淺談校園電動(dòng)自行車充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司  上海  201801

摘 要

針對目前大學(xué)園區(qū)電動(dòng)自行車數(shù)量大量增加，且園區(qū)缺少安全可靠的充電設(shè)備的情況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于公眾平臺的電動(dòng)自行車充電管理系統(tǒng)，能夠很好的解決校園內(nèi)電動(dòng)自行車充電困難的問題，*消除私拉亂接電線的安全隱患。電動(dòng)車充電管理系統(tǒng)分為充電站智能終端、服務(wù)器后臺、客戶端、 網(wǎng)頁管理終端等。充電站智能終端采用 RS-485 總線實(shí)現(xiàn)與智能充電器的通信，實(shí)時(shí)掌握充電狀態(tài)。后臺服務(wù)器采用 MVC 架構(gòu)，給客戶端和網(wǎng)頁版管理后臺提供查詢接口，實(shí)時(shí)監(jiān)測充電狀態(tài)。該管理系 統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了支付功能，可以實(shí)現(xiàn)對充電的按時(shí)按量收費(fèi)。實(shí)踐證明，該充電管理系統(tǒng)能夠很好的解決當(dāng)前校園充電亂象，具有良好的市場前景。

關(guān)鍵詞

電動(dòng)自行車；智能充電器；平臺；管理系統(tǒng)

0引言

近年來，電動(dòng)自行車作為一種高效、便捷、價(jià)格低廉的 交通工具，越來越受到人們的歡迎，尤其是在大學(xué)校園，購買電動(dòng)車也成為一種趨勢。但是大學(xué)園區(qū)宿舍不同于普通居民宿舍，電動(dòng)車充電設(shè)備并不齊全，在大學(xué)宿舍隨意亂拉電線、私接電線給電動(dòng)車充電的現(xiàn)象屢見不鮮。這種現(xiàn)象的長 期存在，具有很大的火災(zāi)隱患。根據(jù)消防部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)， 在所有的火災(zāi)事故中，電動(dòng)車充電造成的事故占 10%，造成了巨大的損失。目前，有關(guān)城市已經(jīng)開始籌建相應(yīng)的電動(dòng)自 行車充電棚以解決電動(dòng)自行車充電困難的問題。大學(xué)校園作 為電動(dòng)自行車新的市場，需要逐步完善充電設(shè)備的建設(shè)。本文意在設(shè)計(jì)一個(gè)電動(dòng)自行車充電管理系統(tǒng)，按照充電時(shí)間以 及充電量進(jìn)行計(jì)費(fèi)，通過客戶端實(shí)現(xiàn)對充電狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，能很好的解決校園電動(dòng)車充電困難的問題。

1電池充電原理

鉛蓄電池充電主要有兩種模式，恒壓式充電和三段式充電。恒壓式充電是指在充電時(shí)在蓄電池的兩極施加恒定的電壓，在充電過程中電壓保持恒定，隨著蓄電池兩端電壓的升高，充電電流逐漸降低，這種充電方式電解水很好，可以防止對電池的過充?，F(xiàn)在市面上一些快速充電方案多采用這種方式。但是恒壓充電在充電初期，由于蓄電池兩端電動(dòng)勢較低，初始充電電流很大，會對電池的壽命產(chǎn)生很大影響，另外容易使蓄電池兩端的極板彎曲，造成電池的報(bào)廢。

恒壓充電的充電電壓、電流曲線如圖 1 所示。

圖 1 恒壓充電電壓電流曲線

三段式充電包括恒流、恒壓、降壓浮動(dòng)充電三個(gè)階段。在恒流階段，充電電流保持恒定，電池電壓逐漸上升，充入電量也快速上升。當(dāng)電池電壓達(dá)到一定閾值時(shí)，充電裝置進(jìn)入恒壓充電階段，此時(shí)充電電壓保持恒定，充電電流逐漸下降。當(dāng)充電電流下降到浮充轉(zhuǎn)換電流后，進(jìn)入浮動(dòng)充電階段， 此時(shí)可認(rèn)為電池已基本充滿。三段式充電方式在充電初期采用恒流充電方式，避免了恒壓充電在充電初期的大電流，能很好的保護(hù)電池。目前，市面上大多數(shù)的電動(dòng)自行車充電模塊多采用三段式充電方式。三段式充電的充電電壓、電流曲線如圖 2 所示。

圖 2 三段式充電電壓電流曲線

2充電模塊硬件設(shè)計(jì)

通過分析恒壓式充電和三段式充電優(yōu)缺點(diǎn)，本文的智能充電模塊采用三段式充電方式。智能充電模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

市電 220V 交流電經(jīng)整流濾波電路變成直流，后經(jīng)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路斬成方波，再經(jīng)過高頻變壓、濾波電路實(shí)現(xiàn)對鉛蓄電池的充電。恒壓控制電路和恒流控制電路通過對電壓、電流的采樣，控制脈寬調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)對開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的控制，使智能充電器對電池的充電工作在恒壓、恒流、浮壓充電模式。

模塊硬件主芯片采用意法半導(dǎo)體公司的 STM32F103C8T6 微控制器。該芯片可工作在 72MHz，具有三級流水線。該芯片具有 64KB 閃存程序存儲器和 20KB 內(nèi)部 SRAM。它帶有3 個(gè)異步 URAT 通信接口，支持全雙工通信，通過在芯片外圍添加MAX485 芯片可以將智能充電器接入 485 總線，實(shí)現(xiàn)和智能控制終端的主從通信。

圖 3 智能充電模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

STM32F103C8 芯片還帶有 2 個(gè) 12 位 16 通道AD 轉(zhuǎn)換模塊， 能夠滿足對充電電壓、電流的采樣要求，不需要采用外接 AD 模塊，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)成本。

微控制器將采集的電壓、電流信息經(jīng) RS485 總線實(shí)時(shí)輸出給控制終端。控制終端根據(jù)電壓、電流信息，分析電池充電狀態(tài)，當(dāng)電池電量充滿時(shí)，控制終端發(fā)送關(guān)閉電源指令， 微控制器終控制固態(tài)繼電器關(guān)閉電源，防止對電池的過沖。

3 通信協(xié)議

本文采用 RS-485 總線通信接口實(shí)現(xiàn)智能充電器與數(shù)據(jù)終端的主從通信。RS485 總線通信標(biāo)準(zhǔn)是美國電子工業(yè)協(xié)會在 RS-422 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上研究出的通信協(xié)議。RS485 采用差分信號邏輯，接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器組合，具有很強(qiáng)的抗干擾性能。RS-485 擁有多站能力，連接多達(dá) 128 個(gè)收發(fā)器，并且具備較遠(yuǎn)的傳輸距離，在通信速率不大于 100kbs 的條件下，有效傳輸距離不小于 1200m。

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議本文采用 Modbus 通信協(xié)議。Modbus 通信協(xié)議是 Modition 公司倡導(dǎo)的一種通信規(guī)約，它采用主從問答方式，是一種標(biāo)準(zhǔn)、開放的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，目前在 RS232 和 RS485 通信過程中，廣泛采用這種協(xié)議。Modbus 通信協(xié)議有兩種傳輸方式，Modbus ASCII 和 Modbus RTU。ASCII 模式中的數(shù)據(jù)采用 ASCII 碼表示，消息中的每 8 位字節(jié)作為兩個(gè) ASCII 發(fā)送，采用 LRC 數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式。RTU 模式中數(shù)據(jù)采用非壓縮 BCD 碼方式，傳輸數(shù)據(jù)中每 8 位字節(jié)分為2 個(gè) 4 位BCD 碼傳輸，相比于ASCII 模式有更高的傳輸密度， RTU 模式采用 CRC 進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn) 。目前市場上大多數(shù)通信儀表多采用Modbus RTU 方式，為保證硬件兼容性，本文采用

RTU 通信模式。圖 4 為 Modbus RTU 方式消息幀格式。

圖 4 Modbus RTU 方式消息幀格式

4 智能充電器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)智能充電器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括 AD 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字濾波模塊、RS-485 通信模塊， 以及充電電源的開合控制。

系統(tǒng)上電后，微控制器讀取各種初始化參數(shù)，并啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換采集電壓、電流數(shù)據(jù) , 并通過 RS485 總線將充電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給控制終端。系統(tǒng)采用中斷方式監(jiān)測控制終端發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對充電電源的開合控制。

本文采用平均濾波算法對采集電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，能有效的濾除隨機(jī)干擾和電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的影響。軟件程序流程圖如圖 5 所示。

圖 5 智能充電器軟件流程圖

5 控制終端

本文的控制終端采用 H290-1900J 工控電腦。該控制器采用 Windows 7 系統(tǒng)，可方便編寫程序?qū)崿F(xiàn)和智能硬件的通信。H290-1900J 帶有 300M 無線網(wǎng)卡，可以實(shí)現(xiàn)和后端服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信。它還帶有串口通信模塊可以掛載RS-485 總線實(shí)現(xiàn)和智能硬件的主從通信。

控制軟件采用 C# 作為編程語言，C# 是微軟推出的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，能十分方便的編寫上位機(jī)控制軟件?？刂贫塑浖譃?4 個(gè)功能模塊：界面模塊、控制模塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊。界面模塊實(shí)現(xiàn)良好的用戶界面，方便管理員進(jìn)行信息輸入以及相關(guān)參數(shù)的查看。串口通信模塊通過RS-485 總線實(shí)現(xiàn)和總線上各個(gè)子模塊的通信，并實(shí)現(xiàn)對從設(shè)備的控制。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用http 通信方式，調(diào)用后端服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信接口，實(shí)時(shí)傳送充電狀態(tài)參數(shù)并實(shí)現(xiàn)命令的收發(fā)。

6服務(wù)器設(shè)計(jì)

當(dāng)前，應(yīng)用已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪?的手機(jī)應(yīng)用，用戶量龐大。2012 年，騰訊公司推出公眾平臺， 宣傳口號是“再小的個(gè)體，也有自己的品牌”。公眾平臺可以大限度的幫助、媒體、企業(yè)、組織和個(gè)人進(jìn)行品牌推廣，減少運(yùn)營成本。另外公眾平臺的開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用較之傳統(tǒng)的手機(jī)應(yīng)用有很大的優(yōu)勢，極大的降低了前期開發(fā)成本。

公眾賬號分為訂閱號和服務(wù)號兩種類型，它們在功能和用途上有比較大的不同，訂閱號主要是面向媒體和個(gè)人， 方便為用戶提供資訊和信息；服務(wù)號主要是面向企業(yè)和組織， 為用戶提供管理和業(yè)務(wù)服務(wù)。本文申請功能更加豐富的服務(wù)號進(jìn)行公眾平臺的開發(fā)。

公眾號可以設(shè)置自定義菜單，使公眾號成為一個(gè)輕量級的應(yīng)用。自定義菜單提升了公眾賬號的交互屬性，用戶點(diǎn)擊自定義菜單就可以獲取相應(yīng)的內(nèi)容。另外對于 view 類型的菜單按鈕，客戶端會打開開發(fā)者在按鈕中填寫的URL，通過內(nèi)置的瀏覽器與web app 進(jìn)行交互，方便用戶快速進(jìn)入網(wǎng)頁應(yīng)用。圖 6 為公眾平臺與開發(fā)者服務(wù)器信息交互流程圖。

本文基于公眾平臺開發(fā)了電動(dòng)車智能充電系統(tǒng)客戶端。用戶通過該客戶端可以查看系統(tǒng)中充電設(shè)備的狀態(tài)， 并選擇空閑設(shè)備進(jìn)行充電。另外，借助平臺提供的支付功能，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在線按時(shí)付費(fèi)，較之傳統(tǒng)的投幣式和刷卡式付費(fèi)方式，本設(shè)計(jì)極大的降低了硬件設(shè)計(jì)的成本和設(shè)計(jì)難度，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

為方便管理者對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，本文還實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁版管理后臺。網(wǎng)頁版管理后臺采用前后端分離方式， 后端和公眾平臺共用一個(gè) JAVA 服務(wù)器。服務(wù)器采用SpringMVC 框架。SpingMVC 是近幾年發(fā)展起來的一個(gè) MVC 框架，很好的體現(xiàn)了分層的思想，即模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller）。MVC 模式使軟件很好的分層，使程序更加容易維護(hù)。MVC 模式各部分都有各自的作用，模型層控制數(shù)據(jù)的存儲以及軟件的業(yè)務(wù)邏輯。視圖層用來提供用戶界面?？刂破魇悄Ｐ蛯雍鸵晥D層的橋梁，用來控制數(shù)據(jù)在視圖層的流動(dòng)。圖 7 是服務(wù)器后臺架構(gòu)圖。

前端采用 AngularJs 框架構(gòu)建業(yè)務(wù)邏輯。AngularJs 是一個(gè)前端 MVVM 框架，借助它并與其它 Web 技術(shù)，如HTML、CSS、JavaScript 等配合使用，能夠使 web 應(yīng)用開發(fā)比以往更加簡單，便捷。借助 AngularJs 雙向數(shù)據(jù)綁定以及依賴注入的特性，極大的降低了構(gòu)建前端應(yīng)用的難度。網(wǎng)頁版管理后臺主要實(shí)現(xiàn)了用戶管理、充電數(shù)據(jù)管理，充電狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)推送等功能。另外管理后臺還對充電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成充電狀態(tài)曲線，便于管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)充電異常情況。圖 8 是系統(tǒng)管理后臺界面圖。

7. 安科瑞電動(dòng)自行車充電樁平臺介紹（含選型）

7.1 平臺結(jié)構(gòu)

7.2平臺主要功能

7.3設(shè)備選型：

 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。

7.4功能描述：

① 電瓶車智能充電樁大可外接 10 路插座，每個(gè)插座只支持一臺電瓶車通過車配充電器充電。

② 電瓶車智能充電樁可支持刷卡、掃碼兩種付費(fèi)充電模式，具體設(shè)備支付功能以訂貨要求為準(zhǔn)。掃

碼充電功能需與云平臺聯(lián)網(wǎng)后使用。

③ 電瓶車智能充電樁具備語音播報(bào)功能。

④ 電瓶車智能充電樁可以按時(shí)間或電量充電。

⑤ 功率識別，電瓶車智能充電樁具備檢測大功率負(fù)載功能，可以設(shè)定功率報(bào)警值，達(dá)到報(bào)警值時(shí)會

斷開對應(yīng)充電回路，防止用戶私接插線板給多臺電瓶車充電或大功率設(shè)備進(jìn)行充電。出廠默認(rèn)設(shè)

定 300W。

⑥ 電瓶車智能充電樁支持多次刷卡或掃碼后，再按鍵充電的功能，充電時(shí)間將自動(dòng)累加。出廠默認(rèn)

設(shè)定 1 次，即刷卡或掃碼 1 次按鍵后，才能再次刷卡或掃碼。

⑦ 電瓶車智能充電樁可開啟免費(fèi)充電功能

⑧ 故障回路識別，電瓶車智能充電樁可判斷繼電器故障或計(jì)量故障導(dǎo)致的故障回路，顯示該回路故

障信息，斷開回路。

⑨ 斷電記憶，當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)停電時(shí)，來電恢復(fù)后可繼續(xù)使用剩余的時(shí)間充電。

⑩ 空載保護(hù)，用戶拔掉充電器或充電器插頭未插緊，若還有剩余時(shí)間或電量，則會發(fā)出報(bào)警，同時(shí)

在已設(shè)定的一定時(shí)間內(nèi)關(guān)閉該回路供電。

? 充滿自停，電瓶車充滿電量后，若還有剩余時(shí)間或電量，則會發(fā)出報(bào)警，同時(shí)在已設(shè)定的一定時(shí)

間內(nèi)關(guān)閉該回路供電。

? 短路保護(hù)，電瓶車智能充電樁每個(gè)出線回路均設(shè)置有熔斷器保護(hù)，在發(fā)生短路意外時(shí)，會使熔斷

器熔斷。

? 箱內(nèi)過溫保護(hù)，也可根據(jù)需求設(shè)置夜間禁止充電時(shí)間。

8結(jié)束語： 

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于云平臺的電動(dòng)車智能管理系統(tǒng)。通過 RS-485 接口總線將智能設(shè)備與智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過與后臺服務(wù)器的通信將各個(gè)充電器節(jié)點(diǎn)接入公有云，實(shí)現(xiàn)智能硬件的聯(lián)網(wǎng)化。借助公眾平臺實(shí)現(xiàn)對充電狀態(tài)的監(jiān)控，用戶可以隨時(shí)查看充電狀態(tài)。服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測充電電壓和電流，當(dāng)充電負(fù)荷超過設(shè)定閾值時(shí)，可以及時(shí)關(guān)閉充電設(shè)備，防止危險(xiǎn)情況的發(fā)生，另外對電流參數(shù)的監(jiān)測可以及時(shí)關(guān)閉電源，防止過沖，延長電池使用壽命。實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，可解決校園內(nèi)電動(dòng)車充電困難的問題，并可將該設(shè)計(jì)向居民區(qū)擴(kuò)展，具有良好的商業(yè)推廣價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊. 2019.11版

[2]  陸燦楠 葉 樺 仰燕蘭 闕宇翔校園電動(dòng)自行車充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

[3]  張保增 , 李鵬 , 潘澤陽 , 等 ，一種電動(dòng)自行車充電樁的設(shè)計(jì) [J]. 微型機(jī)與應(yīng)用 , 2015, 34(6): 29-31