電動汽車充電樁遠程監控系統的設計方案

夏夢

摘要：針對現如今電動汽車充電站管理模式差，有人值守，運營成本高等問題，提出了一種電動汽車充電站（充電樁）遠程監控系統并進行了方案設計及系統選型。主要完成以下工作：對國內外電動汽車充電樁遠程監控系統的發展現狀進行概述并確定總體設計方案。同時探討底層硬件設備、嵌入式操作系統和無線通信方案的選型。采用 Tiny4412 開發板移植 Android 操作系統，實現站內監控子系統數據采集上傳和設備指令下發的功能;借助 Zig Bee 無線通信組網靈活的優點，實現對充電站內設備的無線數據采集;通過 SIM5320E 3G 模塊完成數據的網絡轉發工作。

關鍵詞：遠程監控;電動汽車;ZigBee

1引言

隨著電動汽車在我國推廣普及，電動汽車充電設備作為電動汽車產業鏈上的重要組成部分，也隨之快速發展。但是隨著充電樁個數的增加，如何實現對充電樁進行統一的遠程管理對推進我國新能源汽車充電站的發展具有重要意義。同時，如今的電動汽車充電樁的內部結構設計越趨合理，功能越趨完善，智能化程度也越來越高。但由于各種因素的影響，充電樁投放后出現各種軟故障，導致其慢慢降低或失去預定的功能，直至完全停止工作。因此，如何保障電動汽車充電樁的高效運行，也是電動汽車行業面臨的一個十分迫切的技術問題。目前國內外電動汽車充電樁遠程監控的研究存在以下問題：沒有一個功能完善的監控系統在市面出現。現如今國內大部分充電站監控系統僅僅針對于太陽能充電站等大型充電站，沒有針對小型的汽車充電樁。

2總體設計方案

電動汽車充電樁遠程監控系統主要分為遠程監測終端、服務器、客戶端三部分。

2.1遠程監測終端的設計

遠程監測終端由充電樁采集與控制單元、儲電監測單元、Zig Bee無線網絡和4G通信模塊組成。充電樁采集與控制單元負責實時采集充電電路的電氣數據，同時可對開關設備進行控制，例如溫控設備、電子鎖設備等;儲電監測單元實現對儲電管理系統的電氣數據和環境數據的采集，采集的內容主要包括電池電壓、電流、溫度、運行狀態碼、剩余電量等數據;Zig Bee無線網絡負責上傳采集到的數據和下發控制指令;數據傳輸單元完成和充電站遠程監控中心數據交換的功能。

2.2服務器端的設計

服務器端主要是由數據庫以及相關應用程序組成。其中MySql數據庫主要的工作內容是對充電站運行時上傳的數據進行過濾后，以特定的格式存儲在數據庫中。為了便于管理，數據庫按照關系模型劃分為多個子表，以提高數據庫的查詢效率。網絡消息管理應用程序運行在服務器端，它完成的功能主要有2個：第一個功能是網絡保持與數據寫入功能，建立和保持與充電站數據傳輸單元的網絡連接，并完成將上傳的數據寫入數據庫的操作;第二個功能是消息處理功能，處理上傳的消息與指令的下發。

2.3 Web后臺管理平臺與Android客戶端設計

Web后臺管理平臺是面向管理人員開發的一套管理系統，便于管理人員通過Web瀏覽器實現對充電站的實時在線管理。其功能模塊主要有：登錄驗證、用戶管理、充電樁部署管理、充電樁在線監控。Android客戶端是面向充電樁使用者的客戶端系統，為用戶提供便捷的在線服務。該客戶端的主要功能有：用戶登錄、在線查找充電樁、在線預約。

3系統選型

3.1底層設備主控制器的選擇。

三星公司研發的Cortex-A9處理器，是一款基于ARMv7架構的應用處理器，有豐富的驅動支持，十分適合嵌入式設備的開發。

因此，在本次設計中選ARM Cortex-A9 作為充電樁采集與控制單元的主控芯片。同時，為了加快開發進度，減少硬件開支，本次系統設計是Tiny4412 SDK1312 ARM開發板上開發所有的軟件，待調試穩定后，再設計和定制生產系統所需的硬件。

此外，本文選用STM32系列F103RBT6單片機作為電壓電流采樣模塊的核心控制器。這是一款增強型ARM系列單片機，采用低功32位Cortex-M3內核，時鐘頻率為72MHz，內置高速存儲器，具有豐富的外設可存儲大量數據，滿足電壓電流采樣模塊的硬件設計需求。

3.2嵌入式操作系統的選擇

當系統越來越大、應用程序越來越多時，選擇合適的操作系統將顯得尤為重要。操作系統的作用有：對系統資源的統一管理，為用戶提供訪問硬件的接口，調度多個應用程序，管理文件系統等。相比其他移動終端操作系統Android 操作系統是一種真正開源的移動開發平臺，規范的文檔與活躍的社群使得開發人員能在該平臺上快速構建所需要的應用程序。值得一提的是，Android操作系統由擁有強大的運營維護團體Google公司進行維護，其版本更新及時，擁有簡潔易懂的開發API。因此，我們選擇Android操作系統作為充電樁采集與控制單元的軟件開發平臺。

3.3無線通信方案選擇

通信方式按照傳輸媒介大體可以分為有線通信和無線通信。根據課題應用背景，確定本文采用無線通信方式。無線通信方式主要包括無線局域網和無線廣域網兩種。目前，短距離無線局域網技術主要包括Bluetooth，Wi-Fi，ZigBee等。

對比得知，ZigBee在近距離無線通信技術中屬于最優，它普遍應用在智能辦公、智能家居、自動化車間、醫學儀器等產業。具備很高的自組網能力，功耗極低和待機周期較長，并具有穩定可靠且價格低廉的優點，很符合數據量少的采集或者控制設備需求。所以，本系統中采用Zig Bee無線通信技術作為充電站內的無線通信方案。

隨著移動通信技術的升級換代，3G（Third Generation）通信技術迅速展，它繼承了2.5G通信的優點，并且數據傳輸速率相比2.5G有了大幅提升，高速移動下最高可達384Kbps、室內速率最高可達2Mbps，支持視頻、流媒體等應用，很適合本設計中的遠距離數據傳輸的需求。盡管4G通信技術數據傳輸速率更高，但3G通信以其開發成本更低、覆蓋率更廣的優勢，得到更多開發者的青睞，因此目前遠程數據傳輸技術廣泛采用3G移動通信方式。綜上所述，針對光伏應用系統分布離散且相互獨立的特點，本文將結合Zig Bee與3G移動通信技術，建立系統專用的數據傳輸通道，實現充電站監控數據的遠程雙向傳輸。

4結語

隨著現代社會和經濟的全面發展，全球化石能源短缺、溫室效應日益加劇，對人類的生產生活造成了嚴重的影響。本文就電動汽車充電站遠程監控系統展開研究，針對無人值守的充電站，設計了一種遠程監控系統，完成了太陽能充電站遠程監控系統的軟硬件設計和實現。敘述了太陽能充電站遠程監控系統的總體設計，完成的主要工作有：（1）完成站內監控子系統的總體設計。將其劃分為站內監控子系統、服務器、客戶端三個部分，對各部分進行概要設計，給出其組成框圖，并分模塊介紹各部分的功能。（2）完成系統選型。針對各部分功能需求不同，分別對充電樁采集與控制單元和儲電監測單元的主控進行選型;選擇適合Tiny4412的嵌入式操作系統;對短距離無線局域網和遠距離數據傳輸技術進行選型。

參考文獻：

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