(南京林業(yè)大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037)

目前，電動車是人們出行的主要交通工具之一，但大多數(shù)的電動車充電樁都是傳統(tǒng)的投幣式充電樁，主機體積大、用戶體驗差。而且由于缺乏維護管理，傳統(tǒng)充電樁廢棄率很高，使用效率低，甚至會損壞電池，造成火災[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術的興起給人們的生活帶來了便利。本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術[2]的智能充電樁，采用分布式控制[3]方案，成本低廉、體積小，適合安裝在各種公共場所。而且智能充電節(jié)點和中控網(wǎng)關[4]間的LoRa通信[5]能穿透地下室，由安裝在地面的中控網(wǎng)關與服務器交互，解決了地下室網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定的問題。

1 系統(tǒng)整體方案設計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括移動終端、服務器、中控網(wǎng)關和智能充電節(jié)點。使用手機軟件，掃描充電站點的二維碼，然后選擇空閑的充電節(jié)點，就能進行手機支付并開始充電。能在手機上遠程監(jiān)控充電電量、時間等信息，也可以隨時結(jié)束充電。

智能充電節(jié)點應部署在能和中控網(wǎng)關通信的區(qū)域，其主要功能是提供充電接口，并完成充電電量、電壓、有功功率的采集，充電電能的計量。可實現(xiàn)充滿自動斷電、突發(fā)異常情況自動斷電等功能。充電節(jié)點通過LoRa無線模塊和中控網(wǎng)關通信。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

中控網(wǎng)關用4G[6]模塊與服務器建立tcp連接，進行雙向通信。中控網(wǎng)關收集智能充電節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后利用4G模塊上傳到服務器，并負責解析服務器下發(fā)命令，實現(xiàn)對充電節(jié)點的控制。

2 硬件設計

2.1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)主要包括智能充電節(jié)點和中控網(wǎng)關。如圖2所示，智能充電節(jié)點主要設計了RN8209電能檢測和LoRa無線傳輸電路，負責控制、監(jiān)測充電，并與中控網(wǎng)關進行通信。如圖3所示，中控網(wǎng)關設計了4G聯(lián)網(wǎng)通信、LoRa無線傳輸、人機交互等電路，負責管理一個站點所有的智能充電節(jié)點，并與服務器進行數(shù)據(jù)交互。

圖2 智能充電節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

圖3 中控網(wǎng)關結(jié)構(gòu)圖

2.2 智能充電節(jié)點電能檢測電路

許多充電樁使用電流互感器采集電流信號，經(jīng)過放大電路做AD轉(zhuǎn)換來采集電流，但缺少電壓、功率的檢測，還是有安全隱患。本文采用RN8209D單相電能計量芯片[7-8]，采用完全差分輸入方式測量電流和一路電壓，可同時采集電流、電壓、功率，有效值誤差小，滿足充電節(jié)點的監(jiān)測需求。

充電控制模塊只有在充電時打開繼電器，向插座接口輸電，因此不用同時采集火線和零線電流來防止竊電[9]。在絕大多數(shù)情況下，低壓供電系統(tǒng)零線直接接地，負載可能會通過大地回到零線上，使電表計量不準，所以選擇采集火線電流。

如圖4所示，管腳4、管腳5為電流通道A，使用5 mΩ的錳銅作為采樣電阻，錳銅的溫漂系數(shù)小，電流檢測可靠性高。管腳8、管腳9為電壓通道，跨接在零線和火線之間。L_IN為火線，N_IN為零線，把火線作為參考地，接火線的采樣就可以減少限流電阻，簡化電路。電壓采集接零線的一端需要串聯(lián)1～2 MΩ限流電阻，選為4個300 kΩ電阻，某一個電阻短路只會造成電表不準，并不會損壞設備。采集時為了抗混疊，并聯(lián)1 kΩ電阻和33 nF電容。管腳12IS接上拉，選擇使用SPI接口(管腳13～管腳16)與STM32通信。

圖4 電能檢測電路

2.3 LoRa無線傳輸電路

AS32采用 LoRa擴頻傳輸[10]，工作頻率在410～441 MHz，共計32個信道，每個信道間隔1 M，發(fā)射功率最大達到20 dBm，空中速率最大19.2 kbit/s，采用循環(huán)交織糾錯編碼算法，糾錯能力及抗干擾能力強，且自帶看門狗，無需外部復位。通信時，AS32的通信信道和傳輸速率必須設置一致，否則將無法通信。

如圖5所示，管腳4、管腳5(MD0、MD1)接地選擇一般透明傳輸模式，即一個模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，其他都能收到。管腳6為天線引腳，預留一個π型阻抗匹配電路，ANT為天線接口。利用LoRa模塊做了相當于無線中繼的功能，在使用9.6 kbit/s速率時就能穿透地下室，與地面的中控網(wǎng)關穩(wěn)定通信，解決了在地下室等地方網(wǎng)絡信號差甚至無信號的問題，同時也解決了有線連接布線復雜的問題。

圖5 LoRa無線傳輸電路

2.4 中控網(wǎng)關4G傳輸電路

使用4G模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)2G、3G模塊可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高用戶體驗，適合做更復雜的業(yè)務邏輯。4G模塊[11]選為L710-CN-30，DC：3.3～4.4 V供電，支持AT指令操作。L710在使用時，可能會由于網(wǎng)絡異常出現(xiàn)socket通道用不了的情況，因此必須設計硬件復位。使用TPS54202電源芯片提供3.6 V電壓給L710供電，并由STM32控制TPS54202的使能端。當L710出現(xiàn)異常時，可以通過重新上電的方式進行復位。

如圖6所示，VBAT引腳處需要加各種濾波電容，其中100 μF用于減少電源波動，1 μF、100 nF濾除數(shù)字信號噪聲，33 pF濾除低頻段射頻干擾，其余可以濾除中、高頻段射頻干擾。USIM接口支持1.8 V/3 V SIM卡，模塊開機時，USM_VDD先輸出1.8 V進行SIM卡握手，如果不成功，則會輸出2.85 V進行SIM卡握手，自動檢測SIM卡，并能支持SIM卡熱拔插。USB支持軟件下載、 socket抓包等調(diào)試功能。UART用于與CPU通信，STM32高電平為3.3 V，而L710串口高電平為1.8 V，1.8V可由L710輸出，為此設計了由Q1、Q2三極管組成的電平匹配電路。

L710模塊使用雙天線設計，其中MAIN_ANT用于發(fā)射接收RF信號，必須接天線，DIV_ANT只用于接收，能提高接收靈敏度，并提高下載速率，可不接。模塊和天線之間預留π型電路供阻抗匹配調(diào)試，阻抗控制在50 Ω左右。

圖6 4G模塊電路

3 通信協(xié)議設計

3.1 充電節(jié)點與中控網(wǎng)關通信協(xié)議

中控網(wǎng)關相對于充電節(jié)點是主機，所有通信必須由主機主動發(fā)起，從機被動響應，不然從機都在發(fā)數(shù)據(jù)會造成干擾，導致通信失敗。中控網(wǎng)關和充電節(jié)點之間的通信協(xié)議格式如表1所示。

表1 中控網(wǎng)關和充電節(jié)點之間的通信協(xié)議格式

起始：固定為0xFF，0xCC，表示一幀數(shù)據(jù)的開始。

地址：前兩字節(jié)代表中控地址，低位在前，第3個字節(jié)代表充電節(jié)點號。

命令：查詢0x01，查詢應答0x11，打開0x02，打開應答0x12，關閉0x03，關閉應答0x13。

長度：表示內(nèi)容的字節(jié)數(shù)。

內(nèi)容：查詢應答有5字節(jié)，1字節(jié)充電狀態(tài)，2字節(jié)當前有功功率，2字節(jié)消費金額；打開命令有2字節(jié)充電時間；其他都為無。

校驗：采用CRC16校驗法，低位在前。

結(jié)束：固定為0x55，0x19，表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

3.2 中控網(wǎng)關和服務器通信協(xié)議

中控網(wǎng)關使用tcp方式與服務器通信，數(shù)據(jù)中大多為數(shù)字，直接傳16進制相比傳字符串能減少通信字節(jié)數(shù)，而且處理效率高，通信格式如表2所示。

表2 中控網(wǎng)關和服務器之間的通信協(xié)議格式

起始：固定為0xAA，0x55，表示一幀數(shù)據(jù)的開始。

地址：中控網(wǎng)關地址，低位在前。

命令：心跳上傳0x01、x00，打開0x02、x00，關閉0x03、x00，中控網(wǎng)關應答0x96、0x01，服務器應答0xB1、0x02。

長度：表示內(nèi)容的字節(jié)數(shù)，低位在前。

內(nèi)容：心跳包含所有充電節(jié)點的查詢應答數(shù)據(jù)，每個節(jié)點包含1字節(jié)節(jié)點號， 1字節(jié)充電狀態(tài)，2字節(jié)當前有功功率，2字節(jié)消費金額；打開命令有3字節(jié)，1字節(jié)節(jié)點號，2字節(jié)充電時間；關閉命令有1字節(jié)節(jié)點號，其他都為無。

校驗：采用CRC16校驗法，低位在前。

結(jié)束：固定為0x0D，0x0A，表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

4 軟件設計

4.1 智能充電節(jié)點軟件

如圖7所示，充電節(jié)點實時處理中控網(wǎng)關的命令，收到開始充電命令則打開繼電器給充電接口提供電源，進行計時，充電時間到則停止充電。實時采集充電接口的電壓、電流和有功功率用于診斷充電狀態(tài)，若充電時出現(xiàn)電流過高、電壓過高、功率躍變、功率低于2 W連續(xù)3 min(充電器沒插上)、功率低于10 W連續(xù)3 min(已充滿)，則切斷電源并進行聲光報警。功率躍變診斷可防止他人惡意更換用電器，判斷標準為在正常充電時，出現(xiàn)功率低于2 W，隨后又恢復正常，低于2 W前后的兩次正常功率相差超過10 W。充電節(jié)點嚴格按充電規(guī)范執(zhí)行，大大提高了安全性。

圖7 智能充電節(jié)點軟件流程圖

為了避免意外斷電導致正在執(zhí)行的充電過程結(jié)束，使用STM32自帶的PVD中斷。設置在電壓降到2.9 V時進入中斷，把充電數(shù)據(jù)存入Flash。當再次上電時，從Flash里讀出充電數(shù)據(jù)就能維持斷電前的充電狀態(tài)。

4.2 中控網(wǎng)關軟件

如圖8所示，中控網(wǎng)關初始化完成后讀取Flash里存儲的地址，與服務器通信和智能充電節(jié)點通信時用此地址來區(qū)分充電站點。使用4G模塊與服務器建立tcp長連接后就能接收服務器下發(fā)的命令。每隔300 ms輪詢智能充電節(jié)點的充電數(shù)據(jù)，并每分鐘上傳心跳，以更新服務器上記錄的實時充電狀態(tài)。中控監(jiān)測tcp連接狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常則重啟4G模塊并重新建立連接。

圖8 中控網(wǎng)關軟件流程圖

4G模塊和服務器通信的數(shù)據(jù)量大，對4G模塊數(shù)據(jù)的處理效率會直接影響到整個系統(tǒng)的運行速度和可靠性。設計了“DMA接收+串口IDLE中斷+定時器中斷”的軟件方案。使用DMA硬件接收串口數(shù)據(jù)，不占用CPU時間。由于一幀的數(shù)據(jù)不一定連續(xù)傳給STM32，中間也會觸發(fā)空閑中斷，因此在串口空閑中斷中開啟10 ms的定時器，10 ms內(nèi)沒觸發(fā)空閑中斷才進入定時器中斷，確保了一幀數(shù)據(jù)的完整性。

4.3 移動端軟件

移動端軟件設計成微信小程序，集成地圖、微信支付、掃碼充電等功能，而且不必安裝，用戶體驗感強。小程序使用Https和WebSocket協(xié)議與服務器進行交互。Https主要用于發(fā)起請求后服務器立即回復的情景，如刷新界面信息。WebSocket使服務器可以隨時推動信息給小程序，彌補了Https的缺陷。如圖9所示，用戶選擇智能充電節(jié)點和時間并點擊開始充電，小程序發(fā)送命令到服務器，通過服務器和中控的轉(zhuǎn)發(fā)，即可打開智能充電節(jié)點，服務器通過WebSocket給用戶推送打開成功或打開失敗的提示。

圖9 移動端軟件充電流程圖

5 測試與總結(jié)

充電樁調(diào)試時， LoRa無線傳輸成功穿透地下室，且通信距離超過300 m。移動端界面如圖10所示，用戶選擇智能充電節(jié)點和充電時間后，點擊開始充電。如圖11所示，地址為512、1的中控網(wǎng)關每分鐘上傳心跳正常，表明沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，通信鏈路可靠，充電功率為60 W，正常打開消費1分錢，之后按0.3元/小時計費。

圖10 移動端界面

圖11 服務器打印數(shù)據(jù)

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電動車充電系統(tǒng)，能夠用移動端APP對充電樁進行操作，并實時監(jiān)測充電狀態(tài)。且此系統(tǒng)適應能力強，可安裝在地下室等無信號場合，有很高的應用價值。