劉細鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801
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)yong場景,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(yīng)yong情況表明,該裝置管理方便,能有效提高分布式充電樁使yong率,具有較好的實yong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現(xiàn),不能將采集的數(shù)據(jù)實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。裝置在實時監(jiān)測設(shè)備相關(guān)性能信息的基礎(chǔ)上,實現(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)與上位機通信。當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;當需要多臺設(shè)備從遠端獲取數(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);上位機建立了數(shù)據(jù)庫,可對兩種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行計算、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(藍牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng))與B/S管理系統(tǒng)或APP通信,可實時了解充電信息,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,用戶可通過帶藍牙功能的設(shè)備連接裝置藍牙獲取相應(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
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行計算優(yōu)化,如計算充電量、顯示充電時長、計算實時電價等。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;當充電樁通信距離較遠且需多臺設(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。有線傳輸方式實現(xiàn)針對不同場景,定制化有效的進行數(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。在實際運用中為方便實時監(jiān)控充電狀態(tài)信息,將控制系統(tǒng)與PC端上位機系統(tǒng)直接相連。上位機系統(tǒng)使用LABVIEW進行程序設(shè)計,控制系統(tǒng)使用I/O模擬數(shù)字信號直接對上位機進行操作。
兩者采用RS232串口通信協(xié)議與異步半雙工模式進行通信。通信使用VISA節(jié)點,實現(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)點具有使用方法簡單、成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點。
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(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)交換機進行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收。
可實時監(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)與藍牙通信方式。窄帶物聯(lián)網(wǎng)可通過無線傳輸方式實時將充電數(shù)據(jù)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;當充電樁所處地區(qū)信號不好無法使用網(wǎng)絡(luò)方式時,采用藍牙通信方式傳輸數(shù)據(jù)至終端APP。無線傳輸方式實現(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)云平臺可實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)層與傳輸網(wǎng)絡(luò)層的連接,達到數(shù)據(jù)監(jiān)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),具有強鏈接、高覆蓋、低功耗的特點。
每一個通信終端都與云平臺關(guān)聯(lián),使其準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程管理平臺,可實現(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實時查詢充電情況。
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實現(xiàn)對藍牙模塊搜索、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、實時電價、總費用、歷史查詢、支付方式等。
四、安科瑞充電樁運營管理平臺
1、系統(tǒng)架構(gòu)
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預(yù)jing;用戶通過微信小程序掃描二維碼,進行支付后,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,與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能,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)控充電站變壓器負荷,每個充電站配備一塊ARCM300T無線表,超負荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進行調(diào)度管理,即當負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,當變壓器負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、站分布地圖導航、本月充電統(tǒng)計。
2.3實時監(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日充電總次數(shù)、總電量、總時長,進行負荷限制、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,會進入這個頁面,需要用戶授權(quán)登錄才可以進入小程序主功能頁面,如圖所示:
?主功能頁
初次進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,在地圖上查看到當前所在區(qū)域的充電站,查看充電站信息,可以進行掃碼充電操作,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入充電選擇頁面,可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱,以及當前的賬戶余額,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)束可以進進行評價。
?個人信息
個人信息可以顯示當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:建議按照我方配置購買,或者客戶自己租用阿里云資源。
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)充電槍點數(shù)的不同,分別如下:
3.2現(xiàn)場硬件配置清單:
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)與上位機通信,通過無線途徑(藍牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng))與B/S管理系統(tǒng)或APP通信,實現(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)費用。整套裝置成本較為低廉,數(shù)據(jù)傳輸有效穩(wěn)定,人機交互界面智能化,實用性強。
參考文獻
[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,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:劉細鳳,女,現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司