充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護技術(shù)研究

摘要：目前，充電樁狀態(tài)監(jiān)測和遠程維護技術(shù)主要有兩種類型：一種是基于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)；另一種是基于云平臺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的遠程維護技術(shù)。這兩種技術(shù)都可以實現(xiàn)對充電樁狀態(tài)的實時監(jiān)測和遠程維護，但是，它們各自存在一些缺點。介紹了基于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。這些技術(shù)可以實現(xiàn)對充電樁的電壓、電流、溫度、電量等參數(shù)的實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_或物聯(lián)網(wǎng)平臺上；同時，這些技術(shù)還可以通過對數(shù)據(jù)進行分析和處理來實現(xiàn)對充電樁的遠程維護和故障診斷。此外，為了提高監(jiān)測和維護的效率和準確性，介紹了基于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的遠程維護技術(shù)。這些技術(shù)可以實現(xiàn)對充電樁設(shè)備的實時監(jiān)控和故障診斷，并將診斷結(jié)果通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云平臺或物聯(lián)網(wǎng)平臺上。關(guān)鍵詞：充電樁""狀態(tài)監(jiān)測""遠程維護""物聯(lián)網(wǎng)平臺

Research"on"State"Monitoring"and"Remote"Maintenance"Technology"of"Charging"Stations

WANG"Wei

（Beijing"Haidian"Power"Supply"Industrial"Development"Co.，"Ltd.，"Beijing，"，"100086"China）

Abstract："Currently，"there"are"two"main"types"of"status"monitoring"and"remote"maintenance"technologies"for"charging"stations："Oone"is"based"on"sensor，"communication"network，"and"other"technologies"for"status"monitoring;"Another"type"is"remote"maintenance"technology"based"on"cloud"platforms，"the"Internet"of"tThings（IOT），"and"other"technologies."Both"of"these"technologies"can"achieve"real-time"monitoring"and"remote"maintenance"of"the"charging"station"status，"but"they"each"have"some"drawbacks."In"this"article，"we"willIt"introduces"state"monitoring"technologies"based"on"sensors，"communication"networks，"and"other"technologies."These"technologies"can"achieve"real-time"monitoring"of"parameters"such"as"voltage，"current，"temperature，"and"power"of"charging"stations，"and"transmit"monitoring"data"to"cloud"platforms"or"IoT"platforms"through"communication"networks."Meanwhile，"these"technologies"can"also"achieve"remote"maintenance"and"fault"diagnosis"of"charging"stations"through"data"analysis"and"processing."In"addition，"in"order"to"improve"the"efficiency"and"accuracy"of"monitoring"and"maintenance，"it"also"introduces""we"will"also"introduce"remote"maintenance"technologies"based"on"sensors，"communication"networks，"and"other"technologiess."These"technologies"can"achieve"real-time"monitoring"and"fault"diagnosis"of"charging"pile"equipment，"and"send"the"diagnosis"results"to"cloud"platforms"or"IoT"platforms"through"communication"networks.

Key"Wwords："Charging"station;"Statetus"monitoring;"Remote"maintenance;"IoT"platform

充電樁是電動汽車的重要組成部分，充電樁的狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護對電動汽車的安全運行和充電樁的正常使用具有重要意義。充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護系統(tǒng)是一種集控制、管理、監(jiān)測于一體的充電樁狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以工控機為核心，將信號采集模塊、控制器局域網(wǎng)（Controller"Area"Network，CAN）通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊結(jié)合起來，實現(xiàn)對電動汽車充電樁的集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，并通過通用分組無線業(yè)務(wù)（General"Packet"Radio"Service，GPRS）無線通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)控中心。

1"系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1"CAN總線控制模塊

CAN總線控制模塊由數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負責對充電樁的運行參數(shù)進行實時采集，并將各充電樁的狀態(tài)信息上傳至監(jiān)控中心。通信模塊負責與CAN總線控制模塊進行通信，并將各充電樁的運行狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控中心[1]。

CAN總線控制模塊有2個數(shù)據(jù)輸出端：一個為主端，連接充電樁；另一個為從端，連接監(jiān)控中心。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，由主、從兩端通過CAN通信線連接起來，對數(shù)據(jù)進行發(fā)送和接收。CAN通信采用的是短幀結(jié)構(gòu)，總長度為32個字節(jié)（8"bit），主要有2種工作方式：波特率為9"600"bps時，為全雙工通信；波特率為1"156"bps時，為半雙工通信。在接收數(shù)據(jù)時，通過CAN總線接收控制器，將采集的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部發(fā)送或外部發(fā)送的方式發(fā)送至監(jiān)控中心，并將接收的數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控中心的人機界面上。

1.2"以太網(wǎng)通信模塊

以太網(wǎng)通信模塊負責將監(jiān)控中心下發(fā)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)至各充電樁，并在每一個充電樁上配置相應(yīng)的以太網(wǎng)通信模塊，便于監(jiān)控中心對各個充電樁的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。以太網(wǎng)通信模塊主要采用華為公司的CC2530芯片，該芯片是華為公司自主研發(fā)的一款以太網(wǎng)通信芯片，支持UDP、TCP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有極強的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力。在CC2530的硬件配置中，需要在其外部擴展8路10/100"Mbps以太網(wǎng)物理接口和8路10/100"Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，同時還需要在CC2530外部擴展一組RS485串行通信接口和一組UART通信接口，以滿足系統(tǒng)對以太網(wǎng)通信模塊的需求[2]。

2"系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1"服務(wù)器端應(yīng)用程序的開發(fā)

服務(wù)器端應(yīng)用程序是系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測與維護功能的核心，主要包括3部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)存儲程序和數(shù)據(jù)處理程序。數(shù)據(jù)采集程序主要負責通過CAN總線接收充電樁的相關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲程序負責對采集的數(shù)據(jù)進行保存；數(shù)據(jù)處理程序主要是對保存的數(shù)據(jù)進行分析和處理[3]。

2.2.1"權(quán)限管理

權(quán)限管理是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。針對不同的用戶，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶所處的權(quán)限級別來設(shè)置訪問控制策略，并且根據(jù)用戶所處的級別來控制用戶所能查看或操作的數(shù)據(jù)范圍，以實現(xiàn)不同權(quán)限級別用戶對同一數(shù)據(jù)進行不同程度的訪問。由于本系統(tǒng)中應(yīng)用程序與服務(wù)器端應(yīng)用程序之間采用TCP/IP通信方式進行通信，因此，系統(tǒng)中需要實現(xiàn)對客戶端程序與服務(wù)器端應(yīng)用程序之間的訪問控制。在系統(tǒng)設(shè)計中，客戶端程序主要由客戶端和服務(wù)器端兩個部分組成。客戶端程序主要負責對數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進行接收、保存和解析；服務(wù)器端應(yīng)用程序主要負責對客戶端發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行處理和分析，并將分析結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸給客戶端。

2.2.2"訪問控制

訪問控制是指為了保證系統(tǒng)信息資源不被非法用戶利用或破壞，根據(jù)用戶的角色及其權(quán)限，對用戶訪問系統(tǒng)資源的授權(quán)、訪問權(quán)限和訪問時間等進行的控制。在充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護系統(tǒng)中，對服務(wù)器端應(yīng)用程序的用戶進行權(quán)限劃分，對用戶賬號進行安全設(shè)置，以避免非授權(quán)用戶對系統(tǒng)資源的使用。針對充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護系統(tǒng)中不同用戶所具有的角色與相應(yīng)權(quán)限，可以進行相應(yīng)的訪問控制。用戶在登錄到系統(tǒng)管理后臺時，服務(wù)器端應(yīng)用程序會根據(jù)用戶角色的不同賦予相應(yīng)的權(quán)限[4]。

2.2"數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，功能模塊劃分清晰，易于編程和調(diào)試。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、CAN通信模塊和GPRS通信模塊，其中，CAN通信模塊和GPRS通信模塊分別實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能。嵌入式充電樁如圖1所示。數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要包括權(quán)限管理、訪問控制等內(nèi)容。

3"通信協(xié)議的設(shè)計

3.1"主節(jié)點和從節(jié)點的數(shù)據(jù)域

CAN總線數(shù)據(jù)域定義了CAN總線控制器和從節(jié)點的地址及幀格式。CAN總線控制器的地址由網(wǎng)絡(luò)號（Node）和幀號（Frame）組成，主站和從節(jié)點的地址信息可以用來完成控制過程。

在CAN通信中，幀包括了不同的數(shù)據(jù)，每種數(shù)據(jù)都有自己對應(yīng)的幀號。當數(shù)據(jù)幀開始時，CAN控制器首先檢查幀頭（Frame"Header）。如果發(fā)現(xiàn)幀格式不符合要求，則對幀頭進行判斷；如果符合要求，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀發(fā)出后，CAN控制器首先檢查幀頭中的幀起始位（First）是否正確。如果是正確的，則可以繼續(xù)發(fā)送；如果是不正確的，則對幀頭進行判斷。判斷方法為：若幀頭中含有幀起始位（First"Off）或校驗信息（Check"Information），則開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，否則等待下一個幀頭（First"Down）的到來[5]。

3.2"地址設(shè)置

CAN控制器從節(jié)點的地址格式由幀格式和CAN節(jié)點地址組成。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)幀長度為10位，每一位用來標識一個CAN節(jié)點，將其分配到不同的總線段上。在CAN總線通信中，每個CAN節(jié)點都有一個唯一的標識符（ID），即地址。因為在實際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都是一個多種設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)，所以，我們采用了最小地址結(jié)構(gòu)來劃分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。不同設(shè)備之間采用這種地址結(jié)構(gòu)，可以保證數(shù)據(jù)幀的正確性。在主、從節(jié)點之間采用的是主站和從站地址分配格式，每個從站地址都有一個標識符（ID），將從站地址和主節(jié)點地址相比較，就可以得到它們之間的對應(yīng)關(guān)系。當主節(jié)點與從站通信時，主從節(jié)點都有一個唯一標識符（ID）和一個校驗位來判斷該點是否為從站。如果是從站，則將其發(fā)送給主節(jié)點；如果不是從站，則將其發(fā)送給主節(jié)點。

4"系統(tǒng)功能

充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護系統(tǒng)的主要功能是對充電樁進行實時監(jiān)測，通過采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對充電樁狀態(tài)的判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果對充電樁進行控制或故障排除，避免因為充電樁出現(xiàn)異常情況而導致充電樁無法使用，進而影響電動汽車的正常使用。其功能如下。

（1）對充電站內(nèi)部電路進行實時監(jiān)控，保證充電樁電路的正常工作；（2）通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集終端的地址，實現(xiàn)對不同型號、不同電壓等級的充電站內(nèi)所有充電樁的數(shù)據(jù)進行實時采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)模塊上傳到遠程監(jiān)控中心；（3）利用GPRS模塊實現(xiàn)遠程監(jiān)控中心和現(xiàn)場智能終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，在客戶端，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器登錄遠程監(jiān)控中心后，可以查看各個充電樁的實時運行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)[6]。

5"結(jié)語

綜上所述，隨著電動汽車的普及，充電樁在電動汽車行業(yè)中扮演著越來越重要的角色。然而，充電樁的使用需要定期進行維護和更換，以確保其正常運行。在這一背景下，狀態(tài)監(jiān)測和遠程維護技術(shù)的研究變得越來越重要。通過對充電樁進行狀態(tài)監(jiān)測和遠程維護，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決故障，提高充電樁的使用壽命和可靠性。同時，遠程維護技術(shù)還可以減少人力物力成本，提高工作效率和服務(wù)質(zhì)量。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，狀態(tài)監(jiān)測和遠程維護技術(shù)將會更加智能化、高效化和便捷化。同時，也需要不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，以滿足市場需求和用戶體驗。

參考文獻[1]"徐勝彬.交流充電樁的狀態(tài)監(jiān)測與故障預警[D].福州：福建工程學院，2023.

[2]"陳程.直流充電樁智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].福州：福建工程學院，2023.

[3]"張路.基于有限狀態(tài)機的直流充電樁檢測研究[D].銀川：北方民族大學，2023.

[4]"彭也.電動汽車共享充電樁系統(tǒng)設(shè)計[D].長沙：湖南大學，2022.

[5]"陳涵，鄭蔚蔚，葉必超.充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護技術(shù)探析[J].電力設(shè)備管理，2021（9）：221-223.

[6]"陸孟，楊朝磊.電動汽車充電樁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電子世界，2021（17）：91-93.