蔡世雷，孫劉杰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于ZigBee與Web的移動支付充電樁設(shè)計

蔡世雷，孫劉杰

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對當(dāng)今電動汽車充電辦卡、繳費(fèi)難的問題，設(shè)計了一種無需辦卡，直接掃描充電樁上二維碼，進(jìn)入對應(yīng)充值網(wǎng)頁，選擇適當(dāng)金額充值的充電樁系統(tǒng)。使用ZigBee模塊構(gòu)成充電樁的控制部分，并進(jìn)行網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，將采集的信息與上位機(jī)傳達(dá)的控制指令，通過網(wǎng)關(guān)模塊與Web服務(wù)器進(jìn)行交互，信息通過內(nèi)部接收進(jìn)程寫入MySQL數(shù)據(jù)庫。利用PHP語言進(jìn)行充值界面的開發(fā)，用戶支付成功即可為電動汽車充電，第三方支付模式使充電繳費(fèi)安全可靠。

充電樁；ZigBee；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；MySQL；PHP

當(dāng)前，能源短缺與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，新能源發(fā)展不僅改善了人類社會的能源結(jié)構(gòu)，同樣符合我國可持續(xù)性發(fā)展的政策。電動汽車的推廣使用，大幅度減少汽車尾氣的排放，改善環(huán)境質(zhì)量。電動汽車交流充電樁是發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)的必備設(shè)施，能有效促進(jìn)電動汽車的使用推廣，為保護(hù)環(huán)境節(jié)約能源做出積極貢獻(xiàn)[1]。

如今電動汽車充電樁繳費(fèi)模式主要有以下兩種：通過特定的充電卡來獲取充電授權(quán)；通過支付現(xiàn)金給管理人員來獲取充電授權(quán)。上述方式均需要使用者隨身攜帶充電卡或者現(xiàn)金，而且卡內(nèi)金額不足時，還需到專門機(jī)構(gòu)去充值耗時耗力，給人們生活帶來不便。

目前，消費(fèi)大多使用信用卡或者手機(jī)支付。充電樁使用手機(jī)付款方式不用IC卡，通過掃描充電樁樁體上特定條碼付款，交易信息可通過手機(jī)查詢[2]，這種高效方便充電樁的發(fā)展越來越受到社會關(guān)注。

1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee是ZigBee聯(lián)盟建立的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它是一種新興的短距離、低功耗、低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]。

ZigBee工作在900 MHz與2.4 GH頻段，它具有段通信距離(10 m到數(shù)百米)，靈活的通信速率(40 kbit·s-1和250 kbit·s-1)，星狀、樹狀、網(wǎng)狀(MESH)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)[4]，ZigBee的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本設(shè)計采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備都是一個路由器，都具有重新路由選擇的功能，可以最大限度的保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點(diǎn)的通信路徑并不唯一，當(dāng)某條路徑出現(xiàn)故障時，可以選擇其它路徑進(jìn)行通信[5]。

ZigBee聯(lián)盟采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的物理層(PHY)和介質(zhì)訪問層(MAC)規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上制定了數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用編程接口(API)規(guī)范[6]，以負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作，ZigBee開發(fā)者則在ZigBee規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行項目開發(fā)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)包括簡易充電樁裝置、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)模塊以及Web服務(wù)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體方案框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體方案框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

充電裝置由簡易充電樁構(gòu)成，包括充電插座，電能計量裝置，由ZigBee模塊控制繼電器打開的電源開關(guān)，并配有煙霧傳感器MQ-2，溫度傳感器DHT11用來監(jiān)控充電樁的實(shí)時工作狀態(tài)，保證充電過程的安全，本設(shè)計電動汽車交流充電樁的系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 汽車交流充電樁的原理框圖

其中電能計量裝置采用多動能單相電表，電表提供RS485接口，通過DL/T645-2007通信協(xié)議與ZigBee控制模塊通訊[7]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，采用的充電樁和電動汽車的控制引導(dǎo)電路為充電模式3連接方式B的典型控制導(dǎo)引電路[8]。

本系統(tǒng)ZigBee選用TI公司的CC2530F256，這是一款基于2.4 GHz無線收發(fā)器，內(nèi)部集成8051內(nèi)核的專用ZigBee芯片，CC2530還配備TI公司的專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧Z-Stack來簡化開發(fā)[9]。ZigBee路由器模塊通過繼電器控制充電樁開關(guān)電源，通過采集充電樁工作環(huán)境下溫濕度等信息監(jiān)控電樁的工作狀態(tài)。

2.2 無線組網(wǎng)設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用深圳安聯(lián)德公司生產(chǎn)的CC2530開發(fā)套件ZigBee開發(fā)板無線模塊，該開發(fā)板功能齊全、操作簡單、大幅縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。該設(shè)備負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的啟動，并配置網(wǎng)絡(luò)使用的信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志符，此外協(xié)調(diào)器還要完成網(wǎng)絡(luò)成員的地址分配、節(jié)點(diǎn)綁定等任務(wù)。

無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)：第一步協(xié)調(diào)器通電啟動，發(fā)起建立新網(wǎng)絡(luò)，然后協(xié)調(diào)器開始掃描信道，并選擇所有信道中沒有被使用的信道建立網(wǎng)絡(luò)。新網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建后，協(xié)調(diào)器保持等候狀態(tài)，等待新的節(jié)點(diǎn)并入網(wǎng)絡(luò)。其他節(jié)點(diǎn)加點(diǎn)啟動，啟動后節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描，然后向已存在的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求綁定[10]。

協(xié)調(diào)器在得到節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的請求綁定信息之后，會分配節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)地址，并將此地址回饋給節(jié)點(diǎn)。此時協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)就完成了網(wǎng)絡(luò)綁定，組網(wǎng)工作結(jié)束，它們之間就可以通信了[11]。其中協(xié)調(diào)器的主程序流程圖有如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器的主程序流程圖

為了更好對ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信內(nèi)容進(jìn)行研究，可利用電腦串口助手對各ZigBee模塊進(jìn)行信息讀取[12]，需要自行定義查詢、控制協(xié)議，其中查詢某終端的報文格式如表1與表2所示。

表1 查詢單個終端報文組成

表2 響應(yīng)報文組成

控制終端報文與查詢終端的格式類似，響應(yīng)報文中數(shù)據(jù)如果等于0表示：操作失敗，1則操作成功。功能碼FC根據(jù)想要實(shí)現(xiàn)的功能自己定義，例如,01:查詢所有終端傳感器的數(shù)據(jù);02：查詢單個終端上所有傳感器的數(shù)據(jù)。

3 網(wǎng)關(guān)模塊與Web網(wǎng)站設(shè)計

3.1 網(wǎng)關(guān)模塊

ZigBee設(shè)備將采集的信息經(jīng)過路由節(jié)點(diǎn)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，匯聚的信息同過網(wǎng)關(guān)上傳到系統(tǒng)服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器連接起來，它是整個系統(tǒng)通信的樞紐，建立起上位機(jī)與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)雙向通訊，網(wǎng)絡(luò)通信模塊同時將這些串口數(shù)據(jù)通過TCP包發(fā)到PC服務(wù)器上，網(wǎng)關(guān)與后臺服務(wù)器直接通過數(shù)據(jù)庫接口的方式進(jìn)行通信，服務(wù)器監(jiān)控軟件訪問數(shù)據(jù)庫以完成采集數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計和信息可視化[13]。

數(shù)據(jù)交互協(xié)議設(shè)計在項目開發(fā)過程中至關(guān)重要，它關(guān)系到系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)以及可靠性。底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上傳到后臺數(shù)據(jù)庫中，這就完成了數(shù)據(jù)的采集過程，而通過預(yù)先定義好的交互協(xié)議及格式可完成對數(shù)據(jù)的分析處理[14]。

為保證能進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，后臺系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用了面向可靠連接的TCP/IP通信模式，并制定了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)交換協(xié)議。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC端通信的報文協(xié)議格式如圖5所示。

前導(dǎo)幀數(shù)據(jù)包總長度命令類型網(wǎng)絡(luò)ID號頻道號源地址數(shù)據(jù)負(fù)載長度數(shù)據(jù)FCS校驗序列

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC端通信的報文協(xié)議

其中數(shù)據(jù)包總長度標(biāo)識從命令類型到FCS校驗序列的總長度，以字節(jié)為單位。命令類型長度為一個字節(jié)，用于標(biāo)識該數(shù)據(jù)包的作用，數(shù)據(jù)負(fù)載為實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)。

3.2 Web模塊設(shè)計

Web服務(wù)子系統(tǒng)用PHP語言實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站開發(fā)，MySQL數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，Socket實(shí)現(xiàn)與嵌入式網(wǎng)關(guān)的通信，MySQL數(shù)據(jù)庫的設(shè)計起著決定性的作用[15]。

PC端網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要監(jiān)聽指定端口的TCP數(shù)據(jù)包來獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，首先建立數(shù)據(jù)庫的連接，當(dāng)接受到網(wǎng)絡(luò)傳送過來的數(shù)據(jù)包之后，將接收的字符串進(jìn)行解析，解析字符串并將信息寫入相應(yīng)的數(shù)組中，再由數(shù)組讀取顯示[16]。Web服務(wù)單元的實(shí)現(xiàn)，可以獲取各種傳感器的當(dāng)前信息與歷史信息，同時網(wǎng)站還提供了多種信息查看方式，使管理者了解充電樁的運(yùn)行情況。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

根據(jù)設(shè)計要求，重點(diǎn)進(jìn)行了ZigBee組網(wǎng)部分的硬件設(shè)計和各模塊的工作狀態(tài)的觀察和檢測。其中系統(tǒng)的硬件搭建包括一個ZigBee協(xié)調(diào)器和2個ZigBee路由器，其中協(xié)調(diào)器通過串口與電腦進(jìn)行連接，每一個路由器都配有溫濕度傳感器、煙霧報警傳感器以及繼電器模塊，其中繼電器模塊主要用于模擬對充電樁開關(guān)電源的控制，系統(tǒng)硬件搭建如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件搭建圖

利用電腦上與ZigBee開發(fā)板對應(yīng)的ZigBee管理系統(tǒng)軟件，對ZigBee路由器控制的溫濕度傳感器及煙霧報警傳感器的監(jiān)控測量如圖7所示，系統(tǒng)能夠正確實(shí)時顯示終端工作環(huán)境下的溫濕度，當(dāng)周圍環(huán)境可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)時，能及時提示報警，符合設(shè)備日常工作的基本要求。

圖7 系統(tǒng)硬件搭建圖

網(wǎng)站充值管理后臺還在開發(fā)之中，現(xiàn)在使用PHP設(shè)計出充電樁充值交易平臺，用戶界面簡潔且使用方便。

圖8 用戶充值交易界面

5 結(jié)束語

本文提出了基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和Web網(wǎng)站開發(fā)的移動支付充電樁系統(tǒng)設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)硬件和軟件計方法，并設(shè)計出簡潔的用戶充值界面，可實(shí)現(xiàn)與其他使用刷卡支付充電樁同樣的功能，具有安全可靠、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。整個系統(tǒng)采用無線的方式傳遞各種采集信息和控制信號，大幅降低系統(tǒng)的硬件成本，后期管理還節(jié)約人力成本。

如今我國移動支付充電樁尚處于起步階段，相信隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使用移動支付的充電樁必將得到廣泛的使用。

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Design of Charging Piles for Mobile Payment Based on ZigBee and Web

CAI Shilei, SUN Liujie

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A charging pile system without the need for cards is designed for electric vehicle charging card and payment, which is performed by scanning the two-dimensional code on the charging pile to enter the corresponding recharge page on which the user can select the appropriate amount of recharge. The control of charging pile is implemented by the ZigBee module and a mesh network topology is performed for the interaction between the acquired information and the control instruction from the computer with Web server via the gateway module. The information received by the internal process is written into the MySQL database. The recharge interface is developed in PHP language. Electric vehicle charging is available upon successful third party payment which is safe and reliable.

charging pile; ZigBee; mesh network; MySQL; PHP

2016- 04- 02

上海理工大學(xué)科技發(fā)展基金資助項目(16KJZ017)；上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)基金資助項目(13ZZ111)

蔡世雷(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。孫劉杰(1965-)，男，博士，教授。研究方向：印刷機(jī)測量與控制技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.033

TN926+.23;TP393

A

1007-7820(2017)02-126-04