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        新型電動汽車充電樁控制系統(tǒng)設計及應用研究

        2022-11-01 09:53:44
        黑龍江科學 2022年20期
        關鍵詞:充電機藍牙加密

        李 玲

        (江蘇省鹽城技師學院,江蘇 鹽城 224000)

        為了改善傳統(tǒng)電動汽車充電樁控制系統(tǒng)存在的不足,提出以藍牙作為通信工具,設計新的控制系統(tǒng)。

        1 系統(tǒng)總體設計

        1.1 系統(tǒng)總體框架結構設計

        本系統(tǒng)主要由3部分組成,分別是充電樁控制模塊、云服務器、用戶APP客服端,結構如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)總體框架結構Fig.1 Overall framework structure of the system

        1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡通信設計

        在傳統(tǒng)充電樁控制系統(tǒng)的基礎上,改進網(wǎng)絡通信體系,選取藍牙作為充電樁與用戶手機之間的通信工具,以此滿足復雜環(huán)境下的通信需求。地下室車庫等環(huán)境中,用戶打開手機藍牙,向充電樁發(fā)送充電命令,實現(xiàn)電動汽車充電控制。對于充電相關數(shù)據(jù)、業(yè)務請求等,在網(wǎng)絡環(huán)境中,用戶手機將自動向服務器發(fā)送信息,經(jīng)過4G/5G/wifi,創(chuàng)建服務器與移動終端之間的通信。與此同時,服務器與充電樁管控中心計算機之間利用wifi/光纖進行通信,服務器與用戶手機之間則選取4G/5G/wifi作為通信渠道。

        1.3 數(shù)據(jù)加密與解密設計

        系統(tǒng)中的藍牙通信作業(yè)需要用戶登陸充電樁APP,通過登陸客服端,從客服端掃描充電樁二維碼,或采用手動識別的方式,將充電樁的設備號輸入客服端,從而創(chuàng)建藍牙通信連接。當充電連接請求發(fā)送至服務器后,得到藍牙密鑰[1]。采用混合加密算法,對藍牙通信數(shù)據(jù)進行加密處理,從而提高藍牙通信安全性。關于數(shù)據(jù)加密與解密設計,通過RSA加密與解密、RC4加密與解密,創(chuàng)建藍牙通信安全體系。其中,數(shù)據(jù)加密設計利用RSA對RC4秘匙加密,生成RC4秘匙;利用RC4對數(shù)據(jù)信息加密,生成加密原文。將加密原文與RC4秘匙融合到一起,形成復合信息,通過藍牙得以發(fā)送,數(shù)據(jù)接收端對數(shù)據(jù)進行解密。關于數(shù)據(jù)解密設計,將復合信息拆分為加密秘匙、加密原文,前者利用RSA解密,生成RC4秘匙,后者利用RC4解密,生成數(shù)據(jù)信息。用戶或充電樁獲取RC4秘匙、數(shù)據(jù)信息后,按照充電請求開始作業(yè),同時向用戶展示充電樁作業(yè)狀態(tài)信息。

        如果不法分子竊取通信數(shù)據(jù),由于沒有拿到RC4秘匙,無法獲取正確的充電樁控制及消費等信息,不會給用戶使用安全帶來威脅。

        2 充電樁控制電路與程序開發(fā)流程設計

        2.1 控制電路硬件框架結構設計

        選取STM32F407ZET6作為處理器,利用E2PROM、藍牙模塊、充電機控制接口、控制器,搭建系統(tǒng)控制電路。如圖2所示為系統(tǒng)硬件電路框架結構設計方案。

        圖2 系統(tǒng)硬件電路框架結構設計Fig.2 Design of system hardware circuit frame structure

        該設計方案采用CAN總線通信,為充電機接口與控制器之間創(chuàng)建通信連接。將型號為TJA1050收發(fā)器連接在系統(tǒng)控制電路中,實現(xiàn)充電樁控制信號的接收與充電作業(yè)狀態(tài)的發(fā)送??刂齐娐犯鱾€模塊之間的通信設計采用串口通信方式,創(chuàng)建核心控制器的串口2與藍牙模塊之間的通信;采用I2C通信模式,創(chuàng)建I/O口與E2PROM之間的通信。

        本控制電路選取核心處理器STM32F407ZET6支持串口IAP,處理功能較為強大,根據(jù)充電樁控制需求,通過APP客服端升級固件。控制器與充電機之間的通信,利用充電機控制接口交換信息,設置J1939為通信協(xié)議。按照此通信協(xié)議,編輯信息報文,實現(xiàn)各個訪問端口之間數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。關于藍牙模塊的設計,選取低功耗型號NRF51822作為藍牙通信工具,通過發(fā)送串口AT指令,完成藍牙通信。目前,藍牙通信模塊運行較為穩(wěn)定,可以作為本系統(tǒng)通信工具。另外,電路中的E2PROM作為信息存儲工具,除了記錄充電樁輸出信息、用戶信息以外,還可以用來記錄充電樁故障日志。由于該模塊具有較好的容錯能力,且掉電后信息不容易丟失,所以可以為系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)的記錄提供保障。

        2.2 充電樁控制程序開發(fā)流程設計

        充電樁控制程序開發(fā)選取μC/OS-ⅡV2.91軟件,按照優(yōu)先級不同,先后執(zhí)行充電控制命令。其中,優(yōu)先級的設計設定了5個控制命令層級:用戶APP向充電機發(fā)送汽車充電控制命令,此任務的優(yōu)先級最高;充電控制系統(tǒng)異常檢測,同時檢測看門狗情況,該任務是對系統(tǒng)整體狀況進行檢驗,從而降低系統(tǒng)故障問題發(fā)生頻率;查詢充電機作業(yè)產生的數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)加以處理;查詢藍牙模塊數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)加以處理;向藍牙通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)任務。

        按照上述順序執(zhí)行充電控制命令,為了有效控制充電機的啟/停,將開啟/停止充電控制命令的執(zhí)行設置為最高優(yōu)先級,超出上述最高層級運行順序。如果發(fā)現(xiàn)充電樁作業(yè)發(fā)生異常,則立即停止該裝置作業(yè)。本系統(tǒng)為用戶設置了3種充電控制模式,分別是定時充電、定量充電、自動充電(直至汽車電池充滿)。其中,定時充電在地下車庫應用,圖3所示為定時充電控制程序主要流程。

        圖3 充電樁控制程序開發(fā)流程Fig.3 Development process of charging pile control program

        第一步:讀取充電控制信息,判斷當前用戶下達充電控制模式;第二步:從所有控制信息中識別定時充電控制命令;第三步:判斷當前充電槍是否連接,如果連接成功,則執(zhí)行第四步,反之則返回第一步并檢驗充電槍連接操作是否執(zhí)行;第四步:向充電樁發(fā)送充電指令;第五步:鎖定當前為汽車充電的充電槍;第六步:開啟充電機作業(yè)模式,為汽車充電,該過程支持強行停止充電控制,如果發(fā)現(xiàn)充電機發(fā)生異常故障,系統(tǒng)將記錄相關信息,并跳轉至第十步;第七步:判斷汽車電池當前是否處于充滿狀態(tài),如果達到了充滿狀態(tài),則執(zhí)行第十步,反之,則執(zhí)行第八步;第八步:系統(tǒng)向藍牙模塊發(fā)送消息,利用該模塊返回充電控制時間信息;第九步:對比藍牙模塊返回的充電控制時間與預設的充電時間是否相符,如果相符,則執(zhí)行第十步,反之,返回第六步;第十步:充電機的充電作業(yè)狀態(tài)切換到停止充電狀態(tài);第十一步:結算本次充電費用,向用戶發(fā)送金額消息;第十二步:解除充電槍。

        3 用戶APP服務端設計

        用戶APP服務端主要用于處理信息,并搭建用戶與服務器、用戶與控制電路之間的通信連接,起到人機交互作用。按照系統(tǒng)開發(fā)功能需求,將用戶APP服務端拆分為8個功能模塊。一是用戶個人信息管理。用戶按照APP使用要求,注冊個人信息。完成注冊后,系統(tǒng)將對用戶的個人信息加以保護,避免信息泄露。二是充電樁搜索。每一個充電樁都有唯一的標識身份,用戶通過掃碼或直接輸入標識號碼,搜索到充電樁,如果該充電樁處于空閑狀態(tài),則可以為用戶提供充電服務。三是人機交互。在APP操作界面為用戶提供充電樁操作信息查詢服務,也可以在此界面發(fā)送充電控制命令。四是智能預約排隊充電。本系統(tǒng)設置了預約排隊功能,按照設定的充電時間開始排隊,用戶不需要到達現(xiàn)場,等待充電機空閑時,可以自動連接充電槍,為該用戶電動汽車充電。五是充電樁故障日志發(fā)送。APP接收到充電樁故障消息后,立即在消息界面通知用戶。六是充電模式選取。本系統(tǒng)支持3種充電模式,根據(jù)用戶需求選擇相應的充電模式即可。七是賬單支付。完成一次充電后,系統(tǒng)自動計算本次充電需要支付的費用,用戶可以根據(jù)需求選擇支付方式,通過APP客服端完成支付。八是用戶反饋。設計用戶反饋功能模塊,用戶在互動平臺可以將問題反饋給管控中心,通過服務器將此消息發(fā)送給管控中心計算機。

        4 云服務器設計

        云服務器主要由平臺軟件、大型信息存儲模塊、計算機等組成。根據(jù)系統(tǒng)控制需求開發(fā)3項功能,作為APP客服端、現(xiàn)場控制終端作業(yè)輔助工具。

        數(shù)據(jù)處理。為了滿足多級客戶的充電需求,云服務器模塊增加了數(shù)據(jù)處理功能,由后臺管理員與計算機自動處理模塊共同完成數(shù)據(jù)加工與處理,以提高充電服務管控效率,降低多用戶充電命令并發(fā)問題的發(fā)生頻率,緩解數(shù)據(jù)庫與服務器的作業(yè)壓力。

        數(shù)據(jù)分析。采用數(shù)據(jù)挖掘技術,對充電控制的海量數(shù)據(jù)加以分析。通過應用深度數(shù)據(jù)挖掘算法,獲取充電地點、充電時間、充電模式選取等信息,將其作為數(shù)據(jù)后臺接口創(chuàng)建的依據(jù)。按照層級服務標準,排列充電服務先后順序,并為用戶展示服務信息。

        資源共享。借助互聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建一個資源共享模塊,按照資源類型不同,將其拆分為多個資源板塊,用戶可以通過訪問資源共享板塊,從眾多資源板塊中找到自己所需的資源信息,實現(xiàn)資源共享。

        5 系統(tǒng)應用測試分析

        5.1 系統(tǒng)應用測試內容與方法

        按照系統(tǒng)架構設計方法搭建系統(tǒng),對充電樁的服務情況進行測試。應用測試以預約充電服務為例,對充電樁是否能夠按照設定的參數(shù)標準作業(yè)進行測試,并觀察系統(tǒng)是否可以按照預約充電先后順序為用戶提供充電服務。當充電樁結束對汽車的充電服務后,轉為空閑狀態(tài),此時為下一個等待用戶提供充電服務,通過藍牙連接,將該充電樁的充電槍與此用戶的電動汽車充電接口連接,為其提供充電服務。觀察充電樁是否按照用戶預約充電的先后順序對汽車進行充電,記錄充電先后順序、開始充電時間、藍牙是否成功連接、充電槍是否連接、是否按照要求充電、前方排隊情況、預約充電時間等相關數(shù)據(jù)信息。

        5.2 系統(tǒng)應用測試結果分析

        按照系統(tǒng)測試內容與方法搭建系統(tǒng)架構,對系統(tǒng)的充電樁服務功能進行測試。表1所示為充電樁服務功能測試結果。

        表1 充電樁服務功能應用測試結果Tab.1 Test results of charging pile service function application

        表1中,本系統(tǒng)能夠有序控制充電樁為用戶提供電動汽車充電服務,按照預約先后順序安排充電,能夠根據(jù)設定的充電服務要求為電動汽車按時充電/某時段充電。測試中,5臺電動汽車用戶的藍牙設備均得以連接,待前方排隊數(shù)量為0時,能夠為當前排在第一位的汽車提供充電服務,成功連接充電槍開始充電。從用戶反饋的充電效果來看,本系統(tǒng)能夠按照用戶設定的充電服務需求為其汽車充電。

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