储的地址，与服务器通信和智能充电节点通信时用此地址来区分充电站点。使用4G模块与服务器建立TCP长连接后就能接收服务器下发的命令。每隔300ms轮询智能充电节点的充电数据，并每分钟上传心跳，以更新服务器上记录的实时充电状态。中控监测TCP连接状态，发现异常则重启4G模块并重新建立连接。
 
 
图8中控网关软件流程图
4G模块和服务器通信的数据量大，对4G模块数据的处理效率会直接影响到整个系统的运行速度和可靠性。设计了“DMA接收+串口IDLE中断+定时器中断”的软件方案。使用DMA硬件接收串口数据， 不占用CPU时间。由于一帧的数据不一定连续传给STM32，中间也会触发空闲中断，因此在串口空闲中断中开启10ms的定时器，10ms内没触发空闲中断才进入定时器中断，确保了一帧数据的完整性。
4.3移动端软件
移动端软件设计成微信小程序，集成地图、微信支付、扫码充电等功能，而且不必安装，用户体验感强。小程序使用Https和Web Socket协议与服务器进行交互。Https主要用于发起请求后服务器立即回复的情景，如刷新界面信息。Web Socket使服务器可以随时推动信息给小程序，弥补了Https的缺陷。如图9所示，用户选择智能充电节点和时间并点击开始充电，小程序发送命令到服务器，通过服务器和中控的转发，即可打开智能充电节点，服务器通过Web Socket给用户推送打开成功或打开失败的提示。
 
图9移动端软件充电流程图
 
5  测试与总结
充电桩调试时，LoRa无线传输成功穿透地下室，且通信距离过300m。移动端界面如图10所示，用户选择智能充电节点和充电时间后，点击开始充电。如图11所示，地址为512、1的中控网关每分钟上传心跳正常，表明没有出现丢包现象，通信链路可靠，充电功率为60W，正常打开消费1分钱，之后按0.3元/小时计费。
本文设计了一种基于物联网的电动车充电系统，能够用移动端APP对充电桩进行操作， 并实时监测充电状态。且此系统适应能力强，可安装在地下室等无信号场合，有很高的应用。
6安科瑞电动自行车充电桩智能管理系统
6.1简介
安科瑞电瓶车充电桩通过GPRS模块与云端进行通信和数据交互。系统能够对电瓶车充电桩的日常状态、充电过程进行监控；实现充电支付对接：支持投币、刷卡、微信支付等多种支付方式，保证交付交易过程的完整性，对充电过程中的异常情况进行有效的预警；实现对下游站级平台的清算和对账功能。
智能电瓶车充电桩云平台的架构图10所示。
 
 
图10智能电瓶车充电桩云平台架构
根据对运营数据的分析，云平台能杜绝充电过程中存在的火灾隐患，还能通过物联技术、无线通信技术和互联网技术向因火灾隐患而自动断电的车主实时发出警告信息，告知其应对车辆进行必要的检测和保养。对于投币车主出现险情因未有联系通道转而采取对其出现险情的站点以及区域进行热点追踪排查和突破。据统计，浙江省去年持续共投入8366个智能电瓶车充电桩，4500个注册会员，刷卡和“桩源”APP充电达92281次，投币充电达67723次，微信公众号“桩源”充电达7205次，共计167209次。实时监控充电记33564327条，因72V非标车辆、改装车辆、私自外接多用插座等原因主动拒绝充电5135次，因电池或充电器充电过程发生故障等电气原因自动断电1138次。
6.2智能电瓶车云平台功能
6.2.1数据服务
数据采集，短信提醒，数据存储和解析。
6.2.2安全预警
对平台连接的所有充电桩状态进行监视，充电桩发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号，及时消除火灾隐患。
 
6.2.3交易结算管理
平台为运营方提供充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表等，支持投币、刷卡和扫码充电。
 
 
6.2.4充电服务
可通过软件搜索附近充电桩，并查看充电桩状态，并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电。
 
6.2.5运营分析
对订单进行数据化分析，通过柱状图、报表方式直观展示数据，并支持和三方平台对接。
 
6.2.6微信小程序
可通过微信小程序扫码充电，充电账单支付。运营商和物业管理人员均可通过小程序管理，监测充电桩状态和充电交易情况。
 

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