淺談基于WSN監(jiān)控的電動汽車并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：針對傳統(tǒng)使用VIX總線采集電動汽車并行數(shù)據(jù)方法的不足之處，提出依托WSN監(jiān)控的并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。在深入分析電動汽車充電樁傳感器節(jié)點(diǎn)分布狀況基礎(chǔ)上，對電動汽車路面節(jié)點(diǎn)分布定位實(shí)施融合處理，通過WSN監(jiān)控法構(gòu)建并向數(shù)據(jù)信心傳輸信道模型，并借助DSP數(shù)字處理芯片對系統(tǒng)硬件電路展開設(shè)計(jì)。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所用系統(tǒng)采集的并行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較高，能夠?qū)嵤┎杉妱悠囘\(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并實(shí)施融合處理，提升對這類汽車實(shí)際運(yùn)行時的監(jiān)控及管理能力。

關(guān)鍵詞：WSN監(jiān)控；電動汽車；并行數(shù)據(jù)采集；設(shè)計(jì)

引言

隨著能源及環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)需要燃油的汽車引起更多人的擔(dān)憂。因電動汽車展現(xiàn)出環(huán)保、節(jié)能等特征，越來越多國家將目光瞄準(zhǔn)電動汽車，期望通過電動汽車改善環(huán)境污染、降低對于石油的依賴。電動汽車就是以燃料電池為動力電源的一種汽車，所用電池化學(xué)反應(yīng)中不會出現(xiàn)有害產(chǎn)物，且支持采用充電的方法補(bǔ)充能量。從環(huán)境保護(hù)及節(jié)約能源視角分析，電動汽車作為理想狀態(tài)下的車輛，具有良好的應(yīng)用前景。但電動汽車充電問題方面的研究依然不夠成熟，因充電站及充電樁的顯著，如何迅速定位及搜索充電站，成為促進(jìn)電動汽車發(fā)展的重要依據(jù)。通過采集電動汽車運(yùn)行條件下的并行數(shù)據(jù)，迅速定位、搜索電動汽車充電樁及充電站，成為有效解決電動汽車發(fā)展的熱點(diǎn)問題。有學(xué)者研究指出，依托LLC諧振逆變控制的電動汽車處于運(yùn)行條件下采集并行數(shù)據(jù)，并利用AD7656-1AD轉(zhuǎn)換芯片提取節(jié)能控制特征，但這種方法會使得控制環(huán)節(jié)發(fā)生耦合失真的情況，不具有良好的數(shù)據(jù)采集性能。針對以上問題，本研究提出基于WSN監(jiān)控設(shè)計(jì)電動汽車并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。

一、設(shè)計(jì)電動汽車傳感器節(jié)點(diǎn)分布模型

電動汽車實(shí)際行駛過程中，由于受到供電情況等問題的限制，需要對汽車運(yùn)行環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)展開實(shí)時采集。本研究使用WSN傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模型，通過中間件技術(shù)完成對于電動汽車充電站網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，以此合理分布電動汽車傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并利用物聯(lián)網(wǎng)及WSN分布技術(shù)將電動汽車組成相應(yīng)地車載傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，所設(shè)計(jì)的模型如圖1所示。

圖1構(gòu)建電動汽車WSN網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)融合算法及硬件設(shè)計(jì)

1、融合算法分析

基于WSN監(jiān)控對電動汽車并行數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)及采集操作，WSN尾節(jié)點(diǎn)接收后方頭節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時，采用車輛不同節(jié)點(diǎn)之間的交互性評估車載多信道情況，車輛節(jié)點(diǎn)運(yùn)用射頻識別技術(shù)完成數(shù)據(jù)狀態(tài)收發(fā)，并實(shí)施傳輸。獲得相應(yīng)地迭代方程：

其中，R_n表示發(fā)送信標(biāo)信息后需考慮當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)，若在T時間對電動汽車狀態(tài)進(jìn)行檢測，其閥值R_n比R_max小，接收到前方車輛鄰居節(jié)點(diǎn)信道列表之內(nèi)的總線信心，以此加大電動汽車功率消耗，獲取閑置條件下電動汽車功耗是R_n，R_n求解公式為：

明確車輛節(jié)點(diǎn)射頻接口后，采用并行動態(tài)跟蹤法對電動汽車的射頻接口實(shí)施融合處理，并在位置未改變的前提下，獲得其自適應(yīng)迭代步長求解公式：

以上式子中，σ2x1(k)代表第k次迭代信道處于繁忙的狀態(tài)時間，x1(k)表示電動汽車并向數(shù)據(jù)所提取的特征結(jié)果，根據(jù)以上分析，獲得電動汽車并行數(shù)學(xué)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示

圖2電動汽車并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過HPE1433A建立與之對應(yīng)的整流二級管輸入電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，x、y軸方向的陣元間距分別設(shè)置為dx、dy，每一個HPE1433A均有TTL電平外部觸發(fā)輸入，獲取相應(yīng)地觸發(fā)電平功率補(bǔ)償增益：

利用較小方差估算，順利完成對于系統(tǒng)并向采集線圈的死鎖邏輯控制，并測定每一個傳感器陣元，對于所輸出X_i(t)依次加權(quán)ω_i(θ)，依托求方差獲得控制電路輸出的v(t,θ)，即：

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)利用VIX總線采集方式獲取電動汽車并行數(shù)據(jù)，由于電動汽車分布空間和節(jié)點(diǎn)不斷增加，并行總線上容易發(fā)生數(shù)據(jù)擁堵的情況，引起監(jiān)測性能不良[5-8]。為有效克服傳統(tǒng)方式的不足之處，本研究依托WSN監(jiān)控提出電動汽車并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。通過這種方法雕制并行數(shù)據(jù)信息傳輸信道模型，獲得相應(yīng)地?cái)?shù)據(jù)調(diào)制過程，如圖3所示。

圖3調(diào)制并行數(shù)據(jù)信息傳輸信道模型效果

基于此，利用DSP數(shù)字處理芯片對系統(tǒng)硬件電路展開設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的電動汽車并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均運(yùn)用電壓信號合理控制D/A電路，通過DSP數(shù)字信號處理芯片完成系統(tǒng)的主控電路設(shè)計(jì)，AD554芯片所輸出的較大范圍是±15V[9-11]。對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，D/A電路采用AD5545、AD8674，獲得所采集的并行數(shù)據(jù)。

電動汽車充電線路中的磁場分布位置。通過兩個PI控制器完成電流波形整流控制，獲得系統(tǒng)輸出阻抗及諧振角頻率：

此時，WSN監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)定的供電范圍是5~15V，AD5545兩路輸出利用運(yùn)放AD8674展開數(shù)模轉(zhuǎn)換，更好地模擬電源、地間增加10uF電容對系統(tǒng)實(shí)施去耦、濾波處理[13-15]。根據(jù)2.5V電壓基準(zhǔn)，AD5545數(shù)字接口利用電容實(shí)現(xiàn)交流耦合，獲得輸出電壓：

假定V表示耦合電容C的直流偏置，依托對偏差補(bǔ)償進(jìn)行測量，能有效提升數(shù)據(jù)采集可靠性。

三、系統(tǒng)測試與性能分析

系統(tǒng)要把采集的并行數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)中，并對其開展合理的組織，構(gòu)建完整的電動汽車并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用不同傳感器、變換器測量不同的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為電信號。計(jì)算機(jī)依托數(shù)據(jù)采集卡獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并重視保存數(shù)據(jù)，并將結(jié)果表示為便于理解的方法表達(dá)出來，如圖4所示。

圖4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成框圖

四、安科瑞充電樁運(yùn)營管理平臺

1、系統(tǒng)架構(gòu)

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)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(diǎn)和各個充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；和用戶通過微信小程序掃描二維碼，進(jìn)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(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)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(yùn)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(fèi)管理，賬單管理，營收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)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(dǎo)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(fù)荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)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(dāng)變壓器負(fù)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(fù)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(jìn)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(jì)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(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。

2.3實(shí)時監(jiān)控

l  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(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。

l  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(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

l  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(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

l  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(jìn)入這個頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面，如圖所示：

l  主功能頁

初次進(jìn)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(dāng)前所在區(qū)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(dǎo)航等。

l  充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價和預(yù)計(jì)可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)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(jìn)進(jìn)行評價。

l  個人信息

個人信息可以顯示當(dāng)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(diǎn)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

本研究中針對WSN節(jié)點(diǎn)監(jiān)控技術(shù)，提出基于這一監(jiān)控技術(shù)的電動汽車并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在概述系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)分布模型基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹系統(tǒng)融合算法及硬件設(shè)計(jì)。此外，對系統(tǒng)的性能展開測試，研究結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)采集電動汽車并行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，且具有良好的融合處理能力，對于提升電動汽車運(yùn)行狀態(tài)管理能力發(fā)揮著重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]   劉瑩，周喜平.基于WSN監(jiān)控的電動汽車并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào)，2016，32（6）:205-208，218.

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[3]   安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06版

作者簡介：劉細(xì)鳳，女，本科  安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)供配電