一種新型電動汽車充電樁控制系統(tǒng)設計與應用

楊濤+程耕國+程驊+王海濤

摘 要： 針對充電樁推廣過程中通信方式不兼容問題，基于手機強大的通信網絡和藍牙近距離通信的特點，設計一種新型電動汽車充電樁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以手機作為數(shù)據(jù)中轉站，通過藍牙和充電機控制電路建立連接；使用APP客服端完成充電業(yè)務并上傳實時數(shù)據(jù)至云服務器；運用混合加密技術保證藍牙通信安全。APP客服端在云服務器的配合下可實現(xiàn)充電樁搜尋、智能充電、移動支付等功能。通過測試，系統(tǒng)在多種復雜環(huán)境下正常工作，用戶體驗良好，適合廣泛推廣使用。

關鍵詞： 充電樁； 藍牙； APP客服端； 混合加密

中圖分類號： TN876?34； TM910.6 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）15?0179?04

Abstract： Since the communication mode of charging pile is incompatible in promotion process， a new charging pile control system for electric vehicle was designed， which is based on the characteristics of powerful mobile communication network and Bluetooth short?distance communication. The mobile phone is taken as the data transfer station in the system， and connected through Bluetooth and charger control circuit. The APP customer service?side is used to charge the electric vehicle， and transfer the real?time data to the cloud server. The hybrid encryption technology is adopted to ensure the security of Bluetooth communication. The functions of charging pile search， intelligent charging， mobile payment are realized by means of the coordination of APP customer service?side and cloud server. The test results show that the system can work normally in the multiple complex environments， has perfect user experience， and is suitable to promote and use widely.

Keywords： charging pile； Bluetooth； APP customer service?side； mixed encryption

0 引 言

近年來國家對新能源產業(yè)的大力推廣促進了電動汽車的快速發(fā)展[1]，但與之配套的充電樁建設進度緩慢，目前充電樁與新能源汽車的比例只有0.41左右，距離國務院辦公廳印發(fā)的關于加快充電基礎設施建設規(guī)劃中到2020年的充電樁與新能源汽車的比例11仍有很大發(fā)展空間[2]，預計未來幾年充電樁建設將進入井噴式發(fā)展狀態(tài)。當前國內充電樁的發(fā)展在幾個龍頭企業(yè)的帶領下運行模式也趨于成熟，淺析目前成熟的充電樁運行模式，數(shù)據(jù)通信主要通過有線網絡、GPRS、WiFi加數(shù)據(jù)中轉站方式和運營商服務器、銀行支付平臺進行數(shù)據(jù)對接[3?4]，賬單支付多采用預充的射頻卡、銀聯(lián)刷卡方式完成[5]，上述幾種運營方式在面向小區(qū)、地下停車場、偏遠地區(qū)等復雜環(huán)境下推廣存在數(shù)據(jù)通信不兼容、通信設備成本高、用戶體驗不佳等問題。

針對上述問題，本文設計了一種基于藍牙通信的新型充電樁控制系統(tǒng)，簡化數(shù)據(jù)通信方式，通過藍牙和手機自有的通信網絡建立充電樁、APP客戶端、云服務器之間的數(shù)據(jù)通信，智能APP完成充電支付功能，為充電樁大規(guī)模推廣提供一種新思路。

1 系統(tǒng)總體框架

充電樁控制系統(tǒng)由控制電路、APP客服端、云服務器組成，充電樁控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

控制電路是用戶和充電機之間的橋梁，根據(jù)APP客服端發(fā)送指令對充電機發(fā)出相應的充電操作，實時監(jiān)測充電機輸入輸出狀態(tài)信息，上傳至APP。

APP客服端是系統(tǒng)具有用戶注冊、用戶身份信息驗證、充電操作、狀態(tài)信息顯示、消費記錄查詢、故障信息整理上傳等功能。

云服務器負責數(shù)據(jù)接收、處理、保存、發(fā)布等功能，為用戶和運營商提供業(yè)務請求。

系統(tǒng)網絡通信架構如圖2所示。手機和充電樁硬件電路采用藍牙通信；APP客戶端基于手機的3G，4G，WiFi網絡和服務器建立數(shù)據(jù)連接；移動終端和電腦通過自帶WiFi、光纖、移動網絡和云服務器后臺連接。

為了保證藍牙通信數(shù)據(jù)安全，用戶需要通過APP客服端掃描充電樁上面的二維碼標識或者手動輸入充電樁設備號，APP客服端從服務器獲取藍牙秘匙和充電樁建立藍牙連接。數(shù)據(jù)通信中采用一種基于RC4和RSA的混合加密算法[6]，數(shù)據(jù)加密解密過程如圖3所示。利用RC4在數(shù)據(jù)加密的高效率和RSA在秘匙管理上的優(yōu)勢，首先使用RC4對數(shù)據(jù)進行加密處理，然后再對RC4秘匙進行RSA加密組成一包完整的數(shù)據(jù)進行通信。接收端接收數(shù)據(jù)，通過RSA進行解密還原RC4秘匙，進而對數(shù)據(jù)原文進行解密還原。藍牙通信采用的是自主研發(fā)的UOE通信協(xié)議，多重數(shù)據(jù)校驗確保數(shù)據(jù)完整無誤。

2 充電樁控制系統(tǒng)設計

2.1 控制電路

控制電路設計分為硬件電路設計和軟件設計兩個部分。

2.1.1 硬件電路設計

硬件電路主要由控制器、充電機控制接口、藍牙模塊、E2PROM等部分組成，硬件電路結構如圖4所示。為了增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制器和充電機接口通過CAN總線通信，采用外接TJA1050型號收發(fā)器；串口藍牙模塊和主控MCU串口2直接相連；E2PROM通過I2C和控制器I/O口通信。

控制器采用意法半導體STM32F407ZET6處理器，功能強大，擁有串口IAP功能，可通過APP客服端實現(xiàn)固件升級。充電機控制接口為充電機和控制器信息交換窗口，接收控制器控制指令返回充電狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)傳輸采用J1939通信協(xié)議[7]，根據(jù)任務需求和透傳數(shù)據(jù)類型定義4種報文，分別為控制器向充電機發(fā)送握手報文、控制器回送握手報文、充電機向控制器發(fā)送充電機輸出電壓電流大小和蓄電池電壓信息報文、充電機向控制器發(fā)送充電機溫度剩余充電時間和已充電量報文。藍牙模塊采用NRF51822低功耗藍牙，藍牙4.0協(xié)議棧，串口AT指令操作，穩(wěn)定可靠[8]。E2PROM用來保存充電樁運行狀態(tài)過程的用戶信息、充電樁輸出狀態(tài)信息、故障日志等，掉電不易失的特點保證系統(tǒng)有良好的容錯能力。

2.1.2 軟件設計

為提高開發(fā)效率，控制電路搭載μC/OS?Ⅱ V 2.91軟件平臺[9]。根據(jù)控制電路功能需求設計5個控制任務并分配不同的優(yōu)先級，任務之間通過郵箱傳遞數(shù)據(jù)，系統(tǒng)任務優(yōu)先級規(guī)劃如表1所示。優(yōu)先級高（數(shù)值小）代表任務有較高CPU使用權，向充電機發(fā)送充電控制任務負責發(fā)送開啟充電和停止充電指令，享有最高優(yōu)先級，確保出現(xiàn)異常故障即刻停止充電。

充電樁硬件控制電路接收APP客服端發(fā)送的指令開啟充電，充電模式分為自動充（充滿為止）、定量充、定時充3種，定時充是由用戶設定充電時長，定時充程序流程圖如圖5所示。用戶選擇定時充電，等待充電槍連接后鎖定充電槍開啟充電，實時判斷充電時間是否結束、電池是否充滿、是否收到結束充電指令，任一條件滿足結束充電，等待用戶支付，解鎖充電槍完成此次充電。充電過程將充電樁輸出狀態(tài)信息通過藍牙模塊發(fā)送至APP客服端，充電過程出現(xiàn)異常立即結束充電，并將故障信息寫入E2PROM，等待藍牙連通上傳至服務器。

2.2 APP客服端

APP客服端作為用戶、控制電路、服務器三者的信息處理平臺，在系統(tǒng)中起著至關重要的作用，客服端采用C/S結構體系，按照人機界面、業(yè)務邏輯、功能應用三層結構設計[10]。APP客服端主要負責用戶管理、人機交互、充電樁搜索、智能預約排隊充電、充電模式選擇、故障日志上傳、社區(qū)互動、賬單支付等功能。為滿足用戶需求分別設計了支持Android和IOS版本的客服端。

（1） 用戶管理。用戶通過手機號碼完成注冊，APP客服端通過手機號作為用戶ID完成信息管理。

（2） 人機交互。通過交互界面可完成信息查詢，指令下達，充電機狀態(tài)信息顯示。

（3） 充電樁搜索。服務器數(shù)據(jù)庫錄入充電樁的坐標信息和惟一標識碼，APP客服端調用百度地圖獲取附近充電樁位置和空閑狀態(tài)。

（4） 智能預約排隊充電。可提前預約充電場地和充電時間，當前無空閑充電樁可用也可使用智能排隊充電，將備用充電槍和電動汽車相連，等待充電機空閑自動完成充電任務。

（5） 充電樁模式選擇。充電樁支持定時充、定量充、自動充三種充電模式。

（6） 故障日志上傳。充電過程出現(xiàn)故障，APP客服端會將錯誤信息上傳給服務器，供運營商排除故障。

（7） 社區(qū)互動。針對每一個充電場地設置互動社區(qū)，用戶可留言討論，方便其他用戶的同時反饋用戶意見，方便運營商改進服務質量。

（8） 賬單支付。充電完成，APP客服端可使用支付寶、微信、銀聯(lián)等方式完成支付。

2.3 云服務器

簡單的通信方式意味著云服務后臺有著強大的數(shù)據(jù)處理、加工能力，云服務器主要由超級計算機、大型信息存儲單元、網絡通信設備、平臺軟件等部分組成。為滿足用戶全方位需求和運營商復雜的增值業(yè)務，云服務器具有高可靠性、廣泛適用性、可擴展性[11]等特點。云平臺開發(fā)主要圍繞數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享三個方向展開。

（1） 數(shù)據(jù)處理。針對充電樁充電環(huán)節(jié)中多級客戶需求，利用云技術和計算機數(shù)據(jù)加工存儲功能完成來自終端的海量終端設備和后臺管理員的數(shù)據(jù)處理。為滿足大量客戶集中訪問，避免高并發(fā)現(xiàn)象，使用高性能的服務器、數(shù)據(jù)庫以及負載均衡技術緩解服務器壓力。

（2） 數(shù)據(jù)分析。云服務器通過對海量充電信息進行深度挖掘，運用相應的數(shù)據(jù)挖掘算法和數(shù)據(jù)分析方式深度解析充電時間和地點等數(shù)據(jù)，為電網用戶、運營商、電力公司提供一個標準、高效、快捷的數(shù)據(jù)后臺接口。

（3） 數(shù)據(jù)共享。針對數(shù)據(jù)處理過程中的數(shù)據(jù)共享、交換難題，設計一種數(shù)據(jù)共享交換平臺。數(shù)據(jù)共享平臺建設遵循標準化、規(guī)范化、開放性、全面集成原則，對多級用戶需求采用分層設計，制定規(guī)范數(shù)據(jù)接口，確保數(shù)據(jù)互用，多級子系統(tǒng)差異數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合處理。

3 應用實例

系統(tǒng)委托深圳天瑞科技有限公司進行測試，目前已經通過測試開始面向湖北部分地區(qū)推廣使用。通過對大型地下停車場、小區(qū)、偏遠村莊等多個復雜環(huán)境進行現(xiàn)場實測，數(shù)據(jù)均符合要求。APP功能展示如圖6所示，用戶在客戶端首頁可獲取附近充電樁地址、空閑狀態(tài)、資費等信息，用戶根據(jù)需求預約相應的快充和慢充地點，配合地圖導航到達目的地選擇相應的充電模式開啟充電，充電過程中可實時獲取當前充入電量、剩余充電時間等狀態(tài)信息，充電中途用戶離開充電樁，系統(tǒng)也可根據(jù)預先設定模式完成充電操作，現(xiàn)場實測快充模式下1 h可完成80%的電量，充電結束，用戶可選擇使用支付寶、微信完成支付。

4 結 論

系統(tǒng)基于藍牙通信優(yōu)勢和手機強大的通信網絡，結合APP客服端和云服務器設計一種適合廣泛推廣的新型充電樁控制系統(tǒng)。解決傳統(tǒng)充電樁控制系統(tǒng)中充電機、客戶端、服務器之間數(shù)據(jù)通信復雜，面向多種環(huán)境通信不兼容的問題，簡化數(shù)據(jù)鏈路，降低設備成本，通過APP客服端即可完成預約充電、地圖導航、移動支付等功能，方便快捷，結合云服務后臺為用戶的個性化需求、運行商推廣、電網用電分析提供有力支持。

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