無人值守充電場站遠程監控系統開發*

黃長偉，孫慶軒，文勵洪

無人值守充電場站遠程監控系統開發*

黃長偉，孫慶軒，文勵洪

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

針對無人值守充電場站，開發設計了基于STM32、遠程數據庫、VB界面的遠程監控系統，系統主要由遠程終端單元（RTU）、數據傳輸單元（DTU）、VB上位機監控程序及云服務器和數據庫等組成．通過安裝在充電樁內部的RTU對CAN總線數據進行實時監控分析，由DTU對數據進行匯總，并由上位機監控程序對數據進行處理、顯示及上送云平臺．實際安裝了一套最小系統，實現了本地及遠程對于充電樁的狀態監控及異常報警．

STM32；遠程監控；充電樁；LORA；物聯網

隨著我國電動汽車的迅猛發展，新能源汽車保有量越來越多，相應的充電樁數量也逐步攀升，截止2020年10月，全國充電樁累計數量約為149.8萬臺，其安全隱患也引起更多人的關注與探討．對于充電樁的安全監管，無論是政府主管部門，街道辦事處，小區物業公司，還是充電樁運營企業都遇到了各種各樣的問題[1]．進入高溫季節，充電場站的火災事故也進入了高發期，特別是在高溫高濕的南方城市，環境的特殊性更容易引起電纜絕緣問題進而導致起火事件．當前已建成的稍微大型的充電場站（50臺以上）均是有人值守，偶發的安全事故可得到及時處理；而對于那些遍布小區的小型、分散的充電場站，一般是采用無人值守模式，均是委托物業公司代管，一旦發生安全事故，會給小區物業公司、街道辦事處及政府主管部門帶來不利的影響．

目前充電場站的安全隱患主要有：

1）充電裝置電壓過高，有些能夠達到770 V，遠遠超出家用電壓，使用過程中危險極大[2]；

2）充電樁接地不可靠，有些內部金屬部件不能夠完全接地，存在觸電風險[2]；

3）充電槍插頭沒有可靠鎖緊，有些沒有電子鎖裝置，人們在拿下充電插頭時，插頭仍帶電，極易發生危險[2]；

4）充電樁防水、防銹、密封性能不好，內部容易發生銹蝕，短路，導致人們在使用過程中容易發生觸電事故[2]；

5）沒有有效的安全檢測、實時監控手段防止事故的發生和擴散．

針對以上問題及當前充電場站的運營管理，我們開發了一個基于CAN報文[3]的無人值守充電場站云平臺遠程監控系統，利用大數據、云平臺的思路，在極少增加投資的基礎上有望解決這一瓶頸難題，幫助充電樁場站運營企業、街道辦、政府主管部門及時了解所管轄產品的運行狀態，及時處理存在的安全隱患，進而推進電動汽車充電樁產業的健康可持續發展．

1 系統結構

基于CAN報文的無人值守充電場站云平臺遠程監控系統的硬件架構分為場站級和管理級2個大的層級．場站級采用PC機和LORA無線組網模式，管理級采用互聯網通信模式進行數據通信，上級管理層可以分層監控下級管理層，且可直達最底層場站進行數據監控管理．數據分層體系為：省、市、街道辦、場站，數據輪詢時間（從底層反序）分別為秒、分、10分、30分．系統拓撲如圖1所示．

本次作為模型開發的最小系統為一個管理層級對10個場站級，每個場站級為10個充電樁，每個樁為2條充電槍的這樣一個系統．

1.1 場站級硬件架構

在實際應用中，小型充電站特別是社區型充電站，充電樁與管控室之間具有距離遠、存在建筑物或樹木遮擋、電磁環境復雜等問題．在數據傳輸時，需要選擇合適的無線通訊技術．在常見的無線通訊技術中，藍牙、ZigBee只能用于短距離傳輸[4]，WiFi雖然架設成本低但容易受到DoS（Denial of Service）攻擊、存在密鑰破解等安全問題[5]．

LORA是一種低功耗、遠距離的無線通訊技術，可以滿足廣域覆蓋和低功耗的M2M設備的應用需求[6]，適合用于城市復雜環境中，中遠距離數據傳輸的場合．基于CAN報文的無人值守充電場站云平臺遠程監控場站級系統基于LORA技術，選用了星型拓撲結構，包括遠程終端單元（RTU）和數據傳輸單元（DTU）．場站級監控首先需要在現場各充電樁的控制箱內增加RTU（單片機、CAN總線接口、無線模塊、現場控制模塊），RTU硬件架構如圖2所示．

RTU采用模塊式架構，其核心是控制模塊STM32F105R8T6和LORA無線模塊．本項目選用了具有無線透傳串口功能的LORA（正點原子：ATK-LORA-01）模塊，射頻頻率為410-441Mhz（10Mhz為一個頻段，可選32個頻段），發射功率可達100 mW（理想無遮擋理想環境下的通訊距離可以達到2km）[7]，只需簡單設置即可通過單片機的串口進行數據的遠程收發，實現DTU與RTU之間的無線組網．

圖1 系統拓撲圖

圖2 RTU硬件架構

在國標GB/T 27930中，規定了直流充電樁中，使用CAN總線作為標準數據接口[8]，同時規定了數據鏈路層通訊的內容．在本方案中，使用STM32F105R8T6芯片自帶的CAN總線接口橋接于充電樁的CAN總線上，實時監控充電機與汽車BMS（電池管理系統）之間的數據通訊內容，對通訊報文進行分析，提取有效數據，可適應任何廠商的充電樁使用．該架構的RTU編程簡單，配置方便．

RTU設計的基本原則是不能因為本身的故障而擴散至充電樁，為了不至于因為外接RTU的電氣故障影響充電樁的正常工作，在電源及CAN數據接口上做了電氣隔離和防雷擊、防浪涌電壓沖擊的處理，可以實現RTU故障時，不影響充電樁的功能與安全．DTU數據采集單元完成多路RTU的數據采集、匯總，并將數據上報至PC機，DTU單元由STM32F103C8T6、LORA模塊、RS485模塊組成．作為ModBus主機通過LORA模塊與各RTU進行通訊；作為ModBus從機通過RS485總線與PC機之間進行通訊．DTU核心控制單元的硬件架構如圖3所示．

RS485是一種采用屏蔽雙絞線，具有通訊距離長、抗干擾能力強、組網方式簡單、支持一主多從等優點的通訊方式，廣泛應用于工業現場通訊的場合．

場站級設置PC機，通過串口使用RS485與DTU相連，采集各DTU數據，并聯網將數據上傳至云端數據庫；該模式不但適合于場站級監控模式的應用需求，還可同時滿足云端服務器的要求．當前我們在現場實際安裝的系統就是采用的這個模式，實際應用證明這是一個比較好的方案．組網模式如圖4所示（僅示意一個DTU情況）．

1.2 管理級硬件架構

管理級硬件基于建立在云端的服務器，硬件架構簡單，只需一臺可連接互聯網的PC（或筆記本電腦）和網線或無線WiFi即可；使用筆記本電腦可以在任何有網絡的地點隨時隨地實時監控所需充電場站的實時工作狀況．

圖3 DTU硬件架構

圖4 PC機聯網上云模式

2 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包含兩方面的設計：數據通信、儲存和人機界面的設計，實際上就是后臺做好通訊和數據入庫，前臺在窗體界面上對于關聯數據庫進行顯示和查詢，并具備報表功能．在云端數據儲存上，采用MySQL數據庫進行數據儲存、管理，前臺界面采用了VB6.0軟件開發．一個友好的人機界面是對于任何監控系統的必配，無論是對于場站級還是管理層級VB都是比較適合的人機界面開發軟件．

在場站級層面，VB通過COMM（串口）控件連接DTU，實現收、發遠程數據，并直接利用ODBC（Open Database Connectivity）控件鏈接云端數據庫對MySQL數據庫進行寫數據操作．在管理級層面，VB直接讀取云端MySQL數據庫，獲取滿意的數據管理（二次數據挖掘、報表）需求．實際開發研制的過程證明，采用VB6.0對軟件設計是一種強有力的支持與完善．

2.1 場站級軟件設計

PC機和DTU之間的通信、DTU與RTU之間的通訊均采用ModBus RTU標準協議[9]，方便與其他軟件進行兼容通訊．VB6.0開發的人機界面如圖5所示．DTU和RTU采用1對多的主從輪詢通信方式（每條槍/200 ms[10]），對于10個充電樁20個充電槍的情況下，每4秒可輪詢所有充電樁，滿足企業監控5 s實時性的要求．如果充電場站的充電樁數大于10臺，則可以對其進行分區處理，不同分區的DTU和RTU通過設置不同頻段通信而不會產生互相干擾，PC機即可采用1對多的主從通信模式擴容．

PC對于收到的每幀數據，首先解析、拆分為20條槍的數據，分別實時更新各充電樁/槍的工作狀況，同時以槍數據為單位，去除容易變化的控制箱內環境溫度數據后，提取其他的數據的與其前條數據進行比較，如有變化則分別記錄入當天的原始數據文件中，并同時給云端數據庫添加一條記錄．場站數據是平臺的基礎數據，記錄文件以日期為文件名，文件由記錄組成，每條記錄為各充電樁的電流、電壓、狀態（代碼）、以及溫度等信息，場站級原始記錄保存最新3年（1100天）內的數據，自動更新．

2.2 管理級軟件設計

管理層級采用VB開發人機界面，管理層級對場站級數據的輪詢實際上就是對于數據庫內對應的場站的數據表查詢，數據表按照命名規則進行命名，如圖6所示．

數據庫名稱（例）：DB_Charging

表名稱（例）：

圖5 人機界面

圖6 數據表命名規則

VB直接讀取MySQL數據庫，每5 s輪詢一個場站數據表，輪詢界面如圖7所示．

畫面左側指示當前輪詢的場站和本輪已經輪詢過的場站（綠色線條指示），右邊的畫面和下部的報警提示為當前輪詢充電場站的實時工況及報警，對于10個場站的實時更新時間約為1 min．

圖7 數據庫輪詢界面

3 應用實例

為了驗證系統的運行是否可靠，本次我們選取了深圳市內某一民營充電場站，在現場的2個充電樁控制箱內安裝了嵌入的RTU（PC版）．從2020年10月18日安裝、投入運行實際運行2個多月時間里，嵌入在充電樁控制箱內的RTU在比較惡劣的電磁干擾環境下，工作一切正常（圖8）．RTU對于充電樁充電工況沒有絲毫影響，監控系統數據可以可靠傳輸，沒有數據丟失、遺漏的現象．

圖8 監控系統現場安裝情況

3.1 場站級運行實例

3.1.1 日報畫面

從運行畫面，點擊“報表”即可進入報表畫面，選擇“原始數據”->某日期數據后即可得到當日的報表．如圖9所示．

3.1.2 月報畫面

在報表畫面選擇“月報數據”->選取某開始日期、結束日期后即可得到當時間段的報表．如圖10所示．

場站級的報表系統為日報、月報、年報等．可獲取各分場站界面表示與場站級界面類似．

3.2 管理級運行實例

管理層的報表數據由所管理的下層區域的各報表數據組成，并能根據以上數據進行數據挖掘，例如總次數、總電能、單次電能（最大、最小及平均值）及金額等．日報、月報界面表示與場站級界面類似．

圖9 監控系統日報界面

圖10 監控系統月報界面

4 展 望

本次只是在現場的2個充電樁安裝了嵌入的RTU（PC版）驗證了系統的運行可靠性，RTU在充電樁控制箱內比較惡劣的電磁干擾環境下能正常工作，對于充電工況沒有任何影響．后續可以考慮的是再加裝實際的控制裝置，在一旦發現有問題的情況下可直接斷電，杜絕安全事故的發生和擴散．由于有了現場的實時數據，現場RTU完全可以實時監控充電樁的運行過程．

對于故障處理，擬設置3級響應機制：

第1級故障人機界面顯示提醒（目前已具備）；

第2級聲光報警（加裝聲光報警設備）；

第3級切斷電源（加裝控制繼電器）．

從數據分析來說，對于各類故障，可以分別設置閾值．RTU可以直接判斷電流、電壓、溫度的上升趨勢，一旦超過某個速率，進入下級報警模式直至控制斷電；還可以設置極限點、極限閾值，不管是電流、電壓還是溫度，只要超過該極限閾值就直接斷電，這樣就能從根本上防止安全事故的發生．由于對象載體—充電樁的特殊性，不像其它載體一旦誤斷電會引發更大的次生災害，是對于類似充電樁這樣的載體，即使誤判斷電也不會產生什么后續危害，也就是說“寧可錯判一萬，不可漏判一個”！特別是對于充電場站安全的擔責部門（例如街道辦），安全事故是一票否決的問責制，這類安全故障，如果能將其撲滅在萌芽狀態中，杜絕事故的再生擴散是有百利而無一害的，只是需要在加裝硬件的時候稍微增加一點投資（每個樁成本約幾百元人民幣）．如果要對于本文開頭所述的故障2）、3）、4）的防止，還需要增加新的模塊（接地檢測、絕緣電阻檢測，視頻模塊等），成本會稍多一些，可作為后續進一步的研究方向．

[1] 魏星，陳永強，薛曄，等．電動汽車充電樁現場安全問題的研究[J]．環境技術，2020，38（3）：212-215．

[2] 郭文佳．專家“會審”充電樁安全[N]．新能源汽車報，2019-09-02．

[3] 李為民．Windows平臺下CAN總線通信幾個軟件問題的探討[J]．電腦編程技巧與維護，2013，274（4）：4-5．

[4] 原羿，蘇鴻根．基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J]．計算機應用與軟件，2004（6）：89-91．

[5] 蘇智睿，金麗娜，劉鑫．WiFi安全挑戰與應對[C]//全國計算機安全學術交流會論文集（第二十四卷）．中國科學技術大學出版社，2009：314-318．

[6] 劉琛，邵震，夏瑩瑩．低功耗廣域LORA技術分析與應用建議[J]．電信技術，2016（5）：43-46，50．

[7] Alientek. ATK-LORA-01 無線串口模塊用戶手冊[EB]．

[8] 中國國家標準化管理委員會．GB／T27930-2015《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》：GB／T27930-2015[S]．2015．

[9] Sae. Surface Vehicle Recommended Practice: SAE- J1939-21[S]. 2001．

[10] 王小波．LabWindow/CVI在發電機組CAN協議報文測試中的應用[J]．湖北農機化，2019，221（8）：40-42．

Discussion and Development of Remote Monitoring System for Unattended Charging Station

HUANG Changwei, SUN Qingxuan, WEN Lihong

（）

For unattended charging station, this paper designed a remote monitoring system based on STM32, remote database and a VB computer monitoring program. The system is mainly composed of monitoring unit (RTU), data acquisition unit (DTU), VB computer monitoring program, cloud server and database. The CAN bus data is monitored by RTU installed in the charging pile, and the data is summarized by DTU, and the data is processed, displayed and sent to the cloud platform by the monitoring program of the local computer. A set of minimum system is actually installed to realize the local and remote monitoring and abnormal alarm for the state of charging pile.

STM32; remote monitoring; charging station; LORA; IoT

TP273

A

1672-0318（2021）05-0019-07

10.13899/j.cnki.szptxb.2021.05.004

2020-12-23

廣東省普通高校創新團隊項目（自然科學）（2020KCXTD060 ）資助．

黃長偉，男，山東人，碩士，工程師，研究方向為嵌入式及物聯網軟硬件系統開發．

（責任編輯：王璐）