摘要：在國家相關(guān)政策的大力支持下，我國電動(dòng)汽車(chē)保有量持續高速增長(cháng)，同時(shí)與之配套的充電服務(wù)運營(yíng)市場(chǎng)也正蓬勃興起，因此針對分布式充電樁的數據采集、信號傳輸及其網(wǎng)絡(luò )化統一管理變得迫在眉睫。本文以充電樁的智能監測與互聯(lián)互通技術(shù)為研究對象，設計開(kāi)發(fā)了基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監測裝置，并在裝置完成充電數據采集與充電狀態(tài)監控的基礎上，針對不同的應用場(chǎng)景，研制出串口、TCP/IP、藍牙、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等多種的通信傳輸模式。應用情況表明，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；智能監測；互聯(lián)互通；窄帶物聯(lián)網(wǎng)；TCP/IP

引言

       隨著(zhù)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(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展已成必然的趨勢。充電樁，作為電動(dòng)汽車(chē)所需要的配套基礎充電設施，在電動(dòng)汽車(chē)高速發(fā)展和政策扶持的背景下，普及速度異常迅猛。

       傳統充電樁強調硬件設施，數據監測方面大部分通過(guò)有線(xiàn)方式實(shí)現，不能將采集的數據實(shí)時(shí)傳送至用戶(hù)與后臺，具有很大局限性。針對上述問(wèn)題，本文設計與研制了基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監測裝置。裝置在實(shí)時(shí)監測設備相關(guān)性能信息的基礎上，實(shí)現多通信傳輸方式的信號傳輸與儲存，以適應各個(gè)場(chǎng)景的需求。

一、總體設計與實(shí)現原理

       基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監測裝置由狀態(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)現數據傳輸、計算、儲存等功能。通過(guò)有線(xiàn)途徑（串口、TCP/IP）與上位機通信。當需要短距離直接獲取數據時(shí)，可用串口通信方式直接傳輸相應數據到PC端；當需要多臺設備從遠端獲取數據時(shí)，可用TCP/IP將數據傳輸到局域網(wǎng)，PC端通過(guò)局域網(wǎng)獲取相應數據；上位機建立了數據庫，可對兩種方式傳輸的數據進(jìn)行計算、儲存。同時(shí)，TCP/IP可將數據傳輸至云平臺分析、儲存。此外，通過(guò)無(wú)線(xiàn)途徑（藍牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng)）與B/S管理系統或APP通信，可實(shí)時(shí)了解充電信息，控制充電狀態(tài)，完成賬單支付等功能。智能充電監測裝置通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊將充電信息經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)鏈接云平臺，用戶(hù)可使用APP或進(jìn)入B/S管理系統鏈接云平臺獲取相應的充電信息，并在充電結束后完成賬單支付等功能；當充電樁所處地區信號不好無(wú)法使用網(wǎng)絡(luò )方式時(shí)，用戶(hù)可通過(guò)帶藍牙功能的設備連接裝置藍牙獲取相應充電信息，并在充電結束后完成賬單支付等功能。智能充電監測裝置框圖如圖1所示。

圖1智能充電監測裝置框圖

二、充電狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊

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

時(shí)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(shí)長(cháng)、計算實(shí)時(shí)電價(jià)等。通過(guò)與外部設備聯(lián)合處理控制繼電器開(kāi)斷，進(jìn)而控制電動(dòng)汽車(chē)是否開(kāi)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(xiàn)傳輸方式

       有線(xiàn)傳輸方式主要采用串口通信與TCP/IP通信方式。當充電樁所處位置網(wǎng)絡(luò )信號不好且與后臺系統相距不遠需要直接通信時(shí)，采用串口通信方式傳輸數據至PC端；當充電樁通信距離較遠且需多臺設備從云平臺或PC端獲取數據時(shí)，采用TCP/IP通信方式傳輸數據至云平臺與PC端。有線(xiàn)傳輸方式實(shí)現針對不同場(chǎng)景，定制化有效的進(jìn)行數據傳輸、儲存、計算。傳輸流程如圖3所示。

圖3有線(xiàn)傳輸方式傳輸流程圖

       串口通信。在實(shí)際運用中為方便實(shí)時(shí)監控充電狀態(tài)信息，將控制系統與PC端上位機系統直接相連。上位機系統使用LABVIEW進(jìn)行程序設計，控制系統使用I/O模擬數字信號直接對上位機進(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節點(diǎn)，實(shí)現配置串口，串口寫(xiě)入，串口讀取，關(guān)閉串口等功能[2]。串口通信節點(diǎn)具有使用方法簡(jiǎn)單、成本低、數據傳輸速率高等特點(diǎn)。

TCP/IP通信。將裝置中網(wǎng)絡(luò )接口與局域網(wǎng)連接，通過(guò)局域網(wǎng)傳輸至云平臺，同時(shí)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與上位機通信。網(wǎng)絡(luò )接口采用ENC28J60芯片，該芯片符合以太網(wǎng)IEE8023標準，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10MB/S的SPI接口。

       充電數據通過(guò)嵌入式模塊與網(wǎng)絡(luò )接口模塊之間的連接傳輸，同時(shí)使用雙絞線(xiàn)連接網(wǎng)卡和以太網(wǎng)交換機進(jìn)行數據的發(fā)送、接收。

       可實(shí)時(shí)監控和存儲充電樁的充電電壓、電流、時(shí)間、電量等數據。

2、無(wú)線(xiàn)傳輸方式

       無(wú)線(xiàn)傳輸方式主要采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)與藍牙通信方式。窄帶物聯(lián)網(wǎng)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)時(shí)將充電數據傳輸至云平臺，具有鏈接能力強、傳輸速度快、覆蓋率高、功耗小等特點(diǎn)；當充電樁所處地區信號不好無(wú)法使用網(wǎng)絡(luò )方式時(shí)，采用藍牙通信方式傳輸數據至終端APP。無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)現快速、便捷的監測與控制充電過(guò)程。傳輸流程如圖4所示。

圖4無(wú)線(xiàn)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)現傳感網(wǎng)絡(luò )層與傳輸網(wǎng)絡(luò )層的連接，達到數據監測和遠程管理控制的目的。針對目前廣域物聯(lián)網(wǎng)在電動(dòng)汽車(chē)信號傳輸系統應用中存在能耗大、穿透能力弱、覆蓋范圍小等問(wèn)題，設計了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings，NB?IOT）的智能傳輸系統。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是基于3GPP的技術(shù)，具有強鏈接、高覆蓋、低功耗的特點(diǎn)。

       每一個(gè)通信終端都與云平臺關(guān)聯(lián)，使其準確定位每一個(gè)充電樁。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將整個(gè)系統分為3層，分別是數據采集層、通信網(wǎng)絡(luò )層、管理平臺層。數據采集層可獲取環(huán)境信息、用戶(hù)信息、以及電能消耗信息，為充電樁的監管提供準確、較多的數據。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程管理平臺，可實(shí)現對充電樁的歷史數據的查詢(xún)、存儲等功能。

       充電樁數據通過(guò)嵌入式模塊傳送到窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊，經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)鏈接云平臺?？墒褂肂/S管理系統或APP實(shí)時(shí)查詢(xún)充電情況。

       藍牙通信。藍牙通信采用HC-05嵌入式藍牙通信模塊，可與各種帶藍牙功能的手機、電腦、PDA等智能終端配對。智能終端藍牙與裝置藍牙模塊連接后，本地控制端APP實(shí)現對藍牙模塊搜索、匹配和通信。通過(guò)該APP發(fā)送針對充電樁的控制指令，如開(kāi)斷指令。同時(shí)接收充電樁返回的數據，實(shí)現數據的雙向傳輸，傳輸內容主要包括：充電時(shí)長(cháng)、充電量、實(shí)時(shí)電價(jià)、總費用、歷史查詢(xún)、支付方式等。

四、安科瑞充電樁運營(yíng)管理平臺

1、系統架構

       安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警；用戶(hù)通過(guò)微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)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的數據交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)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(hù)檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。

交易結算：充電價(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶(hù)管理：用戶(hù)注冊，用戶(hù)登錄，用戶(hù)帳戶(hù)管理，消息管理

充電服務(wù)：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線(xiàn)自助支付充電，充電結算，導航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數據服務(wù)：數據采集，短信提醒，數據存儲和解析

變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線(xiàn)表，超負荷時(shí)系統自動(dòng)對充電樁的進(jìn)行調度管理，即當負荷超過(guò)百分之五十時(shí)，系統會(huì )限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過(guò)百分之八十時(shí)，系統將不允許新增充電樁開(kāi)始充電，直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

       在瀏覽器打開(kāi)云平臺鏈接、輸入賬戶(hù)名和權限密碼，進(jìn)行登錄，防止未人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺首頁(yè)

       平臺首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，累計的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，以及相應的環(huán)比增長(cháng)和同比增長(cháng)以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實(shí)時(shí)監控

?充電站監控

       充電站監控頁(yè)面監視用戶(hù)充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶(hù)擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時(shí)長(cháng)，進(jìn)行負荷限制、故障查詢(xún)。

?充電槍監控

       充電樁監控頁(yè)面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時(shí)長(cháng)和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時(shí)長(cháng)等、充電電壓電流等參數。

2.4微信小程序

?搜索與使用

       微信小程序可以通過(guò)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

?登錄界面

       用戶(hù)通過(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí)，會(huì )進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要用戶(hù)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示：

?主功能頁(yè)

       初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)需要定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當前所在區域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導航等。

?充電

       掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁(yè)面，可以查看到當前的充電站名稱(chēng)、充電槍名稱(chēng)，以及當前的賬戶(hù)余額，電價(jià)和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶(hù)的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進(jìn)進(jìn)行評價(jià)。

?個(gè)人信息

       個(gè)人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱(chēng)和余額，同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢(xún)、賬單查詢(xún)、充電記錄查詢(xún)、設置支付密碼等功能

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(mǎi)，或者客戶(hù)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(hù)自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據充電槍點(diǎn)數的不同，分別如下：

3.2現場(chǎng)推薦硬件配置清單：

五、結束語(yǔ)

       基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監測裝置由狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊和互聯(lián)通信模塊構成。狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊可實(shí)現充電相關(guān)性能信息采集與充電狀態(tài)控制?；ヂ?lián)通信模塊通過(guò)有線(xiàn)途徑（串口、TCP/IP）與上位機通信，通過(guò)無(wú)線(xiàn)途徑（藍牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng)）與B/S管理系統或APP通信，實(shí)現數據傳輸、計算、儲存等功能。做到了讓用戶(hù)隨時(shí)隨地知曉充電狀態(tài)，掌控充電過(guò)程，完成充電并支付相關(guān)費用。整套裝置成本較為低廉，數據傳輸有效穩定，人機交互界面智能化，實(shí)用性強。

 

 

參考文獻

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[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)的智能充電監測裝置設計與研制

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊202006版