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江蘇安科瑞電器制造有限公司
江蘇安科瑞電器制造有限公司
閱讀：227發布時間：2020-8-4
摘要：圍繞基于物聯網的電動自行車充電樁智能監測系統，介紹了該系統的軟硬件組成、各部分之間的關聯，以及該系統的工作原理、相應的設計技術，主要包括電動車充電樁的智能控制方法、充電樁與手機的通信方法，手機與服務器的數據通信等內容。
關鍵詞:充電樁；單片機；智能手機；物聯網；互聯網；服務器
1 引言
電動自行車在中國有著巨大的使用量，但是電動車電池的壽命卻不夠理想，當然電池的壽命和很多因素有關。其中一個很重要的原因是充電器造成的，比如夏天過充，冬天欠充，舊電池充電不轉燈等，普通充電樁只有幾個簡單的狀態指示燈，無法*了解充電狀態。如果能了解充電過程，并將充電數據通過互聯網上傳到充電樁廠家服務器，廠家通過大數據分析，對充電樁進行改進，則會有效提高充電器質量。同時用戶也可以通過手機詳細了解充電狀態，并通過服務器返回的充電參數調整用戶充電樁的參數，則會讓充電樁更加智能化。
2 系統架構
系統利用物聯網、智能手機、互聯網三位一體，構造了一套完整的電動自行車充電樁智能監測系統，系統構造如圖1所示。
圖1 系統架構框圖
如圖1所示，充電樁中裝有單片機，單片機負責測量電池電壓電流以及環境溫度等參數。單片機利用藍牙串口模塊與智能手機構成物聯網，進行無線通信，上傳電池充放電數據，或者下載本電池的充電參數，智能手機再通過互聯網與充電樁廠家的服務器進行通信，上傳本電池的充放電數據，或者從服務器數據庫中下載針對本電池的新的充電參數。充電樁廠家的專家通過分析用戶電池的充放電數據，研究出新的充電樁工作過程，并提出針對不同電池的充電參數，并上傳服務器，供用戶下載。同時，廠家還可以根據用戶電池的變化情況，了解新的充電參數是否對電池有效。當然廠家也可以做很多事情，比如充電樁的質量跟蹤，電池的壽命跟蹤等，為研究更好的充電樁提供實驗數據。有了這個系統，用戶和企業就可以實現交流，充電樁變得更加智能化，相當于把專家請回家，隨時提供專業指導，并提高充電效果，延長電池壽命，要完成這個系統，需要對充電樁，智能手機，服務器這3部分設計相應的軟件，另外充電樁內部還要有相應的硬件電路配合，下面具體說明這些部分的設計。
3 充電樁相關電路
為了能實現與智能手機通信，充電樁在傳統電路的基礎上加入單片機，當然電路可以整體設計，也可以在原有的普通充電樁電路上進行改造，這里以改造為例，列出與單片機相關的電路，其他電路和原充電樁相同，具體電路如圖2所示。
圖2 充電樁單片機相關電路圖
3.1電源電路
充電樁輸出經過防倒灌二極管D1加到充電電池DC1上，電池上的48V電壓經過MK1模塊降壓到直流2V，MK1 是開關模式的DC/DC降壓模塊，效率高，適用于較高的直流電壓的降壓，12V電壓一路加到運放IC2的電源上；另一路加到集成穩壓電路IC3輸入端，IC3是傳統的線性穩壓集成電路，型號為LM7805,輸出5V直流電為單片機IC1供電，單片機型號為國產的STC15w408as，采用 DIP16腳封裝，是增強型51系列單片機，有8路10位ADC模數轉換功能，有硬件PWM功能，還有串行口，定時器等功能，非常適合本電路使用。
3.2信號測量電路
電池電壓經過R5，R7分壓后加到單片機P1.0端口，利用單片機的ADC功能測量電池電壓，充電電流經過電流采樣電阻 R1 后形成采樣電壓經過單電源運算放大器 LM358 的放大后加到單片機的 P1.1端口，用來測量充電電流，7805輸出的5V電壓經過R6,RT分壓后加到單片機P1.2端口，用于環境溫度的測量，RT為負溫度系數NTC熱敏電阻，常溫25攝氏度時的阻值為10k歐。
3.3充電控制電路
當服務器傳回新的充電參數后，充電樁應該用新的充電參數來控制充電過程，充電過程的控制主要以傳統的三段式充電模式為主，該模式先恒流，后恒壓，涓流充電，是當今大多數充電樁的標準模式。 這種模式不用單片機也可以運行，單片機的作用是可以根據環境溫度，電池的新舊狀態，以及充電過程中出現的各種情況做出微調，以使電池處在充電狀態。微調的方法是單片機輸出一個模擬電壓去控制充電器穩壓環節，也就是控制穩壓集成電路 TL431 的反饋引腳，從而調整恒壓階段的電壓值。比如說環境溫度低，則恒壓值提高，環境溫度高，則恒壓值降低，若充電不轉燈，則降低恒壓值，使充電樁及時轉燈。控制了恒壓值，即控制了充電過程，由于單片機沒有DAC功能，所以利用單片機的硬件PWM功能，在P3.2引腳輸出PWM波，經過R8,C2,R9,C3兩級RC濾波后產生一個直流電壓，通過R10電阻加到TL431的反饋引腳上，從而實現充電控制功能。
3.4物聯網電路
為了能實現充電器連上互聯網和企業服務器交換數據，讓單片機通過藍牙串口模塊和手機進行藍牙組網， 圖3中MK2即是藍牙串口模塊，該模塊的 RXD,TXD分別連到單片機的 P3.0和 P3.1引腳，與單片機進行串口通信，模塊上的2.4G天線和手機藍牙進行無線通信，組成物聯網，如果有多個充電器，則多個充電器各自帶有藍牙模塊，用戶可以操作手機軟件去主動連接配對各個充電器，和他們通信，要注意的是，由于藍牙串口模式是點對點組網，所以手機每次只能連接一個充電器。
4 單片機軟件
單片機負責與手機進行串口通信，同時測量溫度，電流，電壓等參數，并將這些參數在用戶的控制下傳送到手機，并根據手機傳來的充電參數進行充電控制，其主要流程如圖3所示。
圖3 單片機程序流程圖
由圖3可見，程序主要分兩部分，一部分為主程序，主要負責測量電壓、電流、溫度等參數，以及進行充電控制，這個過程循環進行，直到關閉電源結束，另一部分為串行口中斷程序，當用戶通過手機藍牙連接電路中的藍牙串口模塊后，用戶只要有數據發送到單片機，單片機就會產生串口接收中斷，單片機在中斷函數中接收用戶發來的數據，并根據需要，將單片機中的參數送回到用戶手機上，單片機軟件要完成3種事，測量、控制及通信，由于篇幅關系，詳細程序不再列出，本軟件利用keil C開發，用C語言設計，易讀性及可移值性好，程序短小，穩定性好。
5 手機軟件
當前流行的智能手機主要以安卓系統，蘋果系統，以及微軟系統為主，根據需要可以設計不同平臺的軟件系統，雖然平臺不同，但要完成的任務及流程是一樣的，下面以安卓系統為例，本軟件用Google公司開發的ADT Bundle開發工具設計，該工具基于Java開發，自帶 Eclipes工具，并包括了Android開發庫，安裝使用都很方便，手機部分的軟件主要負責和單片機通信，以及通過互連網和遠程服務器通信，另外就是和用戶的交互，以及充電曲線及參數的顯示，和單片機通信的方法是通過藍牙串口的方式進行，和服務器通信的方法主要以B/S結構為主，就是服務器啟動Web服務，并啟用asp腳本功能,手機客戶端通過瀏覽器訪問服務器，上傳下載充電數據，這種結構開放性強，軟件開發難度低，技術成熟度高，軟件流程如圖4所示。
圖4 手機端軟件流程圖
6 服務器軟件
服務器端主要負責用戶充電數據的存儲，專家設定的充電控制參數的保存，以及用戶的交互界面，以提供數據的上傳和下載，本服務器安裝Windows 2003 Server版操作系統，安裝 SQL Server 2000數據庫，建立用戶信息表，充電信息表，用ASP技術開發，可以方便用戶交互，上傳下載充電數據，具體流程不再詳述。
7 安科瑞電動自行車充電樁及充電樁監測系統
7.1電動自行車充電樁產品介紹
電動自行車智能充電樁是新一代電動自行車智能充電設備，具有交流輸出電源遠程通斷控制、充電控制、電度計量、按時計費功能于一體的交流供電裝置，該裝置能通過電動自行車的車配充電器為電動自行車充電。支付方式可選擇投幣、刷卡、掃碼使用，設備內部可引出10路出線至插座，通過電動自行車的車配充電器完成充電。可連接云平臺給用戶提供可靠及智能化的充電服務。
7.2電動自行車充電樁技術參數
7.3電動自行車充電樁選型表
7.4電動自行車充電樁監測系統功能
7.4.1資源管理
充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁異常交易監測。
7.4.2交易結算
充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表。
7.4.3用戶管理
用戶注冊，用戶登錄，用戶賬戶管理
7.4.4充電服務
充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等。
7.4.5小程序
掃碼充電，賬單支付等功能。
7.4.6數據服務
數據采集，短信提醒，數據存儲和解析。
8 安裝應用案例
電瓶車充電樁在江陰某小區的應用
9 業務模式
9.1數據托管方式
安科瑞指導用戶完成充電樁的安裝，用戶的充電樁將數據上傳至安科瑞充電樁收費運營云平臺，委托安科瑞管理，按約定收取托管費用。
9.2用戶自建平臺
平臺建在用戶監控室內（或地點），硬件客戶可以按照我方推薦設備配置標準采購或者租用云服務器。安科瑞為客戶完成平臺的建設和運管隊伍的培訓。
10 結語
本系統綜合了充電技術，單片機技術、智能手機、計算機、物聯網、互聯網、各種系統的軟件設計，符合當今信息化，智能化社會的潮流，為企業產品的持續改進，提高客戶服務質量，自動化收集產品使用信息等方面起到了較好的作用，由于該系統能大范圍收集充電器實際運行狀態數據，以及電池工作狀態數據，為企業對產品的分析改進提供了堅實的實驗數據。
參考文獻：
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[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11
[4] 安科瑞電瓶車充電樁收費云平臺.2019.11
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