一體式智能充電系統(tǒng)

曾澤良，李斌，李秋梅，周強(qiáng)

（廣西桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林，541004）

0 引言

隨著交通條件和技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)自行車已成為中小城市人們出行的主要代步工具。近年來(lái)，隨著電動(dòng)自行車行業(yè)市場(chǎng)日益增大，電動(dòng)自行車行業(yè)蓬勃發(fā)展，電動(dòng)自行車數(shù)量也在飛速地增加，與此同時(shí)，電動(dòng)自行車的管理問(wèn)題就日益尖銳了，其中的最為突出的三大問(wèn)題即：充電難、易起火、易被盜。因此，對(duì)小區(qū)電動(dòng)自行車進(jìn)行充電、監(jiān)控進(jìn)行自動(dòng)化管理很有必要。市場(chǎng)上現(xiàn)有的絕大多數(shù)針對(duì)電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)的充電設(shè)備大致分兩種：快速充電設(shè)備和可賬號(hào)管理的充電設(shè)備。同時(shí)，絕大多數(shù)充電設(shè)備都只有一種采用按時(shí)計(jì)費(fèi)方式的工作方式，此外在智能化控制和智能安防方面的技術(shù)設(shè)計(jì)都很少。從市場(chǎng)需求和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)性分析，智能充電管理系統(tǒng)的確具有很大的市場(chǎng)前景。

1 充電管理系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

隨著電動(dòng)自行車的發(fā)展，電動(dòng)自行車的充電問(wèn)題也日益尖銳，因此許多廠家均推出了一些電動(dòng)自行車充電設(shè)備，如常見(jiàn)的“便民充電站”、“智能小區(qū)充電站”等。

根據(jù)調(diào)查，常見(jiàn)的電動(dòng)自行車充電設(shè)備按使用方式可分為投幣型充電管理站、刷卡型充電管理站、刷卡/投幣兩用型充電管理站。

投幣型充電管理站：不需要辦卡，不需要電腦管理軟件或相關(guān)管理設(shè)備和配套充電IC卡，通過(guò)使用一元硬幣投幣即可開(kāi)啟充電。適合用于常見(jiàn)公共區(qū)域，如戶外停車場(chǎng)，超市門口，小區(qū)公共停車棚等場(chǎng)所。

刷卡型充電管理站：無(wú)需準(zhǔn)備零錢或硬幣，通過(guò)刷卡即可開(kāi)啟充電。適合用于固定人群區(qū)域，如居民小區(qū)停車處，社區(qū)停車處，小區(qū)停車棚，公司園區(qū)停車棚等場(chǎng)所。

刷卡/投幣兩用型充電管理站：兩種方式互補(bǔ)結(jié)合，可以滿足不同用戶群的充電需求，擴(kuò)大了適用場(chǎng)所范圍[1]。

常見(jiàn)的電動(dòng)自行車充電管理系統(tǒng)功能單一，缺少相關(guān)的配套安全措施如必要的防短路、防過(guò)充過(guò)載、必要的警報(bào)裝置等，是大多數(shù)類似事故發(fā)生的主要原因 ，因而，智能充電管理系統(tǒng)的研究極為重要。

2 智能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由三大部分組成，管理平臺(tái)PC部分、充電樁部分和插座部分。整體框架如圖1所示。

圖1 整體框架示意圖

管理平臺(tái)PC以基于windows下的軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)用戶的賬戶和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并管理充電樁。充電樁用于管理插座并向管理平臺(tái)發(fā)送相關(guān)的信息。插座受充電樁控制，并可用于用戶射頻卡的讀取。

在本設(shè)計(jì)中，管理平臺(tái)軟件主要包括界面部分、執(zhí)行部分、通信部分和數(shù)據(jù)庫(kù)部分。使用VB語(yǔ)言編寫(xiě)軟件，使用其封裝好的控件便于界面的設(shè)計(jì)和布局。在通信上，為便于整體的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)的方式，硬件上通過(guò)交換機(jī)連接，在程序設(shè)計(jì)上采用TCP/IP通信。數(shù)據(jù)庫(kù)部分本設(shè)計(jì)采用Access。

充電樁部分的功能主要由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括與管理平臺(tái)PC的網(wǎng)絡(luò)通信、與插座的通信與控制。在整體設(shè)計(jì)中，多個(gè)充電樁的設(shè)計(jì)是為了便于在小區(qū)范圍內(nèi)不同的樓棟、車棚或片區(qū)內(nèi)進(jìn)行集中的模塊化管理。

插座部分包括單片機(jī)、射頻卡讀寫(xiě)、繼電器控制、功率計(jì)算、防盜用、防過(guò)充等。在與充電樁的通信部分，硬件上從技術(shù)考慮，可以采用的方式很多，包括有線方式、無(wú)線方式等，在本設(shè)計(jì)中采用有線方式。

■2.2 管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

如圖2所示，管理平臺(tái)包括PC、單片機(jī)和射頻卡讀寫(xiě)模塊，PC通過(guò)串口與單片機(jī)通信，單片機(jī)通過(guò)I2C與射頻卡讀寫(xiě)模塊通信。其中單片機(jī)與射頻卡讀寫(xiě)模塊用于管理平臺(tái)進(jìn)行電子賬戶注冊(cè)、注銷、查詢、充值等操作。

圖2 管理平臺(tái)框圖與管理平臺(tái)硬件電路框圖

管理平臺(tái)硬件電路如圖2所示，管理平臺(tái)PC通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL數(shù)據(jù)線連接到電路板上的單片機(jī)，單片機(jī)與射頻卡讀寫(xiě)模塊通過(guò)I2C總線方式連接。電路的供電通過(guò)管理平臺(tái)PC的USB接口實(shí)現(xiàn)，USB接口的5V可直接給232轉(zhuǎn)串口模塊和單片機(jī)供電。射頻卡讀寫(xiě)模塊的工作電壓為3.0V，所以需要通過(guò)穩(wěn)壓電路將USB接口輸出的5V降壓為3.0V。

■2.3 充電樁的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，充電樁連接管理平臺(tái)PC和插座，用于管理插座并向管理平臺(tái)發(fā)送相關(guān)的信息，插座受充電樁控制，并可用于用戶射頻卡的讀取。

充電樁部分的功能主要由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括與管理平臺(tái)PC的網(wǎng)絡(luò)通信、與插座的通信與控制。在整體設(shè)計(jì)中，多個(gè)充電樁的設(shè)計(jì)是為了便于在小區(qū)范圍內(nèi)不同的樓棟、車棚或片區(qū)內(nèi)進(jìn)行集中的模塊化管理。

圖3 充電樁硬件框圖與程序設(shè)計(jì)主流程

充電樁硬件框圖和程序設(shè)計(jì)主流程如圖3所示，以單片機(jī)STM32F103RB為核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊YIXIN_W5500與管理平臺(tái)PC通信，以CAN總線方式通過(guò)NiRen-MCP2515_CAN模塊與插座通信獲取插座的信息并進(jìn)行控制[2]。鍵盤(pán)模塊用于用戶輸入，串口屏用于向用戶顯示信息。語(yǔ)音模塊用于語(yǔ)音播報(bào)和語(yǔ)音提示，在本設(shè)計(jì)中選用BY8001-16P語(yǔ)音模塊。

■2.4 插座的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，插座受充電樁控制，并可用于用戶射頻卡的讀取。插座部分包括單片機(jī)、射頻卡讀寫(xiě)、繼電器控制、功率計(jì)算、防盜用、防過(guò)充等。插座部分硬件框圖如圖4所示，主要模塊包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、蜂鳴器、雙色LED、功率計(jì)、CAN總線模塊、射頻卡讀寫(xiě)模塊。

圖4 插座硬件框圖與程序設(shè)計(jì)主流程圖

插座通過(guò)MF RC500射頻讀寫(xiě)器讀取射頻卡[3]，將卡信息通過(guò)CAN模塊發(fā)送到充電樁，并根據(jù)充電樁返回的指令控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)充電的開(kāi)關(guān)控制。單片機(jī)通過(guò)功率計(jì)記錄充電用電量，并將數(shù)據(jù)發(fā)給充電樁。同時(shí)的，通過(guò)功率計(jì)記錄充電功率，結(jié)合蓄電池充電特性曲線，判斷電池的充電狀態(tài)，以及時(shí)切斷防止電池過(guò)充發(fā)生意外。指示燈與蜂鳴器用于聲光指示。

3 總結(jié)

本文討論了小區(qū)環(huán)境下的電動(dòng)自行車充電管理系統(tǒng)的功能需求，介紹了電動(dòng)自行車充電管理系統(tǒng)的研究意義、市場(chǎng)和技術(shù)調(diào)查情況，依此基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可管理賬戶信息、能同時(shí)控制多個(gè)充電插座的智能充電系統(tǒng)，構(gòu)建出適用于居民小區(qū)、學(xué)校等公共場(chǎng)所的智能化充電系統(tǒng)，為改善電動(dòng)自行車的充電現(xiàn)狀提供解決方案。本設(shè)計(jì)包括三大部分：管理平臺(tái)PC部分、充電樁部分和插座部分。管理平臺(tái)PC以基于windows下的軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)用戶的賬戶和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并管理充電樁。充電樁用于管理插座并向管理平臺(tái)發(fā)送相關(guān)的信息。插座受充電樁控制，并可用于用戶射頻卡的讀取。充電樁部分的功能主要由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括與管理平臺(tái)PC的網(wǎng)絡(luò)通信、與插座的通信與控制。插座部分包括單片機(jī)、射頻卡讀寫(xiě)、繼電器控制、功率計(jì)算、防盜用、防過(guò)充等。