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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

更新時(shí)間:2020-06-19 點(diǎn)擊次數(shù): 1261次

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司  上海  201801

摘 要

針對(duì)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)缺少可靠的充電設(shè)備的情況,本文設(shè)計(jì)了個(gè)基于wei信公眾平臺(tái)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,*私拉亂接電線的隱患。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(tái)、wei信客戶端、 網(wǎng)頁(yè)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(tái)服務(wù)器采用 MVC 架構(gòu),給wei信客戶端和網(wǎng)頁(yè)版管理后臺(tái)提供查詢接口,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電狀態(tài)。該管理系 統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了wei信支付功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞

電動(dòng)自行車;智能充電器;wei信平臺(tái);管理系統(tǒng)

 

0引言

近年來,電動(dòng)自行車作為種高效、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(gòu)買電動(dòng)車也成為種趨勢(shì)。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(zhǎng) 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(chǎng),需要逐步完善充電設(shè)備的建設(shè)。本文意在設(shè)計(jì)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wei信客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)充電狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),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(duì)電池的過充。現(xiàn)在市面上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(shì)較低,初始充電電流很大,會(huì)對(duì)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yongjiu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(duì)鉛蓄電池的充電。恒壓控制電路和恒流控制電路通過對(duì)電壓、電流的采樣,控制脈寬調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的控制,使智能充電器對(duì)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zui高可工作在 72MHz,具有三級(jí)流水線。該芯片具有 64KB 閃存程序存儲(chǔ)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(duì)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??刂平K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zui終控制固態(tài)繼電器關(guān)閉電源,防止對(duì)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)是美電子工業(yè)協(xié)會(huì)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(hào)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zui先倡導(dǎo)的種通信規(guī)約,它采用主從問答方式,是種標(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(chǎng)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(cè)控制終端發(fā)送的控制數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電源的開合控制。

本文采用平均濾波算法對(duì)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(yǔ)言,C# 是微軟推出的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言,能十分方便的編寫上位機(jī)控制軟件。控制端軟件分為 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(duì)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,wei信應(yīng)用已經(jīng)成為人們?nèi)粘I钪?的shouji應(yīng)用,用戶量龐大。2012 年,tengxun公司推出wei信公眾平臺(tái), 宣傳口號(hào)是“再小的個(gè)體,也有自己的品牌”。wei信公眾平臺(tái)可以zui大限度的幫助zhengfu、媒體、企業(yè)、組織和個(gè)人進(jìn)行品牌推廣,減少運(yùn)營(yíng)成本。另外wei信公眾平臺(tái)的開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用較之傳統(tǒng)的shouji應(yīng)用有很大的勢(shì),極大的降低了前期開發(fā)成本。

wei信公眾賬號(hào)分為訂閱號(hào)和服務(wù)號(hào)兩種類型,它們?cè)诠δ芎陀猛旧嫌斜容^大的不同,訂閱號(hào)主要是面向媒體和個(gè)人, 方便為用戶提供zixun和信息;服務(wù)號(hào)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(qǐng)功能更加豐富的服務(wù)號(hào)進(jìn)行wei信公眾平臺(tái)的開發(fā)。

wei信公眾號(hào)可以設(shè)置自定義菜單,使公眾號(hào)成為個(gè)輕量級(jí)的應(yīng)用。自定義菜單提升了公眾賬號(hào)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(duì)于 view 類型的菜單按鈕,wei信客戶端會(huì)打開開發(fā)者在按鈕中填寫的URL,通過wei信內(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(yè)應(yīng)用。圖 6 為wei信公眾平臺(tái)與開發(fā)者服務(wù)器信息交互流程圖。

 

 

本文基于wei信公眾平臺(tái)開發(fā)了電動(dòng)車智能充電系統(tǒng)wei信客戶端。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wei信平臺(tái)提供的wei信支付功能,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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理,本文還實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁(yè)版管理后臺(tái)。網(wǎng)頁(yè)版管理后臺(tái)采用前后端分離方式, 后端和wei信公眾平臺(tái)共用個(gè) JAVA 服務(wù)器。服務(wù)器采用SpringMVC 框架。SpingMVC 是zui近幾年發(fā)展起來的個(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(chǔ)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(tái)架構(gòu)圖。

 

 

前端采用 AngularJs 框架構(gòu)建業(yè)務(wù)邏輯。AngularJs 是個(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(jiǎn)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(yè)版管理后臺(tái)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(cè)和數(shù)據(jù)推送等功能。另外管理后臺(tái)還對(duì)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(tái)界面圖。

 

7. 安科瑞電動(dòng)自行車充電樁平臺(tái)介紹(含選型)

7.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

 

7.2平臺(tái)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(tái)通過掃碼充電。

 

 

7.4功能描述:

① 電瓶車智能充電樁zui大可外接 10 路插座,每個(gè)插座只支持臺(tái)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(tái)聯(lián)網(wǎng)后使用。

③ 電瓶車智能充電樁具備語(yǔ)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(shí)別,電瓶車智能充電樁具備檢測(cè)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(huì)

斷開對(duì)應(yīng)充電回路,防止用戶私接插線板給多臺(tái)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(shí)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(huì)發(fā)出報(bào)警,同時(shí)

在已設(shè)定的定時(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(huì)發(fā)出報(bào)警,同時(shí)在已設(shè)定的定時(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(huì)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(yǔ): 

本文實(shí)現(xiàn)了種基于云平臺(tái)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(tái)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wei信公眾平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)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(duì)電流參數(shù)的監(jiān)測(cè)可以及時(shí)關(guān)閉電源,防止過沖,延長(zhǎng)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(cè). 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(yáng) , 等 ,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

 

 

 

 作者簡(jiǎn)介:劉細(xì)鳳,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

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