劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

摘要:介紹種基于wei信支付和ID卡支付的公用電動自行車充電系統(tǒng),系統(tǒng)包括充電終端、云服務(wù)器、shouji客戶端。充電終端以STM32為控制核心,通過控制繼電器通斷實(shí)現(xiàn)對電動車的充電;利用HLW8012功率芯片測量充電電路功率;采用wei信支付和ID卡兩種支付方式進(jìn)行結(jié)算;通過IAP功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級功能;充電終端與云服務(wù)器通過4G通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制,測試充電功率測量準(zhǔn)確,充電時(shí)間計(jì)算誤差小,控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：電動自行車；電瓶車充電樁；智能；shoujiAPP

0引言

作為節(jié)能、便捷、價(jià)格低廉的交通工具,電動自行車受到了越來越多人的青睞,尤其是在學(xué)校、居民小區(qū),電動自行車已經(jīng)成為多數(shù)人使用的代步工具。由于充電設(shè)備的不足,且電池重量較大,隨意私拉電線為電動自行車充電的現(xiàn)象越來越多,給小區(qū)帶來了巨大的隱患。根據(jù)guowuyuan安委會辦公室關(guān)于開展電動自行車消防綜合治理工作的通知,zhengfu鼓勵(lì)新建住宅小區(qū)同步設(shè)置集中停放場和具有定時(shí)充電、自動斷電、故障報(bào)警等功能的智能充電控制設(shè)備。為此,本文設(shè)計(jì)了種基于wei信平臺的充電控制系統(tǒng),該充電系統(tǒng)能夠建立充電樁、shouji客戶端、云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信,shouji用戶可以通過wei信平臺遠(yuǎn)程完成打開充電樁、支付等功能,同時(shí)能在shouji客戶端上實(shí)時(shí)查看到電車充電狀態(tài)、剩余充電時(shí)間等信息。

1系統(tǒng)架構(gòu)

充電樁系統(tǒng)由充電終端、云服務(wù)器、shouji客戶端組成,圖1充電樁系統(tǒng)組成該系統(tǒng)如圖1所示。充電終端用于為用戶充電并將充電設(shè)備的信息上報(bào)云服務(wù)器,用戶通過wei信客戶端發(fā)出指令,充電終端執(zhí)行相應(yīng)的操作,同時(shí)將充電狀態(tài)通過云服務(wù)器反饋給客戶端,使用戶實(shí)時(shí)掌握充電狀態(tài)。shouji客戶端以wei信為平臺,通過wei信公眾號將用戶與服務(wù)器連接,用戶可以通過wei信完成支付,查詢充電狀態(tài)、充電時(shí)間、消費(fèi)記錄等信息。云服務(wù)器負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、發(fā)布等功能,為用戶和運(yùn)營者提供業(yè)務(wù)請求。用戶shouji客戶端通過shouji的4G、WiFi等方式與云服務(wù)器建立連接;充電終端用4G模塊與云服務(wù)器建立連接。用戶通過shoujiwei信掃描二維碼,登錄wei信公眾平臺選擇該充電樁,并選擇某個(gè)充電口進(jìn)行充電。

圖1 充電樁系統(tǒng)組成

2充電樁終端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件電路設(shè)計(jì)

硬件控制電路由主控制器、電源電路、HLW8012功率測量電路、ULN2008達(dá)林頓驅(qū)動電路、4G模塊、EEP-ROM、ID卡模塊、按鍵模塊等部分組成。充電樁終端控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。其中主控制器采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6處理器,采用ULN2008驅(qū)動繼電器控制充電樁樁口的通斷,采用XW12A電容按鍵為按鍵模塊。

圖2 終端控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1電源電路設(shè)計(jì)

電源模塊分為控制系統(tǒng)電源模塊和功率測量電源模塊。控制系統(tǒng)電源模塊為(外部提供)12V電源,電源電路將12V轉(zhuǎn)為5V和3.3V供控制系統(tǒng)使用,該部分電源電路如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)電源電路

功率測量電源模塊為ACDC非隔離電源,輸入為220V交流電,輸出為5V直流電為功率測量電路供電,該部分電源電路如圖4所示。

圖4 功率測量電源電路

2.1.2功率測量電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用的功率測量芯片為HLW8012,該款芯片為單相電能計(jì)量芯片,可以測量有用功率、電量、電壓有效值、電流有效值等。其芯片輸出高頻脈沖CF,指示有用功率,在1000:1的范圍內(nèi)可達(dá)±0.3%的精度,可精確測量充電樁損耗功率。充電樁口的正極通過LIN與LOUT端與測量芯片功率連接,測量芯片通過比較V1P與V1N兩端的電壓差計(jì)算出通過電阻R1的電流。電壓信號通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓由V2P采集電路電壓值,所測得的采樣電壓值為輸入電壓的1/1881。功率測量電路如圖5所示。

圖5 功率測量電路

2.1.3EEPROM模塊

EEPROM模塊采用的芯片為AT24C512,該芯片連接MCU的I2C接口。模塊記錄的內(nèi)容包括設(shè)備編號、充電時(shí)間、升級標(biāo)志位以及充電輸出狀態(tài)等。當(dāng)充電樁與服務(wù)器斷開連接或者充電樁短時(shí)間斷電,設(shè)備可以斷電續(xù)充,保證系統(tǒng)有良好的容錯(cuò)能力。

2.1.44G通信模塊

通信模塊采用有人物聯(lián)網(wǎng)公司的USRLTE7S4模塊,這是款功能豐富的M2M產(chǎn)品。以“透傳”作為功能核心,可以方便快捷地集成于開發(fā)系統(tǒng)中。4G模塊與MCU的UART2串口連接,用于實(shí)現(xiàn)充電樁與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。充電樁與服務(wù)器通過4G以心跳包方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包由幀頭、功能碼、數(shù)據(jù)信息、校驗(yàn)碼和幀尾組成。協(xié)議分為服務(wù)器主動下發(fā)和設(shè)備主動上報(bào)兩種,各部分?jǐn)?shù)據(jù)包及數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所列。

2.2軟件流程設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,進(jìn)行智能充電樁控制系統(tǒng)開發(fā)。軟件設(shè)計(jì)采用C語言在Keil平臺上進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。Keil軟件平臺提供在線仿真和硬件仿真兩種調(diào)試模式,在編寫程序時(shí)可以有效調(diào)試程序。

2.2.1程序流程設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的流程分為注冊流程圖、充電流程圖和停止充電流程圖。充電樁系統(tǒng)打開后先進(jìn)行硬件初始化(包括功率模塊、時(shí)鐘、串口、中斷和GPRS),之后通過GPRS向服務(wù)器發(fā)送注冊包,收到服務(wù)器回復(fù)的報(bào)文后確認(rèn)注冊成功,服務(wù)器獲取設(shè)備狀態(tài)并向下位機(jī)設(shè)置功率參數(shù)。注冊流程圖如圖6所示。

圖6 注冊流程圖

充電樁設(shè)計(jì)有2種充電方式:刷卡方式和wei信方式。用戶選擇充電方式之后,根據(jù)服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包作出相應(yīng)的判斷,打開相應(yīng)的充電樁口以及上報(bào)相應(yīng)的信息。服務(wù)器通過上報(bào)的功率以及充電金額計(jì)算出充電時(shí)間,并下發(fā)給充電樁,充電樁記錄充電時(shí)間并開始充電。充電流程圖如圖7所示。

圖7 充電流程圖

在充電過程中,充電樁將實(shí)時(shí)監(jiān)控充電功率、充電時(shí)間是否結(jié)束以及服務(wù)器是否發(fā)送主動斷電指令。充電停止分為兩種情況,種是充電時(shí)間到達(dá),充電樁自動關(guān)閉充電樁口,上報(bào)設(shè)備信息,服務(wù)器通知用戶充電結(jié)束。另種是異常斷電,其中包括功率過大或過小、服務(wù)器主動斷電。充電樁斷電后將斷電信息上報(bào)服務(wù)器,并通知用戶設(shè)備斷電。該流程圖如圖8所示。

圖8 斷電流程圖

2.2.2功率測量

軟件設(shè)計(jì)功率測量模塊主要測量打開的充電樁口功率,功率測量正常工作需要進(jìn)行初始化,初始化包括I/O口配置、時(shí)鐘配置、中斷配置等。在初始化完畢后,依次查詢正在充電的充電樁口。若MCU捕捉到相應(yīng)I/O口的脈沖沿變化,定時(shí)器開啟定時(shí),MCU統(tǒng)計(jì)在1s內(nèi)的脈沖沿個(gè)數(shù),MCU根據(jù)捕捉到的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算功率值。功率測量流程如圖9所示。

圖9 功率測量流程圖

根據(jù)捕捉到的脈沖個(gè)數(shù),可以計(jì)算出負(fù)載的有用功率。有用功率頻率的理論值計(jì)算如下:F=V1·V2·48VREF·fosc128其中,F為有用功率對應(yīng)的輸出脈沖頻率值;V1為電流通道的電壓信號;V2為電壓通道上的電壓信號;VREF為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓,典型電壓是2.43V;fosc是內(nèi)置晶振,頻率為3.579MHz。由于V1和V2與負(fù)載的電流電壓均為線性關(guān)系,因此有用功率與頻率F呈線性關(guān)系,因此測量功率計(jì)算公式如下:FCalF=PCalP其中,PCal和FCal分別為校準(zhǔn)功率值和校準(zhǔn)功率值實(shí)測的頻率值,本次設(shè)計(jì)所用的校準(zhǔn)功率為1kW;P和F分別為實(shí)際負(fù)載的功率和測量到的頻率值。經(jīng)驗(yàn)證,測量的得到的精度為±3%。

2.2.3遠(yuǎn)程升級軟件設(shè)計(jì)

STM32支持IAP(InApplicationProgramming)功能,實(shí)現(xiàn)在線升級功能。該功能的實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)項(xiàng)目的代碼:項(xiàng)為Bootloader,該項(xiàng)目不執(zhí)行項(xiàng)目功能操作,而是通過UART2連接的4G模塊接收服務(wù)器傳送過來的程序包,將新的APP程序?qū)懭氲紽LASH中,并完成跳轉(zhuǎn)功能;二項(xiàng)是升級的APP程序包。下位機(jī)需要升級時(shí),服務(wù)器將下發(fā)指令,修改EEPROM中的升級狀態(tài)標(biāo)志位,下位機(jī)讀取到升級標(biāo)志位后,重啟并上報(bào)服務(wù)器準(zhǔn)備接收APP程序,同時(shí)地址偏移后的APP程序的中斷向量表也需同等偏移,使得中斷程序能夠正常響應(yīng)。

3客戶端

wei信客戶端主要為用戶提供充電樁下位機(jī)和服務(wù)器的信息處理平臺,用戶在客戶端上對充電樁進(jìn)行操作?？蛻舳朔譃橛脩舫潆婍撁?、正在充電頁面和賬戶管理頁面。用戶充電頁面使用操作如下:

①用戶使用shouji登錄并關(guān)注充電樁公司提供的wei信公眾號,wei信客戶端通過wei信號作為用戶ID,完成信息注冊。

②用wei信公眾號掃描充電設(shè)備上的二維碼或手動輸入設(shè)備編號,選取該充電樁。

③選擇此時(shí)空閑的充電樁口,并將充電設(shè)備連接在相應(yīng)的充電位置,輸入需要充電的金額,并點(diǎn)擊“開始充電”。

④客戶端將顯示出用電功率以及充電時(shí)間,并在充電結(jié)束時(shí)斷開電路并提示用戶取走充電設(shè)備。正在充電頁面顯示該用戶正在使用的充電設(shè)備信息,包括充電樁編號、充電設(shè)備的功率、充電費(fèi)率、剩余時(shí)長和開始時(shí)間等信息。在此頁面可提前關(guān)閉充電,結(jié)束充電任務(wù)。賬戶管理頁面供用戶查詢賬戶余額、綁定shouji號、惠卡、賬單等用戶信息。

4測試與結(jié)論

4.1測試

將負(fù)載插入充電終端,打開wei信公眾號,選取測試充電樁和充電樁口,選擇充電金額并打開充電。用功率計(jì)量插座測得負(fù)載的實(shí)時(shí)功率,計(jì)算出實(shí)際功率與讀取的功率之間的差值。在客戶端選擇打開充電,繼電器閉合,功率計(jì)量插座顯示的實(shí)時(shí)功率為596W,客戶端顯示功率為614W,符合設(shè)計(jì)需求。充電時(shí)間為充電金額與充電功率的商值,本設(shè)計(jì)中設(shè)置的充電價(jià)格為600W·h/元,客戶端顯示充電時(shí)間為1小時(shí),符合設(shè)計(jì)需求。充電過程中分別將負(fù)載換為1000W和10W,充電終端在3s內(nèi)關(guān)斷充電樁口,并且客戶端上顯示斷電原因,實(shí)時(shí)性符合設(shè)計(jì)需求。

5 安科瑞電動自行車平臺及選型介紹

安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱幼孕熊嚦潆姌兜娜粘顟B(tài)、充電過程進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)充電支付對接：支持投幣、刷卡、wei信支付等多種支付方式，保證支付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進(jìn)行有效預(yù)警；實(shí)現(xiàn)對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺、小程序等，提供相關(guān)異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電動車充電管理的網(wǎng)絡(luò)化、可視化。

①　預(yù)警

  對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時(shí)可通過APP、短信及時(shí)向運(yùn)營人員發(fā)出報(bào)警信號，及時(shí)火災(zāi)隱患。

②　交易結(jié)算管理

  平臺為運(yùn)營方提供充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。

③　充電服務(wù)

  可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態(tài)，并導(dǎo)航至可用充電樁?？赏ㄟ^在線自助支付實(shí)現(xiàn)充電。

④　運(yùn)營分析

  對訂單進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，通過柱狀圖、報(bào)表方式直觀展示數(shù)據(jù)，并支持和第三方平臺對接。

⑤　wei信小程序

可通過wei信小程序掃碼充電，充電賬單支付。運(yùn)營商和物業(yè)管理人員均可通過小程序管理，監(jiān)測充電樁狀態(tài)和充電交易情況。

⑥產(chǎn)品選型

A款的ACX10A-YH刷卡掃碼充電，刷卡充電需要在管理處預(yù)存電費(fèi)充值后進(jìn)行刷卡充電，也可接入充電樁管理云平臺通過掃碼充電；

  B款的ACX10B-TYH全功能型在A款的ACX10A-YH基礎(chǔ)上增加投幣功能，ACX10B-YH與A款的功能接近，但是B款產(chǎn)品均支持在不需要云平臺下的項(xiàng)目中單獨(dú)使用。

6 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了種基于wei信的公用電動自行車充電樁設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括充電樁終端、shouji客戶端和云服務(wù)器三部 分。本文主要介紹充電終端設(shè)計(jì),先對充電樁的整體結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)描述,然后進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì),包括主控電路、電源 電路、功率計(jì)量電路、4G通信模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)。實(shí)際測 試證明,本文的設(shè)計(jì)方案能夠控制多路樁口通斷,用戶可 以使用wei信客戶端進(jìn)行操作。

參考文獻(xiàn)：

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• [2]陳富安,白超杰  wei信與ID卡支付的公用電動自行車充電樁
• [3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2019.11版

作者簡介：劉細(xì)鳳，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)?/span>智能電瓶車充電平臺研發(fā)與應(yīng)用