陳海云， 潘 凱， 黃秋萍

(1.浙江師范大學(xué) 信息光學(xué)研究所，浙江 金華 321004;2.杭州師范大學(xué) 東城中學(xué)， 浙江 杭州 310000;3.浙江師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，電瓶車逐漸取代了傳統(tǒng)的人力自行車.電瓶車輕便、省力，因而成為很多學(xué)生在校園中首選的日常交通工具.為了滿足廣大校園用戶的充電需求，校園內(nèi)設(shè)置了大量的充電樁，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)很多問題，以浙江師范大學(xué)為例，目前的充電樁采用刷卡定時(shí)充電方式，實(shí)際僅提供一個(gè)交流電插座，定額扣費(fèi)，一次充電時(shí)間固定，功能單一，共享效率低.歸納起來主要問題有：1)充電時(shí)間固定，不能按照實(shí)際情況改變充電時(shí)間；2)充電過程中容易被他人拔除盜用；3)缺少信息交互，用戶無法實(shí)時(shí)了解充電進(jìn)程.文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一款針對校園電瓶車的智能充電控制系統(tǒng)，可以調(diào)整充電電壓和電流，充電結(jié)束后能通過藍(lán)牙提醒用戶,但并未實(shí)現(xiàn)對充電過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，未能防止或降低中途被拔除的可能性，藍(lán)牙通信有效距離過短，不利于遠(yuǎn)距離的信息交互.

針對校園電瓶車充電中的實(shí)際問題，筆者設(shè)計(jì)了一款智能共享充電控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)充電樁與充電器整合在一起，增加智能控制模塊,以實(shí)現(xiàn)對充電過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過GPRS(general packet radio service)模塊實(shí)現(xiàn)與用戶之間的信息互動，真正實(shí)現(xiàn)智能化充電，并大大提高公共充電裝置的共享效率.

1 設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的智能共享充電控制系統(tǒng)將通用充電器包含在內(nèi)，智能控制基于對充電過程中充電電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測.為了掌握充電過程中的電流變化數(shù)據(jù)，筆者實(shí)際測量了一個(gè)充電周期中電壓與電流隨時(shí)間(t)的變化關(guān)系，如圖1所示.充電過程電壓信號雖有波動，但基本保持穩(wěn)定；然而電流信號會隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸減小，充電完成后趨于穩(wěn)定的一個(gè)小電流值(約為0.4 A).因而充電過程的電流值可以作為充電進(jìn)程的指示信號，通過對電流信號進(jìn)行監(jiān)測可以估算充電的進(jìn)度，同時(shí)作為狀態(tài)判斷的依據(jù)，電流穩(wěn)定為0.4 A即為正常終止?fàn)顟B(tài)，而如果電流值瞬間降為0，那么可判定為異常終止?fàn)顟B(tài)，即在充電過程中被人為拔除.

(a)電壓 (b)電流

充電控制器要實(shí)現(xiàn)的功能要點(diǎn)：1)當(dāng)電流從大電流逐漸降低到小電流的穩(wěn)定變化時(shí)，充電狀態(tài)正常，繼電器閉合持續(xù)充電，他人無法刷卡干擾；2)穩(wěn)定在小電流(約0.4 A)時(shí)為正常終止，充電結(jié)束后繼電器斷開，發(fā)短信至用戶提醒，同時(shí)釋放權(quán)限，供下一用戶使用；3)若中途將充電器拔除，電流會瞬間降到0 A，即為異常終止，繼電器斷開，并向當(dāng)前用戶發(fā)短信警報(bào).異常狀態(tài)時(shí)，充電器功能權(quán)限被鎖定，其他用戶無法使用，只有當(dāng)前用戶或管理員方可重新激活使用，從而最大限度地降低被中途拔除盜用的可能性；4)在充電過程中用戶可以主動發(fā)短信查詢狀態(tài)，系統(tǒng)將當(dāng)前電量的百分比和剩余時(shí)間發(fā)送到用戶手機(jī).

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程

2.1 充電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能共享充電控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖2中，主芯片采用Arduino Uno單片機(jī)，Arduino Uno單片機(jī)有開源的硬件資源和軟件庫函數(shù)[2-3]，硬件連接和軟件編程相對容易，與常用模塊間的接口有庫函數(shù)供調(diào)用.刷卡模塊采用基于射頻識別技術(shù)RFID(radio frequency identification)的MF-RC522，通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)[4]；短信模塊采用GPRS-GA6，Arduino Uno單片機(jī)通過串行口控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)與用戶間的短信互動[5]；顯示模塊采用OLED-12 864，為128×64行點(diǎn)陣的OLED單色、字符和圖形顯示模塊，具有4位并行數(shù)據(jù)接口，可與Arduino Uno直接相連；電流檢測模塊采用ACS712LCH-20A-T，檢測電流范圍為-20～20 A，輸出電壓(Vout)與檢測電流(Ip)的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示，電源電壓(VCC)為5 V、溫度(T)為25 ℃時(shí)，電壓與電流的關(guān)系式為Vout=2.5+0.1×Ip，精度為100 mV/A[6].

圖2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 電流傳感器ACS712的電壓與電流關(guān)系

2.2 充電控制工作流程

充電控制工作流程如圖4所示.用戶首次刷卡時(shí)系統(tǒng)將自動記錄并保存用戶IC卡的信息及綁定的手機(jī)號碼.電瓶車充電正常結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送充電完成短信到用戶手機(jī).

圖4 充電控制工作流程圖

若在充電過程中被他人拔除，在拔除的一瞬間系統(tǒng)將停止輸出供電，并鎖定權(quán)限，其他用戶無法使用此系統(tǒng)進(jìn)行充電，只有當(dāng)前用戶本人或管理員的IC卡才能再次開啟系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)給用戶發(fā)出一條短信，通知用戶充電被中斷，請及時(shí)處理并重新充電，或聯(lián)系管理員繼續(xù)充電.在充電過程中，用戶可以主動發(fā)短信查詢充電狀態(tài)，系統(tǒng)接到短信后將當(dāng)前充電狀態(tài)信息以短信方式反饋給用戶，反饋信息包括當(dāng)前充電進(jìn)度完成的百分比及估算的剩余時(shí)間.

3 結(jié)果分析

設(shè)計(jì)完成的智能共享充電控制系統(tǒng)樣機(jī)如圖5所示.

圖5 智能充電控制系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5中，封裝內(nèi)下層為電瓶車充電器，上層為由各模塊組成的智能控制系統(tǒng).表1所示為一個(gè)充電周期的測試結(jié)果，包括在不同充電狀態(tài)下的充電電流、顯示內(nèi)容、繼電器狀態(tài)及短信交互內(nèi)容.記錄結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)有效檢測到充電電流信號，并能根據(jù)電流信號的狀態(tài)和變化來決定繼電器的狀態(tài)；系統(tǒng)能與用戶之間進(jìn)行準(zhǔn)確有效的短信交互，不同狀態(tài)下用戶收到的短信內(nèi)容如圖6所示.測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能共享充電控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能要求.

表1 1個(gè)充電周期的實(shí)測記錄

(a)狀態(tài)查詢 (b)異常終止 (c)充電結(jié)束

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款智能共享型充電控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測充電電流來判斷充電狀態(tài)，并通過短信方式與用戶之間實(shí)現(xiàn)信息互動，在正常結(jié)束和異常終止時(shí)通過短信提醒用戶，用戶亦可主動發(fā)送短信獲取當(dāng)前的充電狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了充電控制智能化.該系統(tǒng)將充電器集成于一體，并能在正常充電結(jié)束時(shí)及時(shí)釋放權(quán)限，大大提高了共享的效率.而在異常終止時(shí)系統(tǒng)自動鎖定，其他用戶無法充電，從而從行為動機(jī)層面最大限度地降低了正常充電過程中被拔除盜用的可能性.近年來，校園智能充電系統(tǒng)的應(yīng)用需求量大幅度地增長，在共享經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，智能共享充電樁的建設(shè)速度仍會不斷加快，本文的研發(fā)成果有望得到更好的應(yīng)用和推廣.