杜明明，崔立堃，馮緒永，王承祥

（陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

0 引 言

隨著純電動汽車迅速發(fā)展，充電樁的發(fā)展也呈快速的發(fā)展趨勢。2015 年《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展規(guī)劃（2015—2020 年）》指出了明確的發(fā)展目標(biāo)，2020 年初充電樁被正式納入新基建，有望迎來新一輪增長。目前，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、TELD、奧地利集團(tuán)和其他許多國內(nèi)充電設(shè)備制造商和運營商大多都是以104 通訊協(xié)議為基礎(chǔ)，并且各個制造商和運營商經(jīng)過對該協(xié)議進(jìn)行一定程度的篩選和修改后，使該協(xié)議變?yōu)椤鞍腴_放”的狀態(tài)進(jìn)行開發(fā)使用，這樣形成的封閉協(xié)議代表了它的私有性，如果沒有相對應(yīng)的接口和網(wǎng)關(guān)，就無法和其他產(chǎn)品互相通訊。OCPP（Open Charge Point Protocol，開放充電通訊協(xié)議）是一個免費提供的開放標(biāo)準(zhǔn)，是一種通用的開放通訊協(xié)議，它用于解決私營充電網(wǎng)絡(luò)帶來的挑戰(zhàn)，它使供應(yīng)商和網(wǎng)絡(luò)運營商能夠相互混合以及互相匹配可互操作性的軟件和硬件。統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可防止各種協(xié)調(diào)問題，因此對于整個電動汽車市場都是一個優(yōu)勢。運用當(dāng)前在工業(yè)應(yīng)用中占有不可替代作用的Linux下的Ubuntu 操作系統(tǒng)實現(xiàn)了OCPP 特定的功能，并經(jīng)驗證各個功能均可以達(dá)到良好的交互，證明了為解決兩端之間通訊的開放性提供了一種方法，擬為后續(xù)汽車充電樁的發(fā)展模式和管理方式提供一種可行性的交互框架。

1 OCPP 1.6 及系統(tǒng)模型

1.1 OCPP 1.6

OCPP 為CS（充電站）與任何CSMS（充電站管理系統(tǒng)）間提供一種統(tǒng)一的通訊方案。這個協(xié)議構(gòu)架支持任何充電服務(wù)供應(yīng)商的CSMS 與所有的CS 點互相連接。目前，OCPP已經(jīng)成為歐洲和美國部分地區(qū)充電網(wǎng)絡(luò)通訊領(lǐng)域事實上的開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，有50多個國家的充電網(wǎng)絡(luò)運營商和服務(wù)提供商依靠OCPP管理成千上萬個充電站。

圖1 兩個版本的對比

1.2 基于OCPP 充電站和充電站管理系統(tǒng)模型

在OCPP中，CS作為電動汽車充電的物理系統(tǒng)，一個CS 可以有一個或者多個EVSE（電動汽車供應(yīng)設(shè)備）。在協(xié)議里面，電動汽車被認(rèn)為是充電站的一部分，在同一時間，可以為一輛電動汽車提供能源。圖2 中的連接器就是通常所說的能在CS 上獨立操作和管理的電源插座，簡言之，就是對應(yīng)于單個物理連接器。在某些情況下，電動汽車可能有多個物理插座類型和連接器，以方便不同類型的車輛（例如四輪電動汽車和電動摩托車），這個設(shè)置被稱為三層模型，如圖2 所示。

圖2 三層系統(tǒng)模型

基于通訊目的的充電基礎(chǔ)設(shè)施并不是強制性地加到物理硬件設(shè)備上，例如，EVSE 可能會被集成到一個CS 上面，這樣看起來只是設(shè)備的一部分。

2 充電站管理系統(tǒng)運行環(huán)境搭建

2.1 Steve 服務(wù)器搭建流程

在OCPP 1.6 版 本中，OCPP 作 為CS 和CSMS 之 間通訊的一種協(xié)議。在進(jìn)行OCPP 中特定功能實現(xiàn)時，要同充電站管理系統(tǒng)進(jìn)行交互，進(jìn)而驗證所開發(fā)的功能是否遵循OCPP 協(xié)議的要求，同樣驗證其功能的實現(xiàn)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

采用Steve 版本的充電站管理系統(tǒng)，它完全是遵照OCPP 進(jìn)行開發(fā)的，并且是比較穩(wěn)定的一個系統(tǒng)。兩端通過Web Socket 方式進(jìn)行信息交互，CSMS 作為Web Socket 服務(wù)器端，CS 作 為Web Socket 客戶端，其總體流程如圖3 所示。

Web Socket 協(xié)議是一個標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，用于服務(wù)器向客戶發(fā)送內(nèi)容，而不需要客戶要求的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議；在克服請求超時問題方面，也發(fā)揮了最重要的作用，例如，它允許消息來回傳遞，同時保持連接持續(xù)開放。

Web Socket 協(xié)議是基于HTML5 提供的一種在單個TCP 連接上進(jìn)行全雙工通信的協(xié)議，該協(xié)議本質(zhì)上為通信雙方提供了一個基于TCP 連接的雙向通道，所以能夠高效地在雙向通道中實時互相發(fā)送信息。如圖3 所示，在搭建Steve 服務(wù)器時，所用到的技術(shù)主要利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL 進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問和管理，利用Apache-Maven、JDK 等工具進(jìn)行環(huán)境運行維護(hù)。

農(nóng)業(yè)植保是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的必然環(huán)節(jié)，但是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，而在小型無人機設(shè)備的使用下，能夠?qū)Ω鲄^(qū)域進(jìn)行規(guī)范化作業(yè)，彌補人工植保、機械植保的不足。同時，要想更好地展現(xiàn)無人機設(shè)備在農(nóng)業(yè)植保中的地位，則需不斷優(yōu)化無人機結(jié)構(gòu)、提高無人機質(zhì)量、優(yōu)化植保手段等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

圖3 Steve 服務(wù)器搭建流程

2.2 克隆管理系統(tǒng)及運行

搭建的環(huán)境最后要為服務(wù)器的完好運行服務(wù)。目前，對應(yīng)于OCPP 1.6 版本的服務(wù)器的最穩(wěn)定版本是Steve-3.4.3 版本，通過在git@github.com：RWTH-i5-IDSG/steve.git 上運用Git 工具來獲取Steve-3.4.3 版本，該服務(wù)器是獨立運行的，并不需要Java Servlet 容器或者Web服務(wù)器（例如Apache-Tomcat），故選用Steve 作為充電站管理系統(tǒng)服務(wù)器。對服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的配置、本地到服務(wù)器的IP 地址的設(shè)置等，根據(jù)終端運行成功后所生成的URL：http：//127.0.0.1：8080/steve/manager/home在Google-Chrome 瀏覽器打開，進(jìn)入到服務(wù)器的登錄界面，證明服務(wù)器端能正常運行，為客戶端功能的驗證奠定了基礎(chǔ)，如圖4 所示。

圖4 Web Socket 服務(wù)器端登錄界面

3 OCPP 特定功能實現(xiàn)

3.1 通過RFID 授權(quán)充電站功能

在電動汽車司機可以啟動或停止電動汽車充電之前，第一步要做的就是要對CS 進(jìn)行授權(quán)操作，在OCPP 1.6中，支持用RFID 進(jìn)行授權(quán)操作。當(dāng)司機要開始或停止給電動汽車充電時，出示RFID 卡，然后CS 會將授權(quán)請求發(fā)送給CSMS 即充電站管理系統(tǒng)，收到請求后CSMS即會響應(yīng)授權(quán)請求，該響應(yīng)消息會反映idToken 是否被CSMS 接收，idToken 是一種用于授權(quán)的標(biāo)識符。CS 將授權(quán)請求發(fā)送到CSMS 以請求授權(quán)，收到授權(quán)請求后，CSMS 會以“授權(quán)響應(yīng)”進(jìn)行響應(yīng)，該響應(yīng)消息指示idToken 是否被CSMS 接收，如圖5 所示。

圖5 CS 授權(quán)過程

3.2 啟動通知功能

該功能的目的就是使CS 能夠在CSMS 上進(jìn)行注冊并提供正確的狀態(tài)信息。在CS 啟動后，首先向CSMS 發(fā)送啟動通知請求，提供配置信息如供應(yīng)商、版本等基本信息，在CSMS 收到來自CS 發(fā)送的請求后，CSMS 應(yīng)響應(yīng)指示是否接收CS。當(dāng)CSMS 響應(yīng)啟動請求時，CS 將調(diào)整心跳間隔，根據(jù)間隔來同步它的內(nèi)部時鐘與提供的CSMS 的當(dāng)前時間。CS 信息主要包括：序列號，供應(yīng)商特定的設(shè)備標(biāo)識符；型號，定義設(shè)備型號；供應(yīng)商名稱，標(biāo)識供應(yīng)商（不一定以唯一的方式）；固件版本，其中包含CS 的固件版本等一些關(guān)于CS 的一些基本信息。詳細(xì)信息如圖6 所示。

圖6 啟動通知過程

3.3 通過CSMS 對CS 的授權(quán)

該功能用例是通過CSMS 服務(wù)器生成的idToken 可以在CS 上啟動充電會話，通過使用應(yīng)用程序向CSMS 發(fā)送啟動請求，CSMS 會確定一個idToken 并且可以生成一個唯一的ID 來用作充電的idToken，接著CSMS 會向CS 發(fā)送一個帶有idToken 的啟動充電請求，然后CS 會發(fā)送一個開始充電響應(yīng)，接受充電請求。具體功能實現(xiàn)流程如圖7 所示。

圖7 CSMS 授權(quán)CS

3.4 心跳功能

該功能模塊的目的是讓CSMS 實時知道CS 的狀態(tài)仍然是在連接中，CS 在一個可配置的時間間隔后發(fā)送一個心跳。CS 會向CSMS 發(fā)送一個心跳請求來確保CSMS 知道CS 仍然處于活動狀態(tài)，CSMS 一旦收到心跳請求后，會響應(yīng)一個心跳響應(yīng)，響應(yīng)CSMS 的當(dāng)前時間，同樣也可以使用該時間來同步其內(nèi)部時鐘。

4 功能測試

4.1 驗證兩端的連接狀態(tài)

對于使用OCPP-J 的CS 和CSMS 之間的連接，CSMS充當(dāng)Web Socket 服務(wù)器，而充電點充當(dāng)Web Socket 客戶端。要啟動Web Socket 連接，CS 需要一個URL 進(jìn)行連接。此后，文中URL 稱為“連接URL”，連接URL 特定于某個CS。充電點的連接URL 包含CS 標(biāo)識（文中NO001），以便CSMS 知道Web Socket 連接屬于哪個CS。首先由客戶端向服務(wù)器端發(fā)送一個HTTP 請求，即Web Socket 連接起始于一個HTTP 請求，該請求頭中會包含“Upgrade：Web Socket”，這表明瀏覽器端請求將會通過HTTP 協(xié)議升 級到Web Socket 協(xié)議。

使用OCPP-J 端點URL 為：

“ws：//127.0.0.1：8080/steve/websocket/Central System Service/NO001”

下面是OCPP-J 連接握手打開HTTP 請求的狀態(tài)代碼：

Requestheader=GET/steve/websocket/CentralSystemService/NO001 HTTP/1.1

Upgrade：web socket

Connection：Upgrade

Sec-Web Socket-Protocol：ocpp1.6

Host：127.0.0.1：8080

Sec-Web Socket-Key：yyEwurPSLFnpKLI0z7uxww==

Sec-Web Socket-Version：13.

在此連接過程中，CS 的唯一標(biāo)識為“NO001”，故請求的路徑為：“/steve/websocket/CentralSystem Service/NO001”。

4.2 驗證功能

通過在終端上模擬RFID 對CS 進(jìn)行授權(quán)，發(fā)送心跳以及充電等請求，在Ubuntu 終端上會顯示發(fā)送成功的界面，直接能說明可以進(jìn)行良好的通訊以及進(jìn)行功能上的響應(yīng)，如圖8 所示。

圖8 終端請求指令成功界面

啟動通知功能是應(yīng)用比較頻繁的一個功能，在正常情況下，從終端發(fā)送一條啟動通知請求后，通過CSMS的授權(quán)功能實現(xiàn)，其功能的實現(xiàn)是在服務(wù)器端進(jìn)行CS標(biāo)識符的鎖定，如“NO001”，此標(biāo)識符是唯一的，其在服務(wù)管理端成功授權(quán)的界面如圖9 所示。

圖9 服務(wù)器端界面

在終端運行經(jīng)過編譯后的心跳功能可執(zhí)行文件，CSMS 會收到心跳請求，心跳功能的主要目的就是讓CSMS 知道CS 一直處于活動狀態(tài)，執(zhí)行充電請求時，后臺管理系統(tǒng)同樣會響應(yīng)，通過搭建的Steve 服務(wù)器，結(jié)合OCPP 中所涉及的功能塊的工作原理，最后成功地實現(xiàn)了功能，并且可以很好地進(jìn)行工作。圖10 展示了后臺管理系統(tǒng)的響應(yīng)信息。

圖10 服務(wù)端響應(yīng)界面

5 結(jié) 論

本文基于OCPP 通訊協(xié)議，在Linux 下的Ubuntu 操作系統(tǒng)上運用各種項目構(gòu)建工具和技術(shù)分別搭建了充電站客戶端運行框架和后臺管理系統(tǒng)框架，對所涉及的授權(quán)充電、啟動通知、心跳等特定功能進(jìn)行了研究和實現(xiàn)。最后結(jié)合Steve 服務(wù)器進(jìn)行通訊，驗證了兩端能進(jìn)行可靠、實時、快速地通訊，表明OCPP 協(xié)議作為開放性的通訊協(xié)議能正常地進(jìn)行通訊，本文所提通訊框架成功運用了OCPP 協(xié)議，并為未來充電樁通訊協(xié)議應(yīng)用OCPP 提供了一種可行性的通訊框架。