基于ESP8266 的智能充電樁及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳庭威, 李亞飛, 李亞軍, 趙冰飛

(1 鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院, 鄭州450000； 2 國網(wǎng)三門峽供電公司, 三門峽472001)

0 引 言

電動(dòng)自行車已經(jīng)成為人們短距離出行的首選。但是問題也隨之而來,很多小區(qū)、學(xué)校以及單位的充電樁系統(tǒng)存在諸多問題,如設(shè)備更新?lián)Q代不及時(shí)、數(shù)量嚴(yán)重供給不足、故障維修不及時(shí)、充電過程不易管理等。

因此,本文設(shè)計(jì)了一款新的智能充電樁及其控制系統(tǒng),通過手機(jī)APP 來進(jìn)行空閑充電樁的查詢、完成預(yù)約和充電等功能,使數(shù)量較少的充電樁能夠得到更為充分的利用。 從而滿足人們充電需要,減少空閑設(shè)備資源浪費(fèi),提升經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C／S 架構(gòu),主要包含3 個(gè)部分：硬件電路設(shè)計(jì)、服務(wù)器設(shè)計(jì)以及手機(jī)APP 設(shè)計(jì)。 硬件部分主要是以ESP8266NodeMCU 開發(fā)板(以下簡(jiǎn)稱NodeMCU)、繼電器以及AD-DC 降壓模塊來構(gòu)建的,通過NodeMCU 來完成繼電器的控制和數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。 服務(wù)器部分主要用于接收NodeMCU 和APP 信息,進(jìn)行相應(yīng)的處理后再向NodeMCU 和APP 返回結(jié)果。 手機(jī)APP 主要用于實(shí)現(xiàn)查詢、預(yù)約和充電功能,通過與服務(wù)器通信來獲取充電樁狀態(tài)和發(fā)送執(zhí)行命令。 總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of the system diagram

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件主要采用ESP8266NodeMCU 開發(fā)板,其核心部分是ESP8266WIFI 芯片,該芯片具有32 位CPU,且能夠獨(dú)立運(yùn)行。 整個(gè)系統(tǒng)利用220 V 交流電作為輸入電源,通過AC-DC 降壓模塊(220 V-5 V)將220 V 交流電轉(zhuǎn)為5 V 的直流電,接入NodeMCU 的VIN 和GND 接口來進(jìn)行供電,接入DC＋和DC-來為5 V 繼電器供電。 NodeMCU 燒錄程序之后,可以通過數(shù)字端口和5 V 繼電器IN 口相連,控制繼電器吸合。 充電樁火線分別經(jīng)過5 V 繼電器的常開端口NO 和公用接口COM,通過信號(hào)輸入端口IN 輸入的高低電平來控制通電與斷電。 充電樁的零線與市電相連,火線經(jīng)過5 V 繼電器。 整個(gè)硬件的電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Hardware circuit structure diagram

3 服務(wù)器設(shè)計(jì)

云服務(wù)器是手機(jī)APP 與NodeMCU 進(jìn)行無線通信必不可少的組成部分。 本系統(tǒng)的服務(wù)器使用Nodejs 開發(fā),在騰訊云上架構(gòu)了TCP Server、HTTP Server 以及MySQL 數(shù)據(jù)庫。 其中,TCP Server 是為了完成服務(wù)器和NodeMCU 通信,讀取NodeMCU 引腳信息并做相應(yīng)處理,向NodeMCU 發(fā)送控制命令等［1］。 HTTP Server 實(shí)現(xiàn)了手機(jī)APP 和服務(wù)器的信息交互,使用戶可以通過手機(jī)APP 向服務(wù)器發(fā)送命令。 本系統(tǒng)利用MySQL 數(shù)據(jù)庫對(duì)用戶信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),將MySQL 數(shù)據(jù)庫架設(shè)到服務(wù)器上,任何用戶的APP 均可以通過JDBC 連接,從而獲取個(gè)人的信息以及設(shè)備相關(guān)狀態(tài)。 TCP Server 也可以通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,將相應(yīng)的控制命令發(fā)送給NodeMCU。 服務(wù)器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

4 手機(jī)APP 設(shè)計(jì)

手機(jī)APP 使用Android Studio 來開發(fā),用戶可以通過APP 來完成相應(yīng)的功能。 這些功能包括注冊(cè)、查詢、預(yù)約、充電、查看充電狀態(tài)、提前結(jié)束充電、查詢歷史記錄、故障報(bào)修等等。 用戶先注冊(cè)獲得一個(gè)屬于自己的賬號(hào),然后通過APP 執(zhí)行查詢功能,APP 根據(jù)指令去云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中查詢到對(duì)應(yīng)信息,用戶可以根據(jù)顯示的結(jié)果進(jìn)行預(yù)約或者使用充電功能［2］。 充電開始后,用戶可以在個(gè)人狀態(tài)頁看到充電狀態(tài),并可以提前結(jié)束充電。 在個(gè)人信息頁面可以查詢充電的歷史記錄,若是發(fā)現(xiàn)某個(gè)充電樁損壞還可以上報(bào)故障,提醒維修人員會(huì)維修。APP 功能圖如圖4 所示。

圖3 服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Server structure diagram

圖4 APP 功能圖Fig.4 APP function diagram

5 結(jié)束語

本文介紹了基于ESP8266 的智能充電樁及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),采用C／S 架構(gòu),利用TCP 和HTTP通信協(xié)議,以服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫作為中間媒介,通過手機(jī)APP 即可完成對(duì)充電樁的查詢、預(yù)約、充電燈功能。 該系統(tǒng)很大程度上解決了查找空閑充電樁難和空閑充電樁資源大量浪費(fèi)的問題,提高了空閑資源利用率,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng),具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。