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基于物聯網的電動自行車智能充電系統

日期：2024-12-22 05:28

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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，設計了一種基于物聯網的充電系統。該系統智能充電節點通過RN8209模塊實現對電動車充電電壓、電流和功率的采集，并利用這些數據判斷充電狀態，異常時自動關閉。該設計不僅實現了電能的計量，而且確保了電動車充電的**性。系統中控網關通過LORA線模塊與多個智能充電節點通信并通過4G模塊實現了與服務器的數據交互測試結果表明，LORA無線能夠穿透地下室,通信距離達到300ｍ，網關與服務器通信穩定。該設計實現了對充電樁的遠程監控，...

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，設計了一種基于物聯網的充電系統。該系統智能充電節點通過RN8209模塊實現對電動車充電電壓、電流和功率的采集，并利用這些數據判斷充電狀態，異常時自動關閉。該設計不僅實現了電能的計量，而且確保了電動車充電的**性。系統中控網關通過LORA線模塊與多個智能充電節點通信并通過4G模塊實現了與服務器的數據交互測試結果表明，LORA無線能夠穿透地下室,通信距離達到300ｍ，網關與服務器通信穩定。該設計實現了對充電樁的遠程監控，具有很好的應用前景。

關鍵詞：物聯網；充電；無線模塊；4G；監控

基于物聯網的電動自行車智能充電系統

目前，電動自行車是人們出行的主要交通工具之一，但大多數的電動自行車充電樁都是傳統的投幣式充電樁，主機體積大、用戶體驗差。而且由于缺乏維護管理，傳統充電樁廢棄率很高，使用效率低，甚至會損壞電池，造成火災。物聯網技術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網技術的智能充電樁，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。而且智能充電節點和中控網關間的LORA通信能穿透地下室，由安裝在地面的中控網關與服務器交互，解決了地下室網絡信號不穩定的問題。

基于物聯網的電動自行車智能充電系統

1 系統整體方案設計

系統總體框圖如圖1所示，主要包括移動終端、服務器、中控網關和智能充電節點。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點，就能進行手機支付并開始充電。能在手機上遠程監控充電電量、時間等信息，也可以結束充電。

智能充電節點應部署在能和中控網關通信的區域，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。可實現充滿自動斷電、突發異常情況自動斷電等功能。充電節點通過LORA無線模塊和中控網關通信。

圖1系統總體框圖

中控網關用4G模塊與服務器建立TCP連接，進行雙向通信。中控網關收集智能充電節點的數據，然后利用4G模塊上傳到服務器，并負責解析服務器下發命令，實現對充電節點的控制。

基于物聯網的電動自行車智能充電系統

2 硬件設計

2.1硬件系統整體結構

硬件系統主要包括智能充電節點和中控網關。如圖2所示，智能充電節點主要設計了RN8209電能檢測和LORA無線傳輸電路，負責控制、監測充電，并與中網關進行通信。如圖3所示，中控網關設計了4G聯網通信、LORA無線傳輸、人機交互等電路，負責管理一個站點所有的智能充電節點，并與服務器進行數據交互。

圖2 智能充電節點結構圖

圖3中控網關結構圖

2.2智能充電節點電能檢測電路

許多充電樁使用電流互感器采集電流信號，經過放大電路做AD轉換來采集電流，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，滿足充電節點的監測需求。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。在絕大多數情況下，低壓供電系統零線直接接地，負載可能會通過大地回到零線上，使電表計量不準，所以選擇采集火線電流。

基于物聯網的電動自行車智能充電系統

3 通信協議設計

3.1充電節點與中控網關通信協議

中控網關相對于充電節點是主機，所有通信由主機主動發起，從機被動響應，不然從機都在發數據會造成干擾，導致通信失敗。中控網關和充電節點之間的通信協議格式如表1所示。

表1 中控網關和充電節點之間的通信協議格式

起始：固定為OｘFF、OｘCC，表示一幀數據的開始。地址：前兩字節代表中控地址，低位在前，第3個字節代表充電節點號。命令：查詢Oｘ01，查詢應答Oｘ11，打開Oｘ02，打開應答Oｘ02，關閉Oｘ03，關閉應答Oｘ13。

長度：表示內容的字節數。

內容：查詢應答有5字節，1字節充電狀態，2字節當前有功功率，2字節消費金額；打開命令用有2字節充電時間；其他都為無。校驗：采用 CRC16校驗法，低位在前。結束：固定為0ｘ55，0ｘ19，表示一幀數據的結束。

3.2中控網關和服務器通信協議

中控網關使用TCP方式與服務器通信，數據中大多為數字，直接傳16進制相比傳字符串能減少通信字節數，而且處理效率高，通信格式如表2所示。

表2 中控網關和服務器之間的通信協議格式

起始：固定為OｘAA，Oｘ55，表示一幀數據的開始。地址：中控網關地址，低位在前。命令：心跳上傳Oｘ01、ｘ00，打開Oｘ02、ｘ00，關閉Oｘ03、ｘ00，中控網關應答Oｘ96、0ｘ01，服務器應答0ｘB1、Oｘ02

長度：表示內容的字節數，低位在前。

內容：心跳包含所有充電節點的查詢應答數據，每個節點包含1字節節點號，1字節充電狀態，2字節當前有功功率，2字節消費金額；打開命令有3字節，1字節節點號，2字節充電時間，關閉命令有1字節節點號，其他都為無。校驗：采用CRC16校驗法，低位在前。結束：固定為OｘOD,OｘOA,表示一幀數據的結束。

4 軟件設計

4.1智能充電節點軟件

如圖7所示，充電節點實時處理中控網關的命令，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，若充電時出現電流過高、電壓過高、功率躍變、功率低于2W連續3min(充電器沒插上)、功率低于10W連續 3min(已充滿)，則切斷電源并進行聲光報警。功率躍變診斷可防止他人惡意更換用電器，判斷標準為在正常充電時，出現功率低于2W，隨后又恢復正常，低于2W前后的兩次正常功率相差超過10W。充電節點嚴格按充電規范執行，大大提高了**性。

圖7智能充電節點軟件流程圖

為了避免意外斷電導致正在執行的充電過程結束，使用STM 32自帶的PVD中斷。設置在電壓降到2.9V時進人中斷，把充電數據存入Flash。當再次上電時，從Flash里讀出充電數據就能維持斷電前的充電狀態。

4.2中控網關軟件

如圖8所示，中控網關初始化完成后讀取Flash里存儲的地址，與服務器通信和智能充電節點通信時用此地址來區分充電站點。使用4G模塊與服務器建立TCP長連接后就能接收服務器下發的命令。每隔300ms輪詢智能充電節點的充電數據，并每分鐘上傳心跳，以更新服務器上記錄的實時充電狀態。中控監測TCP連接狀態，發現異常則重啟4G模塊并重新建立連接。

圖8中控網關軟件流程圖

4G模塊和服務器通信的數據量大，對4G模塊數據的處理效率會直接影響到整個系統的運行速度和可靠性。設計了“DMA接收+串口IDLE中斷+定時器中斷”的軟件方案。使用DMA硬件接收串口數據，不占用CPU時間。由于一幀的數據不一定連續傳給STM32，中間也會觸發空閑中斷，因此在串口空閑中斷中開啟10ms的定時器，10ms內沒觸發空閑中斷才進入定時器中斷，確保了一幀數據的完整性。

4.3移動端軟件

移動端軟件設計成微信小程序，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協議與服務器進行交互。Https主要用于發起請求后服務器立即回復的情景，如刷新界面信息。Web Socket使服務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點和時間并點擊開始充電，小程序發送命令到服務器，通過服務器和中控的轉發，即可打開智能充電節點，服務器通過Web Socket給用戶推送打開成功或打開失敗的提示。

圖9移動端軟件充電流程圖

基于物聯網的電動自行車智能充電系統

5 測試與總結

充電樁調試時，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的中控網關每分鐘上傳心跳正常，表明沒有出現丟包現象，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。

本文設計了一種基于物聯網的電動車充電系統，能夠用移動端APP對充電樁進行操作，并實時監測充電狀態。且此系統適應能力強，可安裝在地下室等無信號場合，有很高的應用價值。

6安科瑞電動自行車充電樁智能管理系統

6.1簡介

安科瑞電瓶車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數據交互。系統能夠對電瓶車充電樁的日常狀態、充電過程進行監控；實現充電支付對接：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行有效的預警；實現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圖10所示。

圖10智能電瓶車充電樁云平臺架構

根據對運營數據的分析，云平臺能杜絕充電過程中存在的火災隱患，還能通過物聯技術、無線通信技術和互聯網技術向因火災隱患而自動斷電的車主實時發出警告信息，告知其應對車輛進行必要的檢測和保養。對于投幣車主出現險情因未有聯系通道轉而采取對其出現險情的站點以及區域進行熱點追蹤排查和突破。據統計，浙江省去年持續共投入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92281次，投幣充電達67723次，微信公眾號“樁源”充電達7205次，共計167209次。實時監控充電記33564327條，因超72V非標車輛、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數據服務

數據采集，短信提醒，數據存儲和解析。

6.2.2**預警

對平臺連接的所有充電樁狀態進行監視，充電樁發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號，及時消除火災隱患。