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(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

引 言

汽車尾氣含有大量的有害氣體，隨著汽車數(shù)量的劇增，汽車尾氣對(duì)環(huán)境造成了很大的污染，新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源(石油等)勢(shì)在必行[1-4]。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車相比較，有著優(yōu)越的環(huán)保性能，在行駛過程中不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和二氧化硫等造成環(huán)境污染的有害氣體。從一定程度上來說，電動(dòng)汽車是未來汽車工業(yè)的主要發(fā)展方向。由于電動(dòng)汽車具有無污染、性能好等優(yōu)勢(shì)而被世界各國廣泛推廣，截至2017年10月末，我國電動(dòng)汽車充電樁數(shù)量達(dá)到12.7萬個(gè)，較上一年增長128%，加上私人充電樁，充電樁總數(shù)已經(jīng)超過19萬個(gè)，并形成了一定的充換電網(wǎng)絡(luò)。

目前我國現(xiàn)有的智能設(shè)備的控制系統(tǒng)基本上都是采用嵌入式系統(tǒng)[5-7]，充電樁設(shè)備控制多采用嵌入式系統(tǒng)，以單片機(jī)或AMR為控制核心，應(yīng)用模塊化思想，對(duì)人機(jī)交互、充電控制、電費(fèi)計(jì)量等按照模塊化獨(dú)立的原則進(jìn)行軟件的層次設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)[8-12]。目前市場上的充電樁設(shè)備還不具備用戶網(wǎng)上提前預(yù)約充電、支持在線查看實(shí)時(shí)充電情況、實(shí)時(shí)了解附近區(qū)域的充電樁的使用情況等功能，造成了充電樁資源的浪費(fèi)和車主時(shí)間的浪費(fèi)；單一的刷卡結(jié)算方式，為用戶帶來不便的同時(shí)也造成了資源的浪費(fèi)。

至今為止國內(nèi)還沒有推出云服務(wù)器平臺(tái)、4G智能充電樁設(shè)備和APP客戶端應(yīng)用軟件于一體的智能充電樁系統(tǒng)。在互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，對(duì)于充電樁設(shè)備的研究，在國內(nèi)也取得了較為豐碩的成果。馮星博[13]針對(duì)充電樁的設(shè)計(jì)以及充電樁群的構(gòu)架提出了新的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用WIFI功能實(shí)現(xiàn)了充電樁之間相互通信。徐嬌等[14]在傳統(tǒng)的充電樁設(shè)計(jì)模式下，設(shè)計(jì)了一款帶有智能充電導(dǎo)航功能的充電樁系統(tǒng)。馮星博和徐嬌等設(shè)計(jì)的充電樁系統(tǒng)雖然在某種程度上提高了充電樁的利用效率，但均是針對(duì)單一功能的改進(jìn)，對(duì)充電樁利用效率的提高不夠顯著。

針對(duì)以上存在的問題，論文設(shè)計(jì)了具備4G通信功能的智能充電樁系統(tǒng)，通過手機(jī) APP客戶端實(shí)現(xiàn)了用戶信息注冊(cè)、充電預(yù)約、充電樁設(shè)備狀態(tài)查詢等功能。通過云服務(wù)器完成手機(jī)APP客戶端和充電樁設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析與處理。設(shè)計(jì)的充電樁系統(tǒng)功能更加完善，充電效率明顯提高，同時(shí)充分利用并合理分配了充電樁資源。

1 系統(tǒng)總體框架

設(shè)計(jì)的基于4G通信的智能充電樁系統(tǒng)包括智能手機(jī) APP 客戶端、云服務(wù)器、充電樁運(yùn)營管理站和分布式充電樁設(shè)備，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

1.1 APP客戶端

APP客戶端主要有用戶注冊(cè)、位置定位、充電樁搜索、預(yù)約充電、充電模式選擇、實(shí)時(shí)查看充電信息、充電實(shí)時(shí)控制、賬單支付和信息查詢等功能。

① 用戶注冊(cè)。用戶通過手機(jī)號(hào)碼或者微信賬號(hào)完成注冊(cè)，生成用戶信息二維碼。

② 位置定位。APP客戶端可以向服務(wù)器發(fā)送實(shí)時(shí)位置。

③ 充電樁搜索。APP客戶端將實(shí)時(shí)位置發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)位置將附近的充電樁位置及占用情況發(fā)送給用戶。

④ 預(yù)約充電。提前預(yù)約充電樁設(shè)備和充電時(shí)間，如果所有充電樁均占用，可查詢各個(gè)設(shè)備充電結(jié)束時(shí)間。

⑤ 充電樁模式選擇。充電樁支持定時(shí)充電、定量充電、自動(dòng)充電和電量百分比充電四種充電模式。

⑥ 實(shí)時(shí)查看充電信息。服務(wù)器將實(shí)時(shí)充電信息實(shí)時(shí)發(fā)送到APP客戶端，包括充電時(shí)間、充電電量和充電金額等。

⑦ 充電實(shí)時(shí)控制。可以通過APP客戶端取消預(yù)約充電或者停止充電等操作。

⑧ 賬單支付。充電完成，APP客戶端可使用支付寶、微信和銀聯(lián)等方式完成支付。

⑨ 查詢功能。用戶可查詢充電數(shù)據(jù)歷史詳情，包括充電時(shí)間、充電金額和充電次數(shù)等。

1.2 云服務(wù)器

云服務(wù)器是面向各類互聯(lián)網(wǎng)用戶提供綜合業(yè)務(wù)能力的服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)整合了傳統(tǒng)意義上的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用三大核心要素：計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)，面向用戶提供公用化的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)器，為滿足用戶全方位需求和運(yùn)營商復(fù)雜的增值業(yè)務(wù)，要求具有高可靠性、廣泛適用性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

① 數(shù)據(jù)計(jì)算處理。云服務(wù)器通過對(duì)海量充電信息進(jìn)行深度挖掘，運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘算法和數(shù)據(jù)分析方式深度解析充電時(shí)間和地點(diǎn)以及用戶需求等數(shù)據(jù)，為充電樁運(yùn)營管理部門提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、高效和快捷的數(shù)據(jù)后臺(tái)接口。

② 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在大數(shù)據(jù)的背景下，利用云技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)加工存儲(chǔ)功能，完成對(duì)來自終端的海量設(shè)備數(shù)據(jù)信息和APP客戶端數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)。

③ 網(wǎng)絡(luò)通信。是充電樁和用戶之間的紐帶，為用戶獲取各類充電信息提供傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了用戶通過手機(jī)APP對(duì)充電樁的實(shí)時(shí)控制。

2 充電樁硬件設(shè)計(jì)

充電樁復(fù)雜程度高，組成構(gòu)件較多，包括人機(jī)交互控制板、底層控制板、4G模塊和智能電表等，具體硬件組成如圖 2所示。

圖2 硬件組成結(jié)構(gòu)圖

直流充電樁的組成構(gòu)件中，兩塊主控板是最核心的組成部分。人機(jī)交互主控板采用ARM335x，功能強(qiáng)大。底層控制核心板采用ARM1768，能夠?qū)Τ潆娺^程進(jìn)行有效控制，而且可以利用多種通信方式將充電樁的工作數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。人機(jī)交互核心板連接的外設(shè)設(shè)備主要有觸摸屏、4G模塊、條碼掃描器、微型打印機(jī)和RFID射頻讀卡器等。底層控制板的BMS通信模塊通過CAN總線與車載BMS進(jìn)行通信，連接的外設(shè)設(shè)備主要有溫度傳感器、智能電表等，安全檢測(cè)模塊、充電控制模塊和充電監(jiān)控模塊等內(nèi)嵌于底層控制核心板。安全檢測(cè)模塊在充電樁開始充電前對(duì)充電樁整體硬件設(shè)備進(jìn)行安全檢測(cè)，以確保充電樁安全運(yùn)行。充電監(jiān)控模塊主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)。該模塊對(duì)充電樁的進(jìn)線輸入電壓、充電輸出電壓電流、充電接口狀態(tài)、電池管理系統(tǒng)狀態(tài)和電池狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 充電樁軟件設(shè)計(jì)

充電樁軟件部分的設(shè)計(jì)是其控制系統(tǒng)的靈魂所在，其主要實(shí)現(xiàn)自檢、人機(jī)交互、通信、電能計(jì)量、計(jì)費(fèi)控制和保護(hù)控制等功能，充電控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 充電控制系統(tǒng)主程序流程圖

充電樁未占用時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，用戶點(diǎn)擊開始按鈕后，控制系統(tǒng)初始化，充電樁設(shè)備自檢安全后觸摸屏提示用戶選擇手機(jī)預(yù)約充電還是現(xiàn)場選擇充電，當(dāng)用戶選擇手機(jī)預(yù)約充電時(shí)，掃描注冊(cè)生成的二維碼進(jìn)入到信息確認(rèn)界面，顯示當(dāng)前賬號(hào)、預(yù)約信息等，用戶確認(rèn)信息后進(jìn)入到選擇充電槍界面。當(dāng)用戶選擇現(xiàn)場選擇充電時(shí)，會(huì)提示選擇充電方式和結(jié)算方式，結(jié)算方式為刷卡結(jié)算和微信支付寶結(jié)算。如果選擇刷卡結(jié)算，刷卡后顯示卡信息，若卡內(nèi)余額為不足，界面會(huì)提示用戶充值，充電樁再次自檢返回到首界面，卡余額正常則進(jìn)入提示連接充電槍界面；選擇微信或支付寶結(jié)算時(shí)，需要掃描微信或支付寶二維碼名片，確認(rèn)個(gè)人信息后進(jìn)入選擇充電槍界面。選擇好充電槍后，觸摸屏界面提示電動(dòng)汽車與充電樁的充電槍連接，如果電動(dòng)汽車與充電槍連接不正常，則報(bào)警并提示請(qǐng)正常連接，連接無誤后，選擇開始充電，若充電樁設(shè)備無報(bào)警產(chǎn)生，則進(jìn)入充電狀態(tài)，充電指示燈亮。

在充電過程中，通過觸摸屏可以看到當(dāng)前的充電用戶、已充電量和充電時(shí)間等。如果用戶在充電過程中強(qiáng)行結(jié)束充電，界面進(jìn)入結(jié)算界面，手機(jī)預(yù)約用戶在手機(jī)APP上完成確認(rèn)結(jié)算，現(xiàn)場選擇用戶需要刷卡或者掃描微信或支付寶付款碼完成結(jié)算。正常充電完成后，充電樁提示充電完成并提示用戶結(jié)算，結(jié)算方式與強(qiáng)行結(jié)束充電結(jié)算方式相同；當(dāng)用戶結(jié)算完成，確認(rèn)充電信息后提示是否打印票據(jù)，本次充電完成。在軟件設(shè)計(jì)中，根據(jù)充電樁的硬件部分功能模塊，將軟件程序分為 ARM控制器主程序、讀卡程序、讀電表程序及觸摸屏組態(tài)程序等模塊，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立工作，互不影響。主程序能夠有效地協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作，完成整個(gè)充電樁的充電過程。

3.2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

APP客戶端采用C/S 結(jié)構(gòu)體系，按照視圖界面、業(yè)務(wù)邏輯、功能應(yīng)用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。視圖界面層主要用于與客戶進(jìn)行人機(jī)交互，對(duì)用戶的請(qǐng)求作出響應(yīng)，調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的API接口。業(yè)務(wù)邏輯層主要是對(duì)視圖界面層所有請(qǐng)求進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯支撐，包括手機(jī)APP客戶端需求的所有功能，功能應(yīng)用層對(duì)業(yè)務(wù)邏輯層的請(qǐng)求進(jìn)行功能響應(yīng)，將所有功能請(qǐng)求上傳到云服務(wù)器。為滿足市場需求，分別設(shè)計(jì)了Android版手機(jī)APP和ios版手機(jī)APP。圖4所示為Android版手機(jī)APP登錄界面。

界面采用JavaScript、HTML、CSS進(jìn)行渲染，運(yùn)用HTML為頁面添加內(nèi)容，CSS用來控制頁面樣式，JavaScript負(fù)責(zé)為頁面添加動(dòng)效以及獲取用戶注冊(cè)、登錄以及使用信息，方便提交給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，這里我們采用Phpcms后臺(tái)框架，用戶通過點(diǎn)擊注冊(cè)和登錄按鈕，可以及時(shí)地將用戶信息提交給云服務(wù)器，方便數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖5所示為充電樁搜索界面，搜索功能借助高德地圖為API接口，對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有充電樁進(jìn)行檢索，高德地圖強(qiáng)大的街景功能，讓用戶附近的所有充電樁一目了然地呈現(xiàn)在手機(jī)APP上，并且手機(jī)APP支持地圖和導(dǎo)航功能，用戶可以順利地到達(dá)充電現(xiàn)場。充電實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面如圖6所示，云服務(wù)器通信模塊與充電樁4G模塊實(shí)時(shí)通信，獲取充電實(shí)時(shí)信息，云服務(wù)器通信模塊將信息實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)上，充電信息傳送到手機(jī)APP上可得到實(shí)時(shí)更新。

圖5 充電樁搜索界面

圖6 充電實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

結(jié) 語