基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電動(dòng)車智能充電管理系統(tǒng)

李東輝

摘 要：隨著人們消費(fèi)水平的提高，電動(dòng)車以其環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和便捷的特點(diǎn)深受消費(fèi)者的喜愛，現(xiàn)已開始進(jìn)入到千家萬戶。本系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（RFID技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)等）和嵌入式Linux、Qt、eclipse等開發(fā)工具平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套以達(dá)盛E_Play平臺(tái)為核心的電動(dòng)車智能充電防盜與管理系統(tǒng)。有效實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)電動(dòng)車停車場進(jìn)行統(tǒng)一的智能化管理。本系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性，因而具有極好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：RFID；Qt；Linux；eclipse；智能管理

中圖分類號(hào)：TN915.8 53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

隨著電動(dòng)車技術(shù)的發(fā)展，以及人們消費(fèi)水平的提高，目前電動(dòng)車憑借其環(huán)保、便捷、經(jīng)濟(jì)等特性已經(jīng)逐步取代了自行車這一交通工具，成為人們首選的城市代步工具。大量電動(dòng)車的使用，雖然方便了人們的出行，但還是存在著一系列的問題，對于城市管理來說，基本還是依靠傳統(tǒng)的自行車停車場管理方式對電動(dòng)車規(guī)范停車進(jìn)行管理，這導(dǎo)致了城市到處出現(xiàn)亂停亂放，違規(guī)停車的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了市容。對于車主來說，由于城市配套的電動(dòng)車停車場和充電站建設(shè)還不夠完善，在使用電動(dòng)車的時(shí)候時(shí)常會(huì)遇到充電麻煩，停車麻煩等問題，尤其還要擔(dān)心自己的愛車遭受非法破壞和竊取。本項(xiàng)目針對這一系列問題，提出了一個(gè)完善的電瓶車停車管理解決方案，設(shè)計(jì)了一套以達(dá)盛E_Play平臺(tái)為核心的電動(dòng)車智能充電防盜與管理系統(tǒng)[1]。通過該系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)對城市內(nèi)電動(dòng)車停車場的智能化管理。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框架如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)電動(dòng)車停車場管理系統(tǒng)由一個(gè)控制中心和若干個(gè)充電控制端組成，充電控制端和控制中心通過Can總線通信，充電控制端的個(gè)數(shù)根據(jù)停車場規(guī)模來布置，每一個(gè)停車位布置一個(gè)充電控制器，場內(nèi)攝像頭由控制中心控制其視頻采集工作，攝像頭的個(gè)數(shù)也可以支持多個(gè)，可根據(jù)停車場規(guī)模布置。控制中心采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其中主要包括一個(gè)視頻采集卡設(shè)備和一個(gè)CC2530有源RFID定位標(biāo)簽讀卡器設(shè)備，這兩個(gè)設(shè)備一個(gè)負(fù)責(zé)視頻采集工作，一個(gè)負(fù)責(zé)自動(dòng)標(biāo)簽讀取和對停車場內(nèi)車輛定位和充費(fèi)刷卡，當(dāng)車輛移動(dòng)超出一定范圍時(shí)會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序，用戶可以通過車載標(biāo)簽進(jìn)行自動(dòng)充電計(jì)費(fèi)和繳費(fèi)；充電控制器主要是基于達(dá)盛科技的E_play平臺(tái)開發(fā)的，控制器通過一個(gè)電流監(jiān)控傳感器實(shí)時(shí)采集鏈接電動(dòng)車充電器的電流信息，同時(shí)通過充電控制驅(qū)動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流，充電完成后控制器自動(dòng)計(jì)算電量并反饋到控制中心。同時(shí)控制中心具有網(wǎng)絡(luò)交互功能，每個(gè)控制中心的用戶數(shù)據(jù)保存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器中，所有部署了該系統(tǒng)的停車場內(nèi)的所有用戶信息都可以進(jìn)行共享，用戶可以在任何一個(gè)部署了該系統(tǒng)的停車場內(nèi)進(jìn)行刷卡充電和相關(guān)服務(wù)[2]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框架圖

通過對現(xiàn)有的電動(dòng)車停車場管理需求和實(shí)地調(diào)研分析，本系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示，系統(tǒng)主要由智能充電功能、車輛防盜報(bào)警功能、充電計(jì)費(fèi)管理功能和視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控功能四個(gè)主功能模塊構(gòu)成。其中，智能充電功能主要實(shí)現(xiàn)了對電動(dòng)車的充電控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對其充電進(jìn)行自主調(diào)節(jié)和充電過程中的電量計(jì)算；車輛防盜報(bào)警功能，主要實(shí)現(xiàn)對了對電動(dòng)車的防盜監(jiān)控，當(dāng)電動(dòng)車在未解鎖的狀態(tài)下移動(dòng)后會(huì)發(fā)出報(bào)警信息并通知用戶；充電計(jì)費(fèi)管理功能，主要是實(shí)現(xiàn)了對停車場內(nèi)充電的電動(dòng)車的自動(dòng)計(jì)費(fèi)管理，包括用戶注冊、用戶繳費(fèi)和自動(dòng)扣費(fèi)等；視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了對停車場內(nèi)的車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控[3]。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)功能

2.1 智能充電功能

充電端能夠給電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)智能充電，自動(dòng)檢測電動(dòng)車電量，判斷電動(dòng)車電量狀態(tài)，根據(jù)其狀態(tài)控制其充電電流，并且對其充電過程中所使用的電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并反饋到控制中心，控制中心最終根據(jù)充電用戶的賬戶信息對其進(jìn)行計(jì)費(fèi)管理。

2.2 車輛防盜報(bào)警功能

用戶騎著帶有標(biāo)簽的電動(dòng)車進(jìn)入停車場內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別車輛標(biāo)簽信息，向用戶手機(jī)發(fā)送取車密碼，用戶進(jìn)入停車場停好車將充電電源插上充電端之后，系統(tǒng)通過控制中心反饋過來的信息設(shè)置其在線，如果用戶需要取車，這時(shí)候需要在充電控制端輸入取車密碼才可以安全解鎖取車，如果不輸入控制密碼就取車，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)將異常情況通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)。

2.3 充電計(jì)費(fèi)管理功能

用戶充電過程中系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測用戶所使用的電量并對其注冊的賬戶內(nèi)的消費(fèi)進(jìn)行扣除，達(dá)到自動(dòng)計(jì)費(fèi)管理的目的，同時(shí)用戶還可以通過管理端進(jìn)行繳費(fèi)。

2.4 實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控功能

系統(tǒng)能夠通過視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控停車場內(nèi)信息。

3 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)上主要包括控制中心端的硬件設(shè)計(jì)和充電控制器硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)硬件模塊。

3.1 控制中心端硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制中心端設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制中心主要由電源供電模塊、DM9000以太網(wǎng)模塊、視頻采集卡模塊和CC2530射頻標(biāo)簽讀卡器模塊組成，其中電源模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)的控制器和各個(gè)功能模塊供電，將外部220 V交流電轉(zhuǎn)為系統(tǒng)所需的5 V直流電；DM9000以太網(wǎng)模塊主要為控制中心提供網(wǎng)絡(luò)硬件支持，通過該模塊控制中心能夠接入互聯(lián)網(wǎng)訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫；CC2530射頻標(biāo)簽讀卡器模塊主要實(shí)現(xiàn)對射頻標(biāo)簽的識(shí)別和數(shù)據(jù)讀取。視頻采集卡模塊主要支持視頻采集鏈接攝像頭。由于控制中心采用的控制芯片ARM6410是球面封裝，其PCB自主設(shè)計(jì)費(fèi)用高，沒有專業(yè)的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是很難穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)其電路設(shè)計(jì)的，本系統(tǒng)在這部分的實(shí)現(xiàn)主要是通過購買現(xiàn)成的電路模塊搭建系統(tǒng)而成，在此不給出具體的電路設(shè)計(jì)原理圖。

圖3 控制中心端設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖

充電控制端是采用達(dá)盛科技的E_play控制器作為處理器，其主要實(shí)現(xiàn)了充電的智能控制，當(dāng)用戶進(jìn)入停車場后，系統(tǒng)的有源RFID探測器就能檢測到用戶已經(jīng)進(jìn)入停車場，系統(tǒng)會(huì)通過用戶預(yù)先注冊的手機(jī)號(hào)碼，向其手機(jī)上發(fā)送一個(gè)充電驗(yàn)證碼，屆時(shí)用戶在充電控制端只要輸入這個(gè)驗(yàn)證碼就可以對其電動(dòng)車進(jìn)行充電，驗(yàn)證碼在用戶拔出電動(dòng)車充電線或者充電完成后一個(gè)小時(shí)就會(huì)自動(dòng)失效。一個(gè)小時(shí)內(nèi)用戶依然可以利用該驗(yàn)證碼對其進(jìn)行充電，其系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中主要由E_play控制器、電源模塊、充電控制驅(qū)動(dòng)、ACS172電流傳感器和控制中心接口五個(gè)模塊組成，控制器通過ACS172電流傳感器采集電動(dòng)車充電電流，通過電流大小判斷充電狀態(tài)，從而自動(dòng)調(diào)整充電電流，實(shí)現(xiàn)智能充電的目的。同時(shí)控制器將充電的電量信息返回控制中心，控制中心通過該電量信息對用戶進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

圖4 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 充電控制端智能充電軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

充電端控制軟件是運(yùn)行在達(dá)盛E_play控制處理器上的功能代碼，其主要實(shí)現(xiàn)接受用戶輸入并根據(jù)用戶輸入執(zhí)行正確充電操作的功能，同時(shí)與控制中心進(jìn)行通信交互，將充電控制端采集到的電量信息返回給控制中心，系統(tǒng)上電開始后，程序執(zhí)行ACS172數(shù)據(jù)采集程序獲取充電線路上的電流信息，通過電流大小判斷電動(dòng)車的充電插頭是否插上，如果插上充電頭，則提示用戶輸入充電車主手機(jī)號(hào)碼和密碼，其中手機(jī)號(hào)碼和密碼是用戶進(jìn)入停車場內(nèi)系統(tǒng)通過射頻卡檢測到用戶進(jìn)入的時(shí)候自動(dòng)給用戶分發(fā)的一個(gè)充電密鑰，這個(gè)密鑰通過用戶手機(jī)短信方式發(fā)送給用戶，在用戶輸入手機(jī)號(hào)碼和密碼后，充電控制端將密碼和手機(jī)號(hào)碼返回到控制中心進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證成功充電控制端啟動(dòng)智能充電程序，驗(yàn)證失敗則提示用戶輸入正確的手機(jī)號(hào)和充電密碼，其具體設(shè)計(jì)流程如圖5所示[4]。

圖5 充電控制端智能充電流程設(shè)計(jì)

3.2.2 控制中心軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）充電自動(dòng)計(jì)費(fèi)模塊設(shè)計(jì)

充電計(jì)費(fèi)管理模塊在控制中心主要完成對充電控制端的電瓶車充電的自動(dòng)計(jì)費(fèi)管理功能，其實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示，控制中心上電后即循環(huán)執(zhí)行該程序，等待充電控制端的電量報(bào)文，當(dāng)收到電量報(bào)文后控制中心根據(jù)電量報(bào)文提取出電量信息和用戶信息，并計(jì)算出用戶本次充電所用費(fèi)用，從用戶賬戶中自動(dòng)扣除該費(fèi)用，完成整個(gè)充電過程的自動(dòng)計(jì)費(fèi)[5]。

圖6 充電自動(dòng)計(jì)費(fèi)實(shí)現(xiàn)流程圖

（2） 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)主要是運(yùn)行在管理員的PC上用于充費(fèi)管理、系統(tǒng)在線視頻實(shí)時(shí)監(jiān)測以及用戶信息管理等功能，其主界面如圖7所示[6]，系統(tǒng)管理主要分為信息管理和停車場安全監(jiān)控。

圖7 電動(dòng)車智能停車管理系統(tǒng)界面

用戶信息管理功能設(shè)計(jì)如圖8所示，其中主要包括用戶注冊和用戶充值以及用戶信息查詢預(yù)覽三個(gè)功能模塊，新用戶注冊主要完成系統(tǒng)用戶注冊，用戶充值功能主要實(shí)現(xiàn)了對已有用戶賬戶進(jìn)行充值，用戶信息預(yù)覽主要是實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)所有用戶信息的預(yù)覽顯示，也可以通過輸入查詢條件進(jìn)行查詢顯示[7]。

圖8 用戶信息管理功能設(shè)計(jì)

停車場安全監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖9所示，其中主要包括實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控區(qū)域、采集監(jiān)控設(shè)置和報(bào)警狀態(tài)監(jiān)控三個(gè)模塊，其中，實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域主要負(fù)責(zé)對場內(nèi)視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，既可以進(jìn)行區(qū)域顯示，又可以通過采集監(jiān)控設(shè)置的監(jiān)控顯示控制其每屏顯示的攝像頭個(gè)數(shù)。采集監(jiān)控設(shè)置，主要完成對視頻監(jiān)控的相關(guān)設(shè)置，其中包括視頻監(jiān)控的視頻信息保存路徑、視頻質(zhì)量和保存周期等信息。報(bào)警狀態(tài)監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)對場內(nèi)停車位的車輛在線狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示場內(nèi)停車位上車輛防盜報(bào)警信息。

圖9 停車場安全監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（RFID技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)等）和嵌入式Linux、Qt、eclipse等開發(fā)工具平臺(tái)，設(shè)計(jì)的電動(dòng)車智能充電防盜與管理系統(tǒng)，能夠有效地對整個(gè)電動(dòng)車停車場進(jìn)行統(tǒng)一的智能化管理。通過智能充電控制能夠?qū)﹄娖寇嚨某潆娺^程進(jìn)行智能化的調(diào)整與控制，充電完成后及時(shí)停止充電，并統(tǒng)計(jì)整個(gè)過程所使用的電量；車輛防盜報(bào)警功能，車主在停車完成后可通過手機(jī)對車輛開啟防盜，系統(tǒng)就會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛在線狀態(tài)，當(dāng)車輛非法移動(dòng)一定距離后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息并且通過短信將信息發(fā)送給車主；充電自動(dòng)計(jì)費(fèi)，采用有源RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對停車場內(nèi)電瓶車充電自動(dòng)打卡計(jì)費(fèi)管理；實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控功能，通過該功能能夠?qū)崿F(xiàn)對停車場內(nèi)的視頻監(jiān)控，有效防止一些違規(guī)停車和車場內(nèi)行竊破壞等行為。

參考文獻(xiàn)

[1] Ivar Jacobson，James Rumbaugh，Grady Booch.統(tǒng)一軟件開發(fā)過程[M].周伯生，馮學(xué)民，樊東平，譯，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] Watts S. Humphrey.個(gè)體軟件開發(fā)過程[M].吳超英，車向東，譯.北京：人民郵電出版社，2010.

[3] 何新貴.軟件能力成熟度模型[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[4]（美）施密特，（美）休斯頓.C++網(wǎng)絡(luò)編程[M].葉斌，譯.北京：科學(xué)出版社，2012.

[5] （德）NicolaiM.Josuttis.C++標(biāo)準(zhǔn)程序庫[M].侯捷，孟巖，譯.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[6] 譚浩強(qiáng).Visual Basic程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7] （美）克羅克，（美）奧厄爾.數(shù)據(jù)庫原理[M].趙艷鐸，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2011.