物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下?lián)Q電柜控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

沈 兵，向 軍，梁會軍，蒯楓翔

（湖北民族大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，湖北恩施 445000）

引言

電動自行車是人們生活中常見的代步工具，也是發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，提倡綠色出行的載體[1,2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的電動自行車用戶近3億，并以驚人的速度逐年遞增，而隨著外賣業(yè)的迅速發(fā)展，大部分騎手平均每天騎行距離達(dá)到100 km至150 km，而續(xù)航里程為50 km 左右鋰電池遠(yuǎn)不能支撐騎手一天的工作行程[3,4]。同時(shí)，在物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和共享經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，共享電動自行車結(jié)合逐漸成熟的智能化終端技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在很多城市中，并越來越受到城市居民的喜愛和認(rèn)可[3]。但目前共享電動自行車大多沒有固定充電樁，如何給電瓶充電已成為共享電動自行車接續(xù)發(fā)展的阻礙之一，而如果采用人為更換電池模式，會給中后期的運(yùn)維工作和人力成本投入造成較大的壓力。幾乎每家每戶都有電動自行車，為了方便地給電瓶充電，用戶各顯神通的充電方式會誘發(fā)觸電、火災(zāi)等問題[6-8]。

為此，結(jié)合“集中充電，自主換電”的思想，依托阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計(jì)了一套電瓶換電柜控制系統(tǒng)，自主研發(fā)一款電瓶換電柜，能滿足電動自行車智能換電柜技術(shù)要求及檢測標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)融合物聯(lián)網(wǎng)思維，使電瓶充電更方便、更安全、更有序。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

換電柜作為電動自行車充電集成化的載體，為電瓶充電帶來了很大便捷。本設(shè)計(jì)初步設(shè)定一個(gè)換電柜擁有6 個(gè)電池充電箱，每個(gè)充電箱內(nèi)配有控制電路板對充電過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、信息采集并建立通訊。1 號箱的電路板作為主控電路板與觸摸屏通過RS-232串口進(jìn)行通訊，主控板與從控電路板建立RS-485通訊協(xié)議，以總線的方式進(jìn)行通訊。換電柜通過ESP8266 無線通訊模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺按照MQTT 通信協(xié)議進(jìn)行通訊[8]。用戶可通過手機(jī)上的APP 掃描觸摸屏上的二維碼驗(yàn)證身份。身份驗(yàn)證后發(fā)送指令給阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，再由平臺發(fā)送指令給換電柜，解鎖觸摸屏跳轉(zhuǎn)至操作界面，讓用戶進(jìn)行充電、取電的操作，控制系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 換電柜控制系統(tǒng)整體框圖

控制電路板采用STM32F103R8T6 單片機(jī)作為主控芯片。STM32F103R8T6單片機(jī)是ST旗下的一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器，基于Cortex-M3?內(nèi)核，主頻高達(dá)72 MHz，20 K 的靜態(tài)存儲，64 K 字節(jié)程序存儲空間[1],具有51個(gè)Ι/O引腳和7個(gè)定時(shí)器。

集成電路板包含電源模塊、通訊模塊、繼電器控制模塊、溫度煙霧報(bào)警模塊、撥碼開關(guān)、指示燈模塊、電壓反饋模塊等多個(gè)模塊，控制電路板整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。據(jù)此，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)充電箱充電過程的監(jiān)測、控制以及信息傳遞。

圖2 控制電路板結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

控制電路板中不同模塊供電需求不同，例如STM32F103R8T6 芯片、通訊模塊和撥碼開關(guān)需以3.3 V 電壓供電，指示燈模塊、繼電器模塊和溫度模塊需以12 V電壓供電，煙霧模塊需以5 V電壓供電。因此，設(shè)計(jì)選擇以12 V 直流電壓源接入電源模塊，用以LM2576HVT-5.0 穩(wěn)壓器為主的降壓電路將12 V 電壓轉(zhuǎn)換成5 V 電壓，再用以ASM1117-3.3 穩(wěn)壓器為主的降壓電路將5 V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 電壓，為整個(gè)電路板和各模塊供電。

2.2 通訊模塊

通訊模塊是電動自行車電瓶換電柜控制系統(tǒng)極為重要的模塊，是觸摸屏與主控電路板、主控電路板與其他充電箱中的控制電路板建立通訊的基礎(chǔ)。主控電路板通過串口1 與觸摸屏進(jìn)行RS-232串行通訊，接受、分析來自觸摸屏的信號。若接受到的信號目標(biāo)對象不是1 號充電箱，主控芯片則將信號按照充電箱控制電路板間的自定義通訊協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過主控板上的串口2 傳輸?shù)娇刂齐娐钒彘g的通訊總線上。從控制電路板也是經(jīng)由串口2接收傳遞控制信號和充電箱內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由于控制電路板間的通訊協(xié)議和觸摸屏與主控板間的通訊協(xié)議不同，主控板中的主控芯片將分析以兩種協(xié)議傳遞的信息。串口1 的通訊電路是以MAX232CSA 收發(fā)器為核心外連九針母頭，串口2的通訊電路以MAX1487CPA為核心，通過兩線端子與RS-485總線連接。

2.3 電壓反饋模塊

電壓反饋模塊主要作用是測量充電過程中的電池電壓，然后經(jīng)過LM358芯片中的運(yùn)算放大器處理后反饋給單片機(jī)進(jìn)行分析。STM32 將設(shè)定三個(gè)閾值與接收到的電壓信號進(jìn)行比較，當(dāng)電壓信號小于最低閾值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為該充電箱內(nèi)并無電池，當(dāng)電壓信號大于最高閾值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為該充電箱內(nèi)的電池已經(jīng)充滿，在這兩種情況下，系統(tǒng)都會斷開充電繼電器以及執(zhí)行相應(yīng)操作。只有當(dāng)電壓信號大于最低閾值，小于最高閾值時(shí)，系統(tǒng)才會認(rèn)為充電箱內(nèi)有需要充電的電池，而中間的閾值則是用于界定電池電量是否已經(jīng)充過80%。同時(shí)，指示燈的亮滅也是通過電壓信號與閾值的比較進(jìn)行變換。

2.4 其他模塊簡介

撥碼開關(guān)電路是用SW DΙP-4 撥碼按鍵構(gòu)成的簡易電路，在系統(tǒng)初始化過程中，控制芯片通過讀取相應(yīng)引腳的高低電平，識別撥碼開關(guān)提供的4 位二進(jìn)制信息，以此確定本箱編號。

溫度模塊是結(jié)合DS18B20 傳感器將溫度信號傳給控制芯片。DS18B20 傳感器僅有三根連接線，分別是信號線、地線和電源線，信號線接入電路時(shí)需上拉4.7 kΩ 電阻。芯片在工作過程中定時(shí)讀取溫度信號，分別將溫度信號的整數(shù)部分和小數(shù)部分轉(zhuǎn)換成一字節(jié)的數(shù)據(jù)，發(fā)送給主控芯片。

煙霧模塊以MQ-2 多種氣體傳感器為主體，檢測充電箱內(nèi)的煙霧信號后，信號經(jīng)過ADC0832芯片轉(zhuǎn)化后傳給控制電路板。由于需以5 V 電壓給MQ-2 供電，信號傳遞給芯片時(shí)應(yīng)光耦隔離，以保證芯片運(yùn)行安全。

指示燈模塊、風(fēng)扇控制模塊、電磁鎖模塊以及繼電器控制模塊都需要12 V 電壓供電，而STM32F103R8T6 控制芯片引腳僅接受3.3 V 信號，因此當(dāng)信號輸出時(shí)都需經(jīng)光耦隔離控制各模塊的運(yùn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 APP程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用Android Studio開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)安卓APP，用戶可下載并使用APP 掃描觸摸屏上的二維碼驗(yàn)證身份并解鎖觸摸屏。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺與APP 和ESP8266 無線通訊模塊之間的通訊協(xié)議均為MQTT，用戶可采取如圖3 的操作流程注冊賬號、身份驗(yàn)證和登陸賬號。登陸賬號后，可采用掃描觸摸屏上的二維碼或在APP 上選定換電柜的編號后向阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送允許操作指令，使用換電柜。

圖3 APP操作流程圖

點(diǎn)擊APP 中按鈕可觸發(fā)事件將控制命令以JSON 的ALΙNK 的格式傳輸給阿里云，再由阿里云以同樣的數(shù)據(jù)格式傳遞給ESP8266 無線通訊模塊，實(shí)現(xiàn)電動自行車終端用戶與換電柜之間的通訊。

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用大彩科技有限公司旗下DC10768KM 150_1111_0C型號的15寸觸摸屏作為觸控屏。前期制作的人機(jī)交互界面如圖4 所示。六個(gè)區(qū)域中的“充電”、“取電”按鈕分別用來控制六個(gè)充電箱箱門的開啟。按下“充電”按鈕時(shí)，若充電箱內(nèi)無電池，對應(yīng)箱門開啟，否則界面會彈出“箱內(nèi)有電池”的提示。按下“取電”按鈕時(shí)，若對應(yīng)充電箱有電量超過80%的電池，充電箱箱門開啟，否則界面會彈出“箱內(nèi)可取電池”的提示。

每個(gè)區(qū)域有三色燈，紅燈亮?xí)r表示對應(yīng)箱內(nèi)電池電量不足80%。黃燈亮?xí)r表示對應(yīng)箱內(nèi)電池電量大于80%。綠燈亮?xí)r表示箱內(nèi)有電量充足的電池。當(dāng)區(qū)域內(nèi)三色燈全部熄滅時(shí)表示對應(yīng)充電箱內(nèi)無電池。

3.3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

主程序運(yùn)行流程圖如圖5所示，連接電路后，給控制電路板和觸摸屏上電，各控制電路板首先初始化各引腳功能配置，通過撥碼開關(guān)引腳上的電平識別自身編號，主控電路板編號為1 號。主程序進(jìn)入循環(huán)后，主控板將本充電箱的基本信息通過串口1傳給觸摸屏，通過串口2 向其他控制電路板依次發(fā)送查詢指令。收到查詢指令后，各控制電路板讀取本充電箱內(nèi)溫度、煙霧、箱門關(guān)合及電池電量信息，按自定義協(xié)議規(guī)則整合成數(shù)據(jù)，通過串口2 發(fā)送到RS-485 總線上。主控電路板通過識別數(shù)據(jù)內(nèi)源地址和目的地址信息判斷數(shù)據(jù)來源，分析轉(zhuǎn)換后傳給觸摸屏顯示。當(dāng)用戶通過觸摸屏按下“充電”和“取電”按鈕時(shí)，觸摸屏發(fā)送指令給主控板。主控板經(jīng)分析轉(zhuǎn)換后或打開本充電箱箱門，或通過串口2 發(fā)送各控制板。

圖5 控制電路板主程序流程圖

3.4 自定義通訊協(xié)議簡介

電瓶換電柜內(nèi)部具有兩種通訊協(xié)議，一種是DC10768KM150_1111_0C 觸摸屏默認(rèn)通訊協(xié)議；大彩組態(tài)命令集。另一種是各控制電路板間自定義的一個(gè)協(xié)議，其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖6 所示；數(shù)據(jù)共有13位，以FF FF 為幀頭，EE 為幀尾，第三位至第七位分別記錄數(shù)據(jù)的源地址、目標(biāo)地址、功能指令、充電箱箱門的狀態(tài)和箱內(nèi)電池電量的狀態(tài)。數(shù)據(jù)的第八位至第十一位記錄充電箱內(nèi)的溫度和煙霧實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及十二位代表充電箱內(nèi)有無電池的信息。當(dāng)控制電路板收到查詢信號，控制芯片將讀取箱內(nèi)各信號整合到數(shù)據(jù)中，反饋給主控芯片。主控芯片對照目的地址接受分析收到的數(shù)據(jù)，將指示燈信號轉(zhuǎn)換成觸摸屏可以識別的指令傳給觸摸屏。

圖6 應(yīng)答信號數(shù)據(jù)分析圖

4 測試

在測試初始階段，主控芯片只有向RS-485總線依次發(fā)送查詢信號，然后接受每個(gè)充電箱反饋而來的響應(yīng)信號才可獲取其狀態(tài)信息。加入延時(shí)后，主控電路板每隔2 s 按順序向其中一個(gè)從控電路板發(fā)送查詢信號，但經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，各個(gè)充電箱狀態(tài)信息需要等待一個(gè)12 s 查詢周期才能反饋至觸摸屏，極大地造成了信息傳輸?shù)难舆t。為了保證充電過中狀態(tài)信息能夠及時(shí)傳輸，對主控電路板的控制策略進(jìn)行了調(diào)整，并改進(jìn)了Keil 程序。經(jīng)過改進(jìn)后，各個(gè)充電箱內(nèi)的狀態(tài)信息跳變后，從控電路板能在1 s內(nèi)主動向主控電路板發(fā)送狀態(tài)信息，并通過觸摸屏及時(shí)顯示，消除了初始階段狀態(tài)信息延時(shí)反饋的弊端。

主控芯片和從控芯片共用一套程序，芯片通過初始化過程確定自身編號后執(zhí)行不同的操作。控制電路板中撥碼開關(guān)被置為03，被定為主控電路板；右邊控制電路板中的撥碼開關(guān)被置為03，被定為從控電路板。它們能將充電過程中的狀態(tài)的信息反饋至觸摸屏，并在觸摸屏中的區(qū)域1 和區(qū)域3中顯示。程序經(jīng)過多次調(diào)試和改進(jìn)，已可使用手機(jī)APP 掃碼解鎖觸摸屏進(jìn)入主界面進(jìn)行充電、取電的操作。主從控制電路板中的各個(gè)模塊都能及時(shí)采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并反饋給觸摸屏進(jìn)行顯示，控制電路板間也能實(shí)現(xiàn)迅速可靠的通信。

5 結(jié)束語

為解決電動自行車充電難、充電過程存在不安全等問題，從硬件、軟件兩方面入手設(shè)計(jì)了一套換電柜控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103R8T6 單片機(jī)為控制核心，應(yīng)用ESP8266 無線通訊模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺根據(jù)MQTT 協(xié)議建立無線通訊，并在Android Studio 軟件中開發(fā)終端APP。用戶可通過APP 驗(yàn)證身份，解鎖換電柜觸摸屏和結(jié)算金額。經(jīng)過實(shí)物測試，該系統(tǒng)能極大程度地給電動車用戶帶來便利，提高電瓶充電過程的安全性。