簡析樁聯網的智能充電監測裝置設計與研究

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要：在相關政策的大力支持下，我國電動汽車保有量持續高速增長，同時與之配套的充電服務運營市場也正蓬勃興起，因此針對分布式充電樁的數據采集、信號傳輸及其網絡化統一管理變得迫在眉睫。本文以充電樁的智能監測與互聯互通技術為研究對象，設計開發了基于樁聯網的智能充電監測裝置，并在裝置完成充電數據采集與充電狀態監控的基礎上，針對不同的應用場景，研制出串口、TCP/IP、藍牙、窄帶物聯網等多種的通信傳輸模式。應用情況表明，該裝置管理方便，能提高分布式充電樁使用率，具有較好的實用性與一定的前瞻性。

關鍵詞：充電樁；智能監測；互聯互通；窄帶物聯網；TCP/IP

引言

       隨著人們環保意識的提高以及綠色能源理念的不斷深入，電動汽車的快速發展已成必然的趨勢。充電樁，作為電動汽車所需要的配套基礎充電設施，在電動汽車高速發展和政策扶持的背景下，普及速度異常迅猛。

       傳統充電樁強調硬件設施，數據監測方面大部分通過有線方式實現，不能將采集的數據實時傳送至用戶與后臺，具有很大局限性。針對上述問題，本文設計與研制了基于樁聯網的智能充電監測裝置。裝置在實時監測設備相關性能信息的基礎上，實現多通信傳輸方式的信號傳輸與儲存，以適應各個場景的需求。

一、總體設計與實現原理

       基于樁聯網的智能充電監測裝置由狀態控制與信息采集傳輸模塊、互聯通信模塊構成。狀態控制與信息采集傳輸模塊使用硬件模塊和嵌入式模塊實現充電相關性能信息采集與充電狀態控制；互聯通信模塊實現數據傳輸、計算、儲存等功能。通過有線途徑（串口、TCP/IP）與上位機通信。當需要短距離直接獲取數據時，可用串口通信方式直接傳輸相應數據到PC端；當需要多臺設備從遠端獲取數據時，可用TCP/IP將數據傳輸到局域網，PC端通過局域網獲取相應數據；上位機建立了數據庫，可對兩種方式傳輸的數據進行計算、儲存。同時，TCP/IP可將數據傳輸至云平臺分析、儲存。此外，通過無線途徑（藍牙與窄帶物聯網）與B/S管理系統或APP通信，可實時了解充電信息，控制充電狀態，完成賬單支付等功能。智能充電監測裝置通過窄帶物聯網模塊將充電信息經過物聯網鏈接云平臺，用戶可使用APP或進入B/S管理系統鏈接云平臺獲取相應的充電信息，并在充電結束后完成賬單支付等功能；當充電樁所處地區信號不好無法使用網絡方式時，用戶可通過帶藍牙功能的設備連接裝置藍牙獲取相應充電信息，并在充電結束后完成賬單支付等功能。智能充電監測裝置框圖如圖1所示。

圖1智能充電監測裝置框圖

二、充電狀態控制與信息采集傳輸模塊

基于樁聯網的智能充電監測裝置使用電壓/電流互感器實

時采集充電電壓、電流等相關狀態信息，并將采集的信息傳輸至嵌入式模塊，嵌入式模塊對采集的電氣信息進行計算優化，如計算充電量、顯示充電時長、計算實時電價等。通過與外部設備聯合處理控制繼電器開斷，進而控制電動汽車是否開始充電。原理如圖2所示。

圖2狀態控制/信息采集傳輸原理圖

三、互聯通信模塊

1、有線傳輸方式

       有線傳輸方式主要采用串口通信與TCP/IP通信方式。當充電樁所處位置網絡信號不好且與后臺系統相距不遠需要直接通信時，采用串口通信方式傳輸數據至PC端；當充電樁通信距離較遠且需多臺設備從云平臺或PC端獲取數據時，采用TCP/IP通信方式傳輸數據至云平臺與PC端。有線傳輸方式實現針對不同場景，定制化的進行數據傳輸、儲存、計算。傳輸流程如圖3所示。

圖3有線傳輸方式傳輸流程圖

       串口通信。在實際運用中為方便實時監控充電狀態信息，將控制系統與PC端上位機系統直接相連。上位機系統使用LABVIEW進行程序設計，控制系統使用I/O模擬數字信號直接對上位機進行操作。

       兩者采用RS232串口通信協議與異步半雙工模式進行通信。通信使用VISA節點，實現配置串口，串口寫入，串口讀取，關閉串口等功能[2]。串口通信節點具有使用方法簡單、成本低、數據傳輸速率高等特點。

TCP/IP通信。將裝置中網絡接口與局域網連接，通過局域網傳輸至云平臺，同時通過TCP/IP協議與上位機通信。網絡接口采用ENC28J60芯片，該芯片符合以太網IEE8023標準，可作為任何配備有SPI控制器的以太網接口。支持全雙工和半雙工模式，較高傳輸速率可達10MB/S的SPI接口。

       充電數據通過嵌入式模塊與網絡接口模塊之間的連接傳輸，同時使用雙絞線連接網卡和以太網交換機進行數據的發送、接收。

       可實時監控和存儲充電樁的充電電壓、電流、時間、電量等數據。

2、無線傳輸方式

       無線傳輸方式主要采用窄帶物聯網與藍牙通信方式。窄帶物聯網可通過無線傳輸方式實時將充電數據傳輸至云平臺，具有鏈接能力強、傳輸速度快、覆蓋率高、功耗小等特點；當充電樁所處地區信號不好無法使用網絡方式時，采用藍牙通信方式傳輸數據至終端APP。無線傳輸方式實現快速、便捷的監測與控制充電過程。傳輸流程如圖4所示。

圖4無線傳輸方式傳輸流程圖

       窄帶物聯網云平臺。物聯網云平臺可實現傳感網絡層與傳輸網絡層的連接，達到數據監測和遠程管理控制的目的。針對目前廣域物聯網在電動汽車信號傳輸系統應用中存在能耗大、穿透能力弱、覆蓋范圍小等問題，設計了基于窄帶物聯網（NarrowBandInternetofThings，NB?IOT）的智能傳輸系統。窄帶物聯網是基于3GPP的技術，具有強鏈接、高覆蓋、低功耗的特點。

       每一個通信終端都與云平臺關聯，使其準確定位每一個充電樁。窄帶物聯網技術可將整個系統分為3層，分別是數據采集層、通信網絡層、管理平臺層。數據采集層可獲取環境信息、用戶信息、以及電能消耗信息，為充電樁的監管提供準確、較多的數據。通信網絡層采用窄帶物聯網技術作為通信技術。管理平臺層作為充電樁遠程管理平臺，可實現對充電樁的歷史數據的查詢、存儲等功能。

       充電樁數據通過嵌入式模塊傳送到窄帶物聯網模塊，經過物聯網鏈接云平臺。可使用B/S管理系統或APP實時查詢充電情況。

       藍牙通信。藍牙通信采用HC-05嵌入式藍牙通信模塊，可與各種帶藍牙功能的手機、電腦、PDA等智能終端配對。智能終端藍牙與裝置藍牙模塊連接后，本地控制端APP實現對藍牙模塊搜索、匹配和通信。通過該APP發送針對充電樁的控制指令，如開斷指令。同時接收充電樁返回的數據，實現數據的雙向傳輸，傳輸內容主要包括：充電時長、充電量、實時電價、總費用、歷史查詢、支付方式等。

四、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統架構

       安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。

       充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網，配合加密技術和秘鑰分發技術，基于TCP/IP的數據交互協議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體功能如下：

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。

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

用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

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

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數據服務：數據采集，短信提醒，數據存儲和解析

變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統自動對充電樁的進行調度管理，即當負荷超過百分之五十時，系統會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過百分之八十時，系統將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

       在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

2.2平臺首頁

       平臺首頁總覽每天的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，累計的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，以及相應的環比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實時監控

?充電站監控

       充電站監控頁面監視用戶充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時長，進行負荷限制、故障查詢。

?充電槍監控

       充電樁監控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時長等、充電電壓電流等參數。

2.4微信小程序

?搜索與使用

       微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

?授權登錄界面

       用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面，需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：

?主功能頁

       初次進入主功能頁時需要授權定位才可以使用地圖相關功能，在地圖上查看到當前所在區域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導航等。

?充電

       掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進進行評價。

?個人信息

       個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

若客戶自己租用阿里云服務器，服務器配置根據充電槍點數的不同，分別如下：

3.2現場推薦硬件配置清單：

五、結束語

       基于樁聯網的智能充電監測裝置由狀態控制與信息采集傳輸模塊和互聯通信模塊構成。狀態控制與信息采集傳輸模塊可實現充電相關性能信息采集與充電狀態控制。互聯通信模塊通過有線途徑（串口、TCP/IP）與上位機通信，通過無線途徑（藍牙與窄帶物聯網）與B/S管理系統或APP通信，實現數據傳輸、計算、儲存等功能。做到了讓用戶隨時隨地知曉充電狀態，掌控充電過程，完成充電并支付相關費用。整套裝置成本較為低廉，數據傳輸穩定，人機交互界面智能化，實用性強。

 

 

參考文獻

[1]馮星博.基于Wi-Fi的充電樁群的監測與控制系統設計[D]大連：大連理工大學,2016

[2]王澄睿，蒙怡帆，周禧龍，劉凱文，劉哲宇，陳韻含.基于樁聯網的智能充電監測裝置設計與研制

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊202006版