楊新華，王彥龍，薛健

（1.蘭州理工大學(xué)，蘭州730050；2.甘肅省工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

引 言

近年來(lái)，尋找可再生清潔能源成為人們研究的焦點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用也是其中一個(gè)重要方面。之前的電動(dòng)汽車(chē)充電站多為電力系統(tǒng)直接供電，本文采用光伏這一新能源對(duì)其供電，既節(jié)約能源，又為未來(lái)智能電網(wǎng)的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。為保證未來(lái)高速公路上電動(dòng)汽車(chē)光伏儲(chǔ)能充電站[1-2]的安全和智能運(yùn)行，需要建立起完善的光伏儲(chǔ)能電動(dòng)汽車(chē)充電站監(jiān)控系統(tǒng)。

嵌入式技術(shù)經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，為以數(shù)據(jù)采集、信息處理、遠(yuǎn)程傳輸和終端監(jiān)控為核心的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)都是采用有線方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，布線困難，耗費(fèi)人力、物力及財(cái)力。本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee和4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)汽車(chē)光伏儲(chǔ)能充電站的在線監(jiān)控系統(tǒng)。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)是：通信距離近、功耗低、傳輸速率較低、節(jié)點(diǎn)成本低、協(xié)議復(fù)雜度低并且能夠自組網(wǎng)，在無(wú)線定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域有明顯優(yōu)勢(shì)。

1 光伏儲(chǔ)能及電動(dòng)汽車(chē)充電站監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 光伏儲(chǔ)能充電站整體框架

[2]介紹的光伏儲(chǔ)能電動(dòng)汽車(chē)充電站是光伏與電網(wǎng)協(xié)調(diào)配合對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。電站在使用清潔能源對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的基礎(chǔ)上，可與電網(wǎng)協(xié)調(diào)、配合，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”的作用，符合智能電網(wǎng)的要求。本系統(tǒng)是依據(jù)參考文獻(xiàn)[3]優(yōu)化后的光伏并網(wǎng)運(yùn)行的充電站設(shè)計(jì)，整體框架如圖1所示[3]。

1.2 充電站監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用分布式部署方式，即在充電站內(nèi)建立站內(nèi)控制中心，通過(guò)ZigBee將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心統(tǒng)一管理、發(fā)布。

光伏儲(chǔ)能電動(dòng)汽車(chē)充電站監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

第一層為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器和監(jiān)控主機(jī)等設(shè)備；第二層為監(jiān)控工作站，包括數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸模塊；第三層是充電站的各監(jiān)控終端子系統(tǒng)，包括配電監(jiān)控、充電監(jiān)控、煙霧監(jiān)視、溫濕度監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)視等監(jiān)控子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)直接與監(jiān)控工作站相連，其他的子系統(tǒng)均采用ZigBee的方式間接地與工作站連接。監(jiān)控工作站將采集到的數(shù)據(jù)處理后，利用移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)充電站的數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)、故障顯示和監(jiān)控[4]。

圖1 光伏充電站的整體框架

圖2 充電站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)的功能

充電監(jiān)控系統(tǒng)由一臺(tái)或多臺(tái)工作站或服務(wù)器組成，當(dāng)充電站的規(guī)模較小、充電機(jī)數(shù)量不多時(shí)，采用單臺(tái)監(jiān)控工作站即可滿足監(jiān)控要求；當(dāng)充電站的規(guī)模較大、充電機(jī)數(shù)量較多時(shí)，可以采用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上監(jiān)控工作站。

充電監(jiān)控功能是整個(gè)充電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控所有充電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障報(bào)警信號(hào)，以及所有充電電池組的單體電池電壓和溫度，并提供充電機(jī)遠(yuǎn)程控制功能，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)、參數(shù)編號(hào)及充電容量等數(shù)據(jù)；同時(shí)監(jiān)控開(kāi)關(guān)機(jī)，修改電池管理系統(tǒng)，保證充電站正常運(yùn)行。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控工作站的硬件設(shè)計(jì)

主控模塊采用FS4412核心板，主要由CPU（EXYNOS4412）、內(nèi)存（4個(gè) DDR3，每個(gè)256 MB）、EMMC、PMU（TPS65910A3，電源管理芯片）及其他外圍電路組成。

Samsung公司研發(fā)的嵌入式微處理器EXYNOS4412是一款基于ARMv7指令集的Cortex-A9核的4核32位RISC微控制器，主頻最高支持1.4 GHz。

EXYNOS4412芯片包含很多強(qiáng)大的硬件編解碼功能，內(nèi)建 MFC，支持 MPEG-1/2/4、H.263及 H.264等格式視頻的編解碼，支持模擬/數(shù)字TV輸出。該處理器具有功耗低、實(shí)時(shí)性快、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于對(duì)成本要求低、處理速度快的應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)控制行業(yè)，電子、通信、醫(yī)療機(jī)械、多媒體、安全消防、車(chē)載電子、金融行業(yè)、消費(fèi)類電子、手持終端、顯示控制器、多媒體教學(xué)等領(lǐng)域。監(jiān)控工作站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控工作站系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊在硬件結(jié)構(gòu)上分為三部分，分別為傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊和電源模塊。其中，數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊是數(shù)據(jù)采集模塊的核心，包括了處理器和無(wú)線發(fā)射器。現(xiàn)在的數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊設(shè)計(jì)主要分為兩類，一種是將處理器芯片與無(wú)線發(fā)射芯片分開(kāi)設(shè)計(jì)，另一種是將兩者集成在一個(gè)芯片上。

將處理器芯片和無(wú)線發(fā)射芯片分開(kāi)的設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)在于，可以選用更為專業(yè)的處理器芯片，芯片的功能比較強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)的功能比較多，但是這種設(shè)計(jì)方式會(huì)造成功耗和制造成本的增加，并且整個(gè)電路及其布線較為復(fù)雜。

針對(duì)第一種設(shè)計(jì)帶來(lái)的負(fù)面影響，本系統(tǒng)選擇TI公司為ZigBee協(xié)議量身定做的CC2530芯片作為處理發(fā)送模塊，集成符合2.4 GHz IEEE802.15.4的無(wú)線收發(fā)器。它能夠以很低的成本建立功能和規(guī)模強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530具有優(yōu)良的RF收發(fā)性能，內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)具有可編程閃存與8 KB RAM。

CC2530芯片具有不同的休眠運(yùn)行模式，使得它適合具有超低功耗要求的系統(tǒng)。TI公司搭配CC2530系列芯片，發(fā)布了 ZigBee協(xié)議?！猌-Stack協(xié)議棧，利用CC2530芯片與Z-Stack協(xié)議?？梢越?qiáng)大和完整的ZigBee系統(tǒng)。

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊以中興公司的ME3760芯片為核心設(shè)計(jì)，該芯片支持4G TDD-LTE/FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)、全頻段，適用于TDD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA HSPA三種基本網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)EXYNOS4412的 UART0（RXD0）、UART0（TXD0）分別與EM3760 TXD1、RXD1相連，通過(guò)串口AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)EM3760數(shù)據(jù)通信。在數(shù)據(jù)傳輸速度的提高、音頻信號(hào)的傳輸以及多媒體業(yè)務(wù)的 擴(kuò)展上和前三代有所不同。4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在不同的環(huán)境具有不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，在室內(nèi)、室外和動(dòng)態(tài)的環(huán)境中能夠分別支持下行100 Mbps、上行50 Mbps的傳輸速率[5]。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

光伏充電站實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C/S模式，以EXYNOS4412平臺(tái)作為客戶機(jī)，以PC上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心作為服務(wù)器。客戶機(jī)的主要任務(wù)是把實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Internet上，服務(wù)器的任務(wù)是從Internet上接收所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1 系統(tǒng)移植

3.1.1 環(huán)境搭建

本文以PC機(jī)為宿主機(jī)，在Win7系統(tǒng)上安裝虛擬機(jī)軟件模擬計(jì)算機(jī)，并裝有Ubuntu12操作系統(tǒng)。本文采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.6.4，將壓縮包解壓到安裝目錄下，命令行輸入“＃tar-xvf Arm-linux-gcc-4.6.4.tgz-C/命令”后完成解壓；再把編譯器路徑加入系統(tǒng)環(huán)境變量，執(zhí)行命令“＃vim～/.bashrc編輯～/.bashrc文件”，在最后一行添加“export PATH＝ （編譯器的安裝目錄）/bin：＄PATH”，這樣虛擬機(jī)上就安裝好了交叉編譯環(huán)境。

開(kāi)發(fā)時(shí)使用宿主機(jī)上的交叉編譯、匯編及鏈接工具形成可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，然后通過(guò)串口利用Windows上的超級(jí)終端軟件把可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。

3.1.2 Bootloader的移植

Bootloader以其本身的含義來(lái)講就是下載和啟動(dòng)系統(tǒng)，它類似于PC中的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)），使用Uboot作為引導(dǎo)加載程序。首先，選擇Uboot的版本，本文選擇的是最新的支持使用的CPU版本，CPU是EXYNOS4412，Uboot-2013.01.tar.gz版本是支持比較完善的，具有BOARD功能的型號(hào)。選擇好版本后到官網(wǎng)下載源碼，然后解壓縮，最后配置編譯源碼（盡量少改代碼，先保證最基本的編譯通過(guò)、能運(yùn)行）。具體步驟如下：

①修改Makefile，改成上面安裝的交叉編譯工具鏈；

②使用官網(wǎng)上已經(jīng)發(fā)布的和本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板最接近的board配置，編譯運(yùn)行。

3.1.3 內(nèi)核移植

目標(biāo)板采用的內(nèi)核版本是Linux-3.14，解壓后進(jìn)入源碼的頂層目錄，具體的步驟：

①修改Makefile，指定交叉編譯工具鏈；

②導(dǎo)入配置，選擇最接近本系統(tǒng)板子的官方配置，執(zhí)行命令＃Make exynos＿defconfig；

③輸入命令＃make menuconfig進(jìn)入內(nèi)核配置界面，完成對(duì)串口、SD卡、CMOS攝像頭和USB無(wú)線上網(wǎng)卡等多項(xiàng)驅(qū)動(dòng)的配置，并對(duì)YAFF2S根文件系統(tǒng)進(jìn)行配置，配置完成后在主菜單選擇＜EXIT＞保存退出；

④輸入命令make uImage開(kāi)始編譯內(nèi)核，編譯完成后會(huì)在arch/arm/boot目錄下生成內(nèi)核鏡像文件uImage；

⑤編譯設(shè)備樹(shù)，執(zhí)行命令＃make dtbs。

最后將編譯好的內(nèi)核和設(shè)備樹(shù)文件下載到板子上運(yùn)行[6]。

3.2 ZigBee模塊的軟件設(shè)計(jì)

TI公司為CC2530芯片搭配了Z-Stack協(xié)議棧，用戶使用這款芯片可以很簡(jiǎn)單地開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序。ZStack協(xié)議棧使用了名叫OSAL的操作系統(tǒng)來(lái)對(duì)協(xié)議棧中的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，不需要了解這個(gè)操作系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，只需要調(diào)用系統(tǒng)提供的API接口來(lái)開(kāi)發(fā)程序[7]，就如同開(kāi)發(fā)Windows應(yīng)用程序一樣。

Z-Stack由主函數(shù)main（）函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行，主要完成兩項(xiàng)工作：一是系統(tǒng)初始化，二是進(jìn)行輪詢操作。時(shí)間查詢流程圖如圖4所示。

3.3 4G模塊的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線技術(shù)具有高頻譜利用率及實(shí)用多業(yè)務(wù)環(huán)境的特點(diǎn)，并具有網(wǎng)絡(luò)靈活性和全覆蓋能力[8]。針對(duì)視頻的傳輸，本系統(tǒng)選用基于UDP協(xié)議的Datagram Sockets（數(shù)據(jù)報(bào)套接字）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。UDP是非連接的、不可靠的、傳遞數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸協(xié)議，取消了重發(fā)校驗(yàn)等機(jī)制，能夠達(dá)到較高的通信速率。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸程序通過(guò)Linux下的Socket套接字編程創(chuàng)建套接字，綁定端口號(hào)，由FS4412平臺(tái)作為客戶機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)4G無(wú)線上網(wǎng)卡發(fā)送，PC上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心作為服務(wù)器接收數(shù)據(jù)。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸流程[9-10]，如圖5所示。

圖4 時(shí)間輪詢流程圖

圖5 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

服務(wù)器使用socket（）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)套接字，然后用bind（）函數(shù)將套接字與本地地址和端口號(hào)進(jìn)行綁定；綁定成功后，客戶端根據(jù)服務(wù)器域名獲取服務(wù)器的IP地址，然后利用socket（）創(chuàng)建套接字；客戶端調(diào)用sendto（）函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求報(bào)文，調(diào)用recvfrom（）函數(shù)等待并接收服務(wù)器的應(yīng)答報(bào)文；雙方通過(guò)socket套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)Cortex-A9平臺(tái)與PC上位機(jī)之間通信。

其他的檢測(cè)信息和控制命令采用基于連接的、可靠的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于嵌入式Linux的光伏電動(dòng)汽車(chē)充電站的監(jiān)控系統(tǒng)，以嵌入式微處理器EXYNOS4412為核心，結(jié)合ZigBee模塊和4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)與底層傳感器和上位機(jī)的通信。

在本系統(tǒng)中應(yīng)用了設(shè)備樹(shù)方式編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了代碼。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在我國(guó)高速公路網(wǎng)中的光伏儲(chǔ)能電動(dòng)汽車(chē)充電站中，以解決監(jiān)測(cè)中的問(wèn)題。

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