李婧婧
安科瑞電氣股份有限公司
摘要：在國家相關(guān)政策的大力支持下,，我國電動汽車保有量持續(xù)高速增長,，同時與之配套的充電服務(wù)運營市場也正蓬勃興起,，因此針對分布式充電樁的數(shù)據(jù)采集、信號傳輸及其網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理變得迫在眉睫,。本文以充電樁的智能監(jiān)測與互聯(lián)互通技術(shù)為研究對象,，設(shè)計開發(fā)了基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置，并在裝置完成充電數(shù)據(jù)采集與充電狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)上,，針對不同的應(yīng)用場景,，研制出串口、TCP/IP,、藍牙,、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等多種的通信傳輸模式,。應(yīng)用情況表明，該裝置管理方便,，能有效提高分布式充電樁使用率,，具有較好的實用性與一定的前瞻性。
關(guān)鍵詞：充電樁,；智能監(jiān)測,；互聯(lián)互通；窄帶物聯(lián)網(wǎng),；TCP/IP
引言
隨著人們環(huán)保意識的提高以及綠色能源理念的不斷深入,，電動汽車的快速發(fā)展已成必然的趨勢。充電樁,，作為電動汽車所需要的配套基礎(chǔ)充電設(shè)施,，在電動汽車高速發(fā)展和政策扶持的背景下，普及速度異常迅猛,。
傳統(tǒng)充電樁強調(diào)硬件設(shè)施,，數(shù)據(jù)監(jiān)測方面大部分通過有線方式實現(xiàn)，不能將采集的數(shù)據(jù)實時傳送至用戶與后臺,，具有很大局限性,。針對上述問題，本文設(shè)計與研制了基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置,。裝置在實時監(jiān)測設(shè)備相關(guān)性能信息的基礎(chǔ)上,，實現(xiàn)多通信傳輸方式的信號傳輸與儲存，以適應(yīng)各個場景的需求,。
一,、總體設(shè)計與實現(xiàn)原理
基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置由狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊、互聯(lián)通信模塊構(gòu)成,。狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊使用硬件模塊和嵌入式模塊實現(xiàn)充電相關(guān)性能信息采集與充電狀態(tài)控制,；互聯(lián)通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、計算,、儲存等功能,。通過有線途徑（串口、TCP/IP）與上位機通信,。當需要短距離直接獲取數(shù)據(jù)時,，可用串口通信方式直接傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)到PC端；當需要多臺設(shè)備從遠端獲取數(shù)據(jù)時,，可用TCP/IP將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng),，PC端通過局域網(wǎng)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)；上位機建立了數(shù)據(jù)庫，可對兩種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行計算,、儲存,。同時，TCP/IP可將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺分析,、儲存,。此外，通過無線途徑（藍牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng)）與B/S管理系統(tǒng)或APP通信,，可實時了解充電信息,，控制充電狀態(tài)，完成賬單支付等功能,。智能充電監(jiān)測裝置通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊將充電信息經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)鏈接云平臺，用戶可使用APP或進入B/S管理系統(tǒng)鏈接云平臺獲取相應(yīng)的充電信息,，并在充電結(jié)束后完成賬單支付等功能,；當充電樁所處地區(qū)信號不好無法使用網(wǎng)絡(luò)方式時，用戶可通過帶藍牙功能的設(shè)備連接裝置藍牙獲取相應(yīng)充電信息,，并在充電結(jié)束后完成賬單支付等功能,。智能充電監(jiān)測裝置框圖如圖1所示。
圖1智能充電監(jiān)測裝置框圖
二,、充電狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊
基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置使用電壓/電流互感器實
時采集充電電壓,、電流等相關(guān)狀態(tài)信息，并將采集的信息傳輸至嵌入式模塊,，嵌入式模塊對采集的電氣信息進行計算優(yōu)化,，如計算充電量、顯示充電時長,、計算實時電價等,。通過與外部設(shè)備聯(lián)合處理控制繼電器開斷，進而控制電動汽車是否開始充電,。原理如圖2所示,。
圖2狀態(tài)控制/信息采集傳輸原理圖
三、互聯(lián)通信模塊
1,、有線傳輸方式
有線傳輸方式主要采用串口通信與TCP/IP通信方式,。當充電樁所處位置網(wǎng)絡(luò)信號不好且與后臺系統(tǒng)相距不遠需要直接通信時，采用串口通信方式傳輸數(shù)據(jù)至PC端,；當充電樁通信距離較遠且需多臺設(shè)備從云平臺或PC端獲取數(shù)據(jù)時,，采用TCP/IP通信方式傳輸數(shù)據(jù)至云平臺與PC端。有線傳輸方式實現(xiàn)針對不同場景,，定制化有效的進行數(shù)據(jù)傳輸,、儲存、計算,。傳輸流程如圖3所示,。
圖3有線傳輸方式傳輸流程圖
串口通信,。在實際運用中為方便實時監(jiān)控充電狀態(tài)信息，將控制系統(tǒng)與PC端上位機系統(tǒng)直接相連,。上位機系統(tǒng)使用LABVIEW進行程序設(shè)計,，控制系統(tǒng)使用I/O模擬數(shù)字信號直接對上位機進行操作。
兩者采用RS232串口通信協(xié)議與異步半雙工模式進行通信,。通信使用VISA節(jié)點,，實現(xiàn)配置串口，串口寫入,，串口讀取,，關(guān)閉串口等功能[2]。串口通信節(jié)點具有使用方法簡單,、成本低,、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點。
TCP/IP通信,。將裝置中網(wǎng)絡(luò)接口與局域網(wǎng)連接,，通過局域網(wǎng)傳輸至云平臺，同時通過TCP/IP協(xié)議與上位機通信,。網(wǎng)絡(luò)接口采用ENC28J60芯片,，該芯片符合以太網(wǎng)IEE8023標準，可作為任何配備有SPI控制器的以太網(wǎng)接口,。支持全雙工和半雙工模式,，較高傳輸速率可達10MB/S的SPI接口。
充電數(shù)據(jù)通過嵌入式模塊與網(wǎng)絡(luò)接口模塊之間的連接傳輸,，同時使用雙絞線連接網(wǎng)卡和以太網(wǎng)交換機進行數(shù)據(jù)的發(fā)送,、接收。
可實時監(jiān)控和存儲充電樁的充電電壓,、電流,、時間、電量等數(shù)據(jù),。
2,、無線傳輸方式
無線傳輸方式主要采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)與藍牙通信方式。窄帶物聯(lián)網(wǎng)可通過無線傳輸方式實時將充電數(shù)據(jù)傳輸至云平臺,，具有鏈接能力強,、傳輸速度快、覆蓋率高,、功耗小等特點,；當充電樁所處地區(qū)信號不好無法使用網(wǎng)絡(luò)方式時，采用藍牙通信方式傳輸數(shù)據(jù)至終端APP。無線傳輸方式實現(xiàn)快速,、便捷的監(jiān)測與控制充電過程,。傳輸流程如圖4所示。
圖4無線傳輸方式傳輸流程圖
窄帶物聯(lián)網(wǎng)云平臺,。物聯(lián)網(wǎng)云平臺可實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)層與傳輸網(wǎng)絡(luò)層的連接,，達到數(shù)據(jù)監(jiān)測和遠程管理控制的目的。針對目前廣域物聯(lián)網(wǎng)在電動汽車信號傳輸系統(tǒng)應(yīng)用中存在能耗大,、穿透能力弱,、覆蓋范圍小等問題，設(shè)計了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings,，NB?IOT）的智能傳輸系統(tǒng),。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是基于3GPP的技術(shù)，具有強鏈接,、高覆蓋,、低功耗的特點。
每一個通信終端都與云平臺關(guān)聯(lián),，使其準確定位每一個充電樁。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將整個系統(tǒng)分為3層,，分別是數(shù)據(jù)采集層,、通信網(wǎng)絡(luò)層、管理平臺層,。數(shù)據(jù)采集層可獲取環(huán)境信息,、用戶信息、以及電能消耗信息,，為充電樁的監(jiān)管提供準確,、較多的數(shù)據(jù)。通信網(wǎng)絡(luò)層采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為通信技術(shù),。管理平臺層作為充電樁遠程管理平臺,，可實現(xiàn)對充電樁的歷史數(shù)據(jù)的查詢、存儲等功能,。
充電樁數(shù)據(jù)通過嵌入式模塊傳送到窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊,，經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)鏈接云平臺?？墒褂肂/S管理系統(tǒng)或APP實時查詢充電情況,。
藍牙通信。藍牙通信采用HC-05嵌入式藍牙通信模塊,，可與各種帶藍牙功能的手機,、電腦、PDA等智能終端配對。智能終端藍牙與裝置藍牙模塊連接后,，本地控制端APP實現(xiàn)對藍牙模塊搜索,、匹配和通信。通過該APP發(fā)送針對充電樁的控制指令,，如開斷指令,。同時接收充電樁返回的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,，傳輸內(nèi)容主要包括：充電時長,、充電量、實時電價,、總費用,、歷史查詢、支付方式等,。
四,、安科瑞充電樁運營管理平臺
1、系統(tǒng)架構(gòu)
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,，同時對各類故障如充電機過溫保護,、充電機輸入輸出過壓、欠壓,、絕緣檢測故障等一系列故障進行預(yù)警,；yong戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后,，系統(tǒng)發(fā)起充電請求,，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。
充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng),，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù),，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進行直連,。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能,，具體功能如下：
資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理,，用戶檔案管理,，充電樁運行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測,。
交易結(jié)算：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
用戶管理：用戶注冊,，用戶登錄,，用戶帳戶管理，消息管理
充電服務(wù)：充電設(shè)施搜索,，充電設(shè)施查看,，地圖尋址，在線自助支付充電,，充電結(jié)算,，導(dǎo)航等
微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能
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
變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表,，超負荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進行調(diào)度管理,，即當負荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率,，降為百分之五十,，當變壓器負荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電,，直到負荷下降為止,。
2、平臺功能
2.1平臺登錄
在瀏覽器打開云平臺鏈接,、輸入賬戶名和權(quán)限密碼,，進行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息,。
2.2平臺首頁
平臺首頁總覽每天的開戶數(shù),、充值金額,、充電金額,、充電度數(shù)、充電次數(shù),、充電時長,，累計的開戶數(shù)、充值金額,、充電金額,、充電度數(shù)、充電次數(shù),、充電時長,，以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)航,、本月充電統(tǒng)計,。
2.3實時監(jiān)控
?充電站監(jiān)控
充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù),、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù),、插槍數(shù)量,、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數(shù),、總電量,、總時長，進行負荷限制,、故障查詢,。
?充電槍監(jiān)控
充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量,、今日充電次數(shù),、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù),、累計充電時長等,、充電電壓電流等參數(shù)。
2.4微信小程序
?搜索與使用
微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到,，點擊后可以加入到小程序列表,，如下圖所示
?授權(quán)登錄界面
用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面,，需要用戶授權(quán)登錄才可以進入小程序主功能頁面,，如圖所示：
?主功能頁
初次進入主功能頁時需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當前所在區(qū)域的充電站,，查看充電站信息,，可以進行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等,。
?充電
掃描充電槍上的二維碼,，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱,、充電槍名稱,，以及當前的賬戶余額，電價和預(yù)計可充電量等數(shù)據(jù),，還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄,。充電方式分為按時間充電、按金額充電,、按電量充電這三種方式,。充電結(jié)束可以進進行評價。
?個人信息
個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額,，同時包括,、充值,、充值記錄查詢、賬單查詢,、充電記錄查詢,、設(shè)置支付密碼等功能
3、硬件配置
3.1平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買,，或者客戶自己租用阿里云資源,。
推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）
若客戶自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點數(shù)的不同,，分別如下：
3.2現(xiàn)場推薦硬件配置清單：
五,、結(jié)束語
基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置由狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊和互聯(lián)通信模塊構(gòu)成。狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊可實現(xiàn)充電相關(guān)性能信息采集與充電狀態(tài)控制,?；ヂ?lián)通信模塊通過有線途徑（串口、TCP/IP）與上位機通信,，通過無線途徑（藍牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng)）與B/S管理系統(tǒng)或APP通信,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、計算,、儲存等功能,。做到了讓用戶隨時隨地知曉充電狀態(tài)，掌控充電過程,，完成充電并支付相關(guān)費用,。整套裝置成本較為低廉，數(shù)據(jù)傳輸有效穩(wěn)定,，人機交互界面智能化,，實用性強。
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作者簡介：李婧婧,，女,，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發(fā)和應(yīng)用
