基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置設(shè)計與研究

李婧婧

安科瑞電氣股份有限公司 

摘要：在國家相關(guān)政策的大力支持下，我國電動汽車保有量持續(xù)高速增長，同時與之配套的充電服務(wù)運(yùn)營市場也正蓬勃興起，因此針對分布式充電樁的數(shù)據(jù)采集、信號傳輸及其網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理變得迫在眉睫。本文以充電樁的智能監(jiān)測與互聯(lián)互通技術(shù)為研究對象，設(shè)計開發(fā)了基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置，并在裝置完成充電數(shù)據(jù)采集與充電狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，針對不同的應(yīng)用場景，研制出串口、TCP/IP、藍(lán)牙、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等多種的通信傳輸模式。應(yīng)用情況表明，該裝置管理方便，能有效提高分布式充電樁使用率，具有較好的實(shí)用性與一定的前瞻性。

關(guān)鍵詞：充電樁；智能監(jiān)測；互聯(lián)互通；窄帶物聯(lián)網(wǎng)；TCP/IP

引言

       隨著人們環(huán)保意識的提高以及綠色能源理念的不斷深入，電動汽車的快速發(fā)展已成必然的趨勢。充電樁，作為電動汽車所需要的配套基礎(chǔ)充電設(shè)施，在電動汽車高速發(fā)展和政策扶持的背景下，普及速度異常迅猛。

       傳統(tǒng)充電樁強(qiáng)調(diào)硬件設(shè)施，數(shù)據(jù)監(jiān)測方面大部分通過有線方式實(shí)現(xiàn)，不能將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時傳送至用戶與后臺，具有很大局限性。針對上述問題，本文設(shè)計與研制了基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置。裝置在實(shí)時監(jiān)測設(shè)備相關(guān)性能信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多通信傳輸方式的信號傳輸與儲存，以適應(yīng)各個場景的需求。

一、總體設(shè)計與實(shí)現(xiàn)原理

       基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置由狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊、互聯(lián)通信模塊構(gòu)成。狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊使用硬件模塊和嵌入式模塊實(shí)現(xiàn)充電相關(guān)性能信息采集與充電狀態(tài)控制；互聯(lián)通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、計算、儲存等功能。通過有線途徑（串口、TCP/IP）與上位機(jī)通信。當(dāng)需要短距離直接獲取數(shù)據(jù)時，可用串口通信方式直接傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)到PC端；當(dāng)需要多臺設(shè)備從遠(yuǎn)端獲取數(shù)據(jù)時，可用TCP/IP將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)，PC端通過局域網(wǎng)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)；上位機(jī)建立了數(shù)據(jù)庫，可對兩種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行計算、儲存。同時，TCP/IP可將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺分析、儲存。此外，通過無線途徑（藍(lán)牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng)）與B/S管理系統(tǒng)或APP通信，可實(shí)時了解充電信息，控制充電狀態(tài)，完成賬單支付等功能。智能充電監(jiān)測裝置通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊將充電信息經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)鏈接云平臺，用戶可使用APP或進(jìn)入B/S管理系統(tǒng)鏈接云平臺獲取相應(yīng)的充電信息，并在充電結(jié)束后完成賬單支付等功能；當(dāng)充電樁所處地區(qū)信號不好無法使用網(wǎng)絡(luò)方式時，用戶可通過帶藍(lán)牙功能的設(shè)備連接裝置藍(lán)牙獲取相應(yīng)充電信息，并在充電結(jié)束后完成賬單支付等功能。智能充電監(jiān)測裝置框圖如圖1所示。

圖1智能充電監(jiān)測裝置框圖

二、充電狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊

基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置使用電壓/電流互感器實(shí)

時采集充電電壓、電流等相關(guān)狀態(tài)信息，并將采集的信息傳輸至嵌入式模塊，嵌入式模塊對采集的電氣信息進(jìn)行計算優(yōu)化，如計算充電量、顯示充電時長、計算實(shí)時電價等。通過與外部設(shè)備聯(lián)合處理控制繼電器開斷，進(jìn)而控制電動汽車是否開始充電。原理如圖2所示。

圖2狀態(tài)控制/信息采集傳輸原理圖

三、互聯(lián)通信模塊

1、有線傳輸方式

       有線傳輸方式主要采用串口通信與TCP/IP通信方式。當(dāng)充電樁所處位置網(wǎng)絡(luò)信號不好且與后臺系統(tǒng)相距不遠(yuǎn)需要直接通信時，采用串口通信方式傳輸數(shù)據(jù)至PC端；當(dāng)充電樁通信距離較遠(yuǎn)且需多臺設(shè)備從云平臺或PC端獲取數(shù)據(jù)時，采用TCP/IP通信方式傳輸數(shù)據(jù)至云平臺與PC端。有線傳輸方式實(shí)現(xiàn)針對不同場景，定制化有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、儲存、計算。傳輸流程如圖3所示。

圖3有線傳輸方式傳輸流程圖

       串口通信。在實(shí)際運(yùn)用中為方便實(shí)時監(jiān)控充電狀態(tài)信息，將控制系統(tǒng)與PC端上位機(jī)系統(tǒng)直接相連。上位機(jī)系統(tǒng)使用LABVIEW進(jìn)行程序設(shè)計，控制系統(tǒng)使用I/O模擬數(shù)字信號直接對上位機(jī)進(jìn)行操作。

       兩者采用RS232串口通信協(xié)議與異步半雙工模式進(jìn)行通信。通信使用VISA節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)配置串口，串口寫入，串口讀取，關(guān)閉串口等功能[2]。串口通信節(jié)點(diǎn)具有使用方法簡單、成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)。

TCP/IP通信。將裝置中網(wǎng)絡(luò)接口與局域網(wǎng)連接，通過局域網(wǎng)傳輸至云平臺，同時通過TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)通信。網(wǎng)絡(luò)接口采用ENC28J60芯片，該芯片符合以太網(wǎng)IEE8023標(biāo)準(zhǔn)，可作為任何配備有SPI控制器的以太網(wǎng)接口。支持全雙工和半雙工模式，較高傳輸速率可達(dá)10MB/S的SPI接口。

       充電數(shù)據(jù)通過嵌入式模塊與網(wǎng)絡(luò)接口模塊之間的連接傳輸，同時使用雙絞線連接網(wǎng)卡和以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收。

       可實(shí)時監(jiān)控和存儲充電樁的充電電壓、電流、時間、電量等數(shù)據(jù)。

2、無線傳輸方式

       無線傳輸方式主要采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)與藍(lán)牙通信方式。窄帶物聯(lián)網(wǎng)可通過無線傳輸方式實(shí)時將充電數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，具有鏈接能力強(qiáng)、傳輸速度快、覆蓋率高、功耗小等特點(diǎn)；當(dāng)充電樁所處地區(qū)信號不好無法使用網(wǎng)絡(luò)方式時，采用藍(lán)牙通信方式傳輸數(shù)據(jù)至終端APP。無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)快速、便捷的監(jiān)測與控制充電過程。傳輸流程如圖4所示。

圖4無線傳輸方式傳輸流程圖

       窄帶物聯(lián)網(wǎng)云平臺。物聯(lián)網(wǎng)云平臺可實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)層與傳輸網(wǎng)絡(luò)層的連接，達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測和遠(yuǎn)程管理控制的目的。針對目前廣域物聯(lián)網(wǎng)在電動汽車信號傳輸系統(tǒng)應(yīng)用中存在能耗大、穿透能力弱、覆蓋范圍小等問題，設(shè)計了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB?IOT）的智能傳輸系統(tǒng)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是基于3GPP的技術(shù)，具有強(qiáng)鏈接、高覆蓋、低功耗的特點(diǎn)。

       每一個通信終端都與云平臺關(guān)聯(lián)，使其準(zhǔn)確定位每一個充電樁。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將整個系統(tǒng)分為3層，分別是數(shù)據(jù)采集層、通信網(wǎng)絡(luò)層、管理平臺層。數(shù)據(jù)采集層可獲取環(huán)境信息、用戶信息、以及電能消耗信息，為充電樁的監(jiān)管提供準(zhǔn)確、較多的數(shù)據(jù)。通信網(wǎng)絡(luò)層采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為通信技術(shù)。管理平臺層作為充電樁遠(yuǎn)程管理平臺，可實(shí)現(xiàn)對充電樁的歷史數(shù)據(jù)的查詢、存儲等功能。

       充電樁數(shù)據(jù)通過嵌入式模塊傳送到窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊，經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)鏈接云平臺?？墒褂肂/S管理系統(tǒng)或APP實(shí)時查詢充電情況。

       藍(lán)牙通信。藍(lán)牙通信采用HC-05嵌入式藍(lán)牙通信模塊，可與各種帶藍(lán)牙功能的手機(jī)、電腦、PDA等智能終端配對。智能終端藍(lán)牙與裝置藍(lán)牙模塊連接后，本地控制端APP實(shí)現(xiàn)對藍(lán)牙模塊搜索、匹配和通信。通過該APP發(fā)送針對充電樁的控制指令，如開斷指令。同時接收充電樁返回的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，傳輸內(nèi)容主要包括：充電時長、充電量、實(shí)時電價、總費(fèi)用、歷史查詢、支付方式等。

四、安科瑞充電樁運(yùn)營管理平臺

1、系統(tǒng)架構(gòu)

       安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；yong戶通過微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。

       充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營的所有功能，具體功能如下：

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運(yùn)行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。

交易結(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

充電服務(wù)：充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

       在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進(jìn)行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺首頁

       平臺首頁總覽每天的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，累計的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計。

2.3實(shí)時監(jiān)控

?充電站監(jiān)控

       充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。

?充電槍監(jiān)控

       充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

?搜索與使用

       微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

?授權(quán)登錄界面

       用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進(jìn)入這個頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面，如圖所示：

?主功能頁

       初次進(jìn)入主功能頁時需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等。

?充電

       掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價和預(yù)計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評價。

?個人信息

       個人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設(shè)置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

若客戶自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點(diǎn)數(shù)的不同，分別如下：

3.2現(xiàn)場推薦硬件配置清單：

五、結(jié)束語

       基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置由狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊和互聯(lián)通信模塊構(gòu)成。狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊可實(shí)現(xiàn)充電相關(guān)性能信息采集與充電狀態(tài)控制?；ヂ?lián)通信模塊通過有線途徑（串口、TCP/IP）與上位機(jī)通信，通過無線途徑（藍(lán)牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng)）與B/S管理系統(tǒng)或APP通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、計算、儲存等功能。做到了讓用戶隨時隨地知曉充電狀態(tài)，掌控充電過程，完成充電并支付相關(guān)費(fèi)用。整套裝置成本較為低廉，數(shù)據(jù)傳輸有效穩(wěn)定，人機(jī)交互界面智能化，實(shí)用性強(qiáng)。

 

 

參考文獻(xiàn)

[1]馮星博.基于Wi-Fi的充電樁群的監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計[D]大連：大連理工大學(xué),2016

[2]王澄睿，蒙怡帆，周禧龍，劉凱文，劉哲宇，陳韻含.基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測裝置設(shè)計與研制

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊202006版

 

作者簡介：李婧婧，女，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發(fā)和應(yīng)用