智能充電樁互聯互通設計方案探討

侯慧健 肖思源 林永明

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

前言

新能源汽車和電動自行車作為近年來新型的交通工具，具有環保、節能的優點。在我國，新能源車的用戶群日益龐大、保有量不斷增長，充電難的問題顯得尤為突出。為了解決充電難的問題，充電樁的建設成為了基礎設施建設中重要的一環。目前，我國已隨處可見智能充電樁。順應物聯網技術的發展趨勢，這類智能充電樁也具備接入網絡與服務提供商后臺進行數據交互與驗證的能力，這樣的聯網管理模式是設備的信息化管控以及未來智能化擴展的基礎。

然而，雖然設備的制造商不斷增加，為用戶提供了更多的選擇，但不同的充電樁品牌之間，其用戶端的接入方式往往是不統一的，且云平臺與設備間也無法互相兼容，缺乏互聯互通能力。例如，用戶在接入不同品牌的廠商提供的服務時，通常都需要安裝對應的手機App；在充電樁設備與云平臺的通信方面，廠商既可以采用底層的TCP/IP套接字方式進行高度自定義的開發，又可以采用高度封裝、量級較大的應用層框架。由于采用的通信協議、接口規范方面的差異，不同廠商的設備、云平臺之間無法相互通信，這顯然是一種資源的浪費。實際上，充電樁物理設備本身就是通過統一的充電接口規范大大提升用戶充電的便利程度，不同品牌的充電樁只要電源與接口合乎規范，便能夠相互兼容。然而在軟件服務與通信這一層面，卻再度遇到了這一痛點。本文設計了一個電動自行車智能充電樁的互聯互通方案，在保證系統各部分能高效率運作的同時，解決智能化充電中由于接入方式不統一導致的不便，并通過統一的、共享的管控提高管理的效率。

1 方案設想

在實現互聯互通前，對于不同制造商生產的智能充電樁產品，用戶必須使用不同的前端程序，訪問設備對應廠商提供的云平臺，以獲取接入設備、使用服務的權限。對于手機用戶來說，使用不同品牌的充電樁需要下載安裝各自品牌的App，原本帶來便利的技術革新反而制造了不便。如果不同品牌的產品能夠使用統一的通信協議，則可以實現不同云平臺、終端設備之間的相互兼容，達到互聯互通的目的。具體的，如圖1所示，在實現互聯互通以前，B廠商的產品只能通過使用B廠商提供的App進行訪問云平臺進行遠程接入；在實現互聯互通以后，使用任意廠商的App訪問對應的云平臺，即可訪問任意的采用統一通信協議的設備。這樣一來不但為用戶省去了安裝多個App的煩惱，還能將不同品牌設備的管理進行集成，以提高管理效率。

2 通信架構

通信構架如圖2所示，可分為設備層、業務應用層、云平臺三個部分。

設備層：設備與云平臺之間通過EDP協議進行通信，其中，設備端程序是基于EDP SDK進行開發的。在整個通信架構之中，EDP連接承載了業務數據和控制命令。設備會上報業務數據到云平臺，而如果需要實時接收業務應用層下發的控制命令，則需要保持EDP長連接。

業務應用層：基于HTTP協議，前端通過RESTful API統一接入云平臺，操作云平臺提供的資源（設備、數據點、命令控制等資源的增刪查改），可以自定義實現業務平臺。

3 通信實現方案

在通信中，設備層使用CONN_XXX消息類型與云平臺建立連接。在設備層將業務數據上報平臺時，使用PUSH_DATA或者SAVE_DATA消息，同樣的，云平臺也使用這兩種消息類型向設備層發送數據。此外，云平臺使用CMD_XXX給設備層發控制消息。設備層與云平臺之間通過PING_XXX保持長連接。具體命令表如表1所示。

在各個不同廠商的充電設備和云平臺之間使用統一的通信協定，以實現設備間、不同層級間的互聯互通。如表2所示，為設備與云平臺間的通信接口。通信數據統一使用JSON格式進行封裝，通過EDP協議進行連接的維護與數據傳輸，數據使用UTF-8編碼。

圖1 應用場景圖

圖2 通信架構

對比專業大型的充電站，智能充電樁能應用于城市的各個地下停車場、超市及小區的地上停車位等多個場所。如圖3所示，多個電動自行車智能充電樁組網配合通信，通常采用“小網組合大網”（ZigBee+4G）的通信方式，即在電動自行車智能充電樁與總控制器之間先采用本地ZigBee網絡終端進行通信，再通過總控制器采用4G網絡與局域網連接設備或后臺設備管理平臺進行通信的通信方式。這種通信方式充分結合了ZigBee通訊可自組網、無需流量的通訊優點，更加便捷地對各個外接電動自行車智能充電樁設備進行有效化管理，僅總控制器采用4G網絡通信，大大降低了4G網絡通訊服務成本。

4 系統實現細節

4.1 設備實現

市面上的智能充電樁，不僅要做到外圍設備的輸出電壓可控，以滿足設備的通用性以及對外接設備的管理需要，更要滿足各項應用功能，如人機交互、身份認證，信息保存、計量收費、遠程信息交互等功能。因此，在其結構設計上，硬件方面，可以使用低功耗、速度快的微處理器。本文選用基于ARM架構的32位處理器，配合UART、SPI等串行接口和繼電器控制電路來實現電路構成（如圖4）。在軟件方面，主要采用嵌入式操作系統，如Linux、Windows CE等，提高開發效率，提高系統的可靠性。

表1 EDP消息命令

表2 設備與平臺之間的互聯接口

圖3 物聯網終端通信融合

圖4 設備硬件組成

4.2 安全性

整個智能充電樁的通訊數據傳輸過程應高效保密性，實現互聯互通性關鍵在于使用統一的協議，且該協議應能廣泛應用于多個不同的設備上，應用TCP連接的EDP協議即是當前最適用的通信協議。使用EDP協議在平臺服務器上上傳備份數據點，注冊用戶和創建新用戶設備，不同設備通過創建和保存信息后，在登陸服務器時，接受設備信息方和發送信息方僅需在服務器獨自鑒權登錄，再由平臺接收設備1數據，后將數據點內容復制轉發到設備2；即可實現信息對傳，做到不同設備在同一服務器上的互聯互通。具體的數據存儲轉發流程如圖5所示。

4.3 后臺管理

智能充電樁的通訊互聯互通性的實現滿足了后臺管理人員遠程通過同一服務器對多個設備的實時監測的需求。在使用統一的通訊協議在平臺注冊信息后，后臺管理人員可以使用云平臺賬號對在平臺注冊的信息進行在線管理，并且做到對設備的異地化管理，通過對設備向云平臺發送的數據包類型和大小，判別設備的運行狀態和設備信息，及時對設備故障進行發現排除，遠程更新設備配置，共享傳輸資料等。云平臺監測圖如圖6所示

圖5 數據存儲轉發流程

5 產品驗證

目前國內最大的云平臺為阿里云平臺和騰訊云平臺，本次研究以電動自行車智能充電樁為基礎，搭建了一個基于EDP協議和RESTful API搭建的通信方案的電動自行車智能充電樁。圖7為智能充電樁產品圖，用戶可通過支付寶或微信掃智能充電樁上的二維碼進入小程序，按指示付費充電。圖8為微信小程序充電界面。

成功通過支付寶和微信掃描二維碼的方式為電動自行車充電，實現單個充電樁對應多個云平臺。各智能充電樁廠家若采納該通訊方案應用到其產品上，那么就可以實現多個云平臺對應多個充電樁產品。對于用戶而言，可以無需下載對應智能充電樁廠家的App，提高了用戶體驗；對廠家而言，增加了用戶粘性，可以吸引更多用戶使用其產品。

6 結論

互聯互通性作為智能充電樁的一項重要技術指標，一直是物聯網產品流通和使用的關鍵技術，現今智能充電樁產品仍有許多設備未能實現互聯互通性。本文提出了一個基于EDP協議和RESTful API搭建的通信方案，該方案能夠有效解決充電樁應用的互聯互通問題，實現不同廠商云平臺和設備之間的相互通信、相互兼容，有效地提高網絡資源的利用率、提升設備的管理效率、以及減少用戶在使用過程中的不便。

圖6 云平臺監測界面

圖7 智能充電樁產品圖

圖8 微信小程序充電界面