(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

目前，電動(dòng)車是人們出行的主要交通工具之一，但大多數(shù)的電動(dòng)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)[1]。

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)[2]的智能充電樁，采用分布式控制[3]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(diǎn)和中控網(wǎng)關(guān)[4]間的LoRa通信[5]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。

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，也可以隨時(shí)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[6]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)對充電節(jié)點(diǎn)的控制。

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電能檢測和LoRa無線傳輸電路，負(fù)責(zé)控制、監(jiān)測充電，并與中控網(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，還是有安全隱患。本文采用RN8209D單相電能計(jì)量芯片[7-8]，采用完全差分輸入方式測量電流和一路電壓，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[9]。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。

如圖4所示，管腳4、管腳5為電流通道A，使用5 mΩ的錳銅作為采樣電阻，錳銅的溫漂系數(shù)小，電流檢測可靠性高。管腳8、管腳9為電壓通道，跨接在零線和火線之間。L_IN為火線，N_IN為零線，把火線作為參考地，接火線的采樣就可以減少限流電阻，簡化電路。電壓采集接零線的一端需要串聯(lián)1～2 MΩ限流電阻，選為4個(gè)300 kΩ電阻，某一個(gè)電阻短路只會(huì)造成電表不準(zhǔn)，并不會(huì)損壞設(shè)備。采集時(shí)為了抗混疊，并聯(lián)1 kΩ電阻和33 nF電容。管腳12IS接上拉，選擇使用SPI接口(管腳13～管腳16)與STM32通信。

圖4 電能檢測電路

2.3 LoRa無線傳輸電路

AS32采用 LoRa擴(kuò)頻傳輸[10]，工作頻率在410～441 MHz，共計(jì)32個(gè)信道，每個(gè)信道間隔1 M，發(fā)射功率最大達(dá)到20 dBm，空中速率最大19.2 kbit/s，采用循環(huán)交織糾錯(cuò)編碼算法，糾錯(cuò)能力及抗干擾能力強(qiáng)，且自帶看門狗，無需外部復(fù)位。通信時(shí)，AS32的通信信道和傳輸速率必須設(shè)置一致，否則將無法通信。

如圖5所示，管腳4、管腳5(MD0、MD1)接地選擇一般透明傳輸模式，即一個(gè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，其他都能收到。管腳6為天線引腳，預(yù)留一個(gè)π型阻抗匹配電路，ANT為天線接口。利用LoRa模塊做了相當(dāng)于無線中繼的功能，在使用9.6 kbit/s速率時(shí)就能穿透地下室，與地面的中控網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定通信，解決了在地下室等地方網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差甚至無信號(hào)的問題，同時(shí)也解決了有線連接布線復(fù)雜的問題。

圖5 LoRa無線傳輸電路

2.4 中控網(wǎng)關(guān)4G傳輸電路

使用4G模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)2G、3G模塊可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高用戶體驗(yàn)，適合做更復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。4G模塊[11]選為L710-CN-30，DC：3.3～4.4 V供電，支持AT指令操作。L710在使用時(shí)，可能會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)異常出現(xiàn)socket通道用不了的情況，因此必須設(shè)計(jì)硬件復(fù)位。使用TPS54202電源芯片提供3.6 V電壓給L710供電，并由STM32控制TPS54202的使能端。當(dāng)L710出現(xiàn)異常時(shí)，可以通過重新上電的方式進(jìn)行復(fù)位。

如圖6所示，VBAT引腳處需要加各種濾波電容，其中100 μF用于減少電源波動(dòng)，1 μF、100 nF濾除數(shù)字信號(hào)噪聲，33 pF濾除低頻段射頻干擾，其余可以濾除中、高頻段射頻干擾。USIM接口支持1.8 V/3 V SIM卡，模塊開機(jī)時(shí)，USM_VDD先輸出1.8 V進(jìn)行SIM卡握手，如果不成功，則會(huì)輸出2.85 V進(jìn)行SIM卡握手，自動(dòng)檢測SIM卡，并能支持SIM卡熱拔插。USB支持軟件下載、 socket抓包等調(diào)試功能。UART用于與CPU通信，STM32高電平為3.3 V，而L710串口高電平為1.8 V，1.8V可由L710輸出，為此設(shè)計(jì)了由Q1、Q2三極管組成的電平匹配電路。

L710模塊使用雙天線設(shè)計(jì)，其中MAIN_ANT用于發(fā)射接收RF信號(hào)，必須接天線，DIV_ANT只用于接收，能提高接收靈敏度，并提高下載速率，可不接。模塊和天線之間預(yù)留π型電路供阻抗匹配調(diào)試，阻抗控制在50 Ω左右。

圖6 4G模塊電路

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)相對于充電節(jié)點(diǎn)是主機(jī)，所有通信必須由主機(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0xFF，0xCC，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0x01，查詢應(yīng)答0x11，打開0x02，打開應(yīng)答0x12，關(guān)閉0x03，關(guān)閉應(yīng)答0x13。

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(fèi)金額；打開命令有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0xAA，0x55，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0x01、x00，打開0x02、x00，關(guān)閉0x03、x00，中控網(wǎng)關(guān)應(yīng)答0x96、0x01，服務(wù)器應(yīng)答0xB1、0x02。

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(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0x0D，0x0A，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2 W連續(xù)3 min(充電器沒插上)、功率低于10 W連續(xù)3 min(已充滿)，則切斷電源并進(jìn)行聲光報(bào)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(shí)，出現(xiàn)功率低于2 W，隨后又恢復(fù)正常，低于2 W前后的兩次正常功率相差超過10 W。充電節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格按充電規(guī)范執(zhí)行，大大提高了安全性。

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STM32自帶的PVD中斷。設(shè)置在電壓降到2.9 V時(shí)進(jìn)入中斷，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長連接后就能接收服務(wù)器下發(fā)的命令。每隔300 ms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(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10 ms的定時(shí)器，10 ms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WebSocket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。WebSocket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WebSocket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

5 測試與總結(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300 m。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60 W，正常打開消費(fèi)1分錢，之后按0.3元/小時(shí)計(jì)費(fèi)。

圖10 移動(dòng)端界面

圖11 服務(wù)器打印數(shù)據(jù)

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對充電樁進(jìn)行操作，并實(shí)時(shí)監(jiān)測充電狀態(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)場合，有很高的應(yīng)用價(jià)值。