簡(jiǎn)析樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)與研究
瀏覽次數(shù):849更新時(shí)間:2021-09-10
劉丹
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要:在相關(guān)政策的大力支持下,我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)保有量持續(xù)高速增長(zhǎng),同時(shí)與之配套的充電服務(wù)運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)也正蓬勃興起,因此針對(duì)分布式充電樁的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸及其網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理變得迫在眉睫。本文以充電樁的智能監(jiān)測(cè)與互聯(lián)互通技術(shù)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測(cè)裝置,并在裝置完成充電數(shù)據(jù)采集與充電狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,研制出串口、TCP/IP、藍(lán)牙、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等多種的通信傳輸模式。應(yīng)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(shí)用性與一定的前瞻性。
關(guān)鍵詞:充電樁;智能監(jiān)測(cè);互聯(lián)互通;窄帶物聯(lián)網(wǎng);TCP/IP
引言
隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高以及綠色能源理念的不斷深入,電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展已成必然的趨勢(shì)。充電樁,作為電動(dòng)汽車(chē)所需要的配套基礎(chǔ)充電設(shè)施,在電動(dòng)汽車(chē)高速發(fā)展和政策扶持的背景下,普及速度異常迅猛。
傳統(tǒng)充電樁強(qiáng)調(diào)硬件設(shè)施,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面大部分通過(guò)有線方式實(shí)現(xiàn),不能將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至用戶(hù)與后臺(tái),具有很大局限性。針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)與研制了基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測(cè)裝置。裝置在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備相關(guān)性能信息的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)多通信傳輸方式的信號(hào)傳輸與儲(chǔ)存,以適應(yīng)各個(gè)場(chǎng)景的需求。
一、總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理
基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測(cè)裝置由狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊、互聯(lián)通信模塊構(gòu)成。狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊使用硬件模塊和嵌入式模塊實(shí)現(xiàn)充電相關(guān)性能信息采集與充電狀態(tài)控制;互聯(lián)通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算、儲(chǔ)存等功能。通過(guò)有線途徑(串口、TCP/IP)與上位機(jī)通信。當(dāng)需要短距離直接獲取數(shù)據(jù)時(shí),可用串口通信方式直接傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)到PC端;當(dāng)需要多臺(tái)設(shè)備從遠(yuǎn)端獲取數(shù)據(jù)時(shí),可用TCP/IP將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng),PC端通過(guò)局域網(wǎng)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù);上位機(jī)建立了數(shù)據(jù)庫(kù),可對(duì)兩種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、儲(chǔ)存。同時(shí),TCP/IP可將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)分析、儲(chǔ)存。此外,通過(guò)無(wú)線途徑(藍(lán)牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng))與B/S管理系統(tǒng)或APP通信,可實(shí)時(shí)了解充電信息,控制充電狀態(tài),完成賬單支付等功能。智能充電監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊將充電信息經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)鏈接云平臺(tái),用戶(hù)可使用APP或進(jìn)入B/S管理系統(tǒng)鏈接云平臺(tái)獲取相應(yīng)的充電信息,并在充電結(jié)束后完成賬單支付等功能;當(dāng)充電樁所處地區(qū)信號(hào)不好無(wú)法使用網(wǎng)絡(luò)方式時(shí),用戶(hù)可通過(guò)帶藍(lán)牙功能的設(shè)備連接裝置藍(lán)牙獲取相應(yīng)充電信息,并在充電結(jié)束后完成賬單支付等功能。智能充電監(jiān)測(cè)裝置框圖如圖1所示。
圖1智能充電監(jiān)測(cè)裝置框圖
二、充電狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊
基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測(cè)裝置使用電壓/電流互感器實(shí)
時(shí)采集充電電壓、電流等相關(guān)狀態(tài)信息,并將采集的信息傳輸至嵌入式模塊,嵌入式模塊對(duì)采集的電氣信息進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化,如計(jì)算充電量、顯示充電時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算實(shí)時(shí)電價(jià)等。通過(guò)與外部設(shè)備聯(lián)合處理控制繼電器開(kāi)斷,進(jìn)而控制電動(dòng)汽車(chē)是否開(kāi)始充電。原理如圖2所示。
圖2狀態(tài)控制/信息采集傳輸原理圖
三、互聯(lián)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(dāng)充電樁所處位置網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好且與后臺(tái)系統(tǒng)相距不遠(yuǎn)需要直接通信時(shí),采用串口通信方式傳輸數(shù)據(jù)至PC端;當(dāng)充電樁通信距離較遠(yuǎn)且需多臺(tái)設(shè)備從云平臺(tái)或PC端獲取數(shù)據(jù)時(shí),采用TCP/IP通信方式傳輸數(shù)據(jù)至云平臺(tái)與PC端。有線傳輸方式實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同場(chǎng)景,定制化的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、儲(chǔ)存、計(jì)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(shí)際運(yùn)用中為方便實(shí)時(shí)監(jiān)控充電狀態(tài)信息,將控制系統(tǒng)與PC端上位機(jī)系統(tǒng)直接相連。上位機(jī)系統(tǒng)使用LABVIEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì),控制系統(tǒng)使用I/O模擬數(shù)字信號(hào)直接對(duì)上位機(jī)進(jìn)行操作。
兩者采用RS232串口通信協(xié)議與異步半雙工模式進(jìn)行通信。通信使用VISA節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)配置串口,串口寫(xiě)入,串口讀取,關(guān)閉串口等功能[2]。串口通信節(jié)點(diǎn)具有使用方法簡(jiǎn)單、成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)。
TCP/IP通信。將裝置中網(wǎng)絡(luò)接口與局域網(wǎng)連接,通過(guò)局域網(wǎng)傳輸至云平臺(tái),同時(shí)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)通信。網(wǎng)絡(luò)接口采用ENC28J60芯片,該芯片符合以太網(wǎng)IEE8023標(biāo)準(zhǔn),可作為任何配備有SPI控制器的以太網(wǎng)接口。支持全雙工和半雙工模式,較高傳輸速率可達(dá)10MB/S的SPI接口。
充電數(shù)據(jù)通過(guò)嵌入式模塊與網(wǎng)絡(luò)接口模塊之間的連接傳輸,同時(shí)使用雙絞線連接網(wǎng)卡和以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收。
可實(shí)時(shí)監(jiān)控和存儲(chǔ)充電樁的充電電壓、電流、時(shí)間、電量等數(shù)據(jù)。
2、無(wú)線傳輸方式
無(wú)線傳輸方式主要采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)與藍(lán)牙通信方式。窄帶物聯(lián)網(wǎng)可通過(guò)無(wú)線傳輸方式實(shí)時(shí)將充電數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái),具有鏈接能力強(qiáng)、傳輸速度快、覆蓋率高、功耗小等特點(diǎn);當(dāng)充電樁所處地區(qū)信號(hào)不好無(wú)法使用網(wǎng)絡(luò)方式時(shí),采用藍(lán)牙通信方式傳輸數(shù)據(jù)至終端APP。無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)快速、便捷的監(jiān)測(cè)與控制充電過(guò)程。傳輸流程如圖4所示。
圖4無(wú)線傳輸方式傳輸流程圖
窄帶物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)層與傳輸網(wǎng)絡(luò)層的連接,達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理控制的目的。針對(duì)目前廣域物聯(lián)網(wǎng)在電動(dòng)汽車(chē)信號(hào)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用中存在能耗大、穿透能力弱、覆蓋范圍小等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NarrowBandInternetofThings,NB?IOT)的智能傳輸系統(tǒng)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是基于3GPP的技術(shù),具有強(qiáng)鏈接、高覆蓋、低功耗的特點(diǎn)。
每一個(gè)通信終端都與云平臺(tái)關(guān)聯(lián),使其準(zhǔn)確定位每一個(gè)充電樁。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將整個(gè)系統(tǒng)分為3層,分別是數(shù)據(jù)采集層、通信網(wǎng)絡(luò)層、管理平臺(tái)層。數(shù)據(jù)采集層可獲取環(huán)境信息、用戶(hù)信息、以及電能消耗信息,為充電樁的監(jiān)管提供準(zhǔn)確、較多的數(shù)據(jù)。通信網(wǎng)絡(luò)層采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為通信技術(shù)。管理平臺(tái)層作為充電樁遠(yuǎn)程管理平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、存儲(chǔ)等功能。
充電樁數(shù)據(jù)通過(guò)嵌入式模塊傳送到窄帶物聯(lián)網(wǎng)模塊,經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)鏈接云平臺(tái)??墒褂肂/S管理系統(tǒng)或APP實(shí)時(shí)查詢(xún)充電情況。
藍(lán)牙通信。藍(lán)牙通信采用HC-05嵌入式藍(lán)牙通信模塊,可與各種帶藍(lán)牙功能的手機(jī)、電腦、PDA等智能終端配對(duì)。智能終端藍(lán)牙與裝置藍(lán)牙模塊連接后,本地控制端APP實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙模塊搜索、匹配和通信。通過(guò)該APP發(fā)送針對(duì)充電樁的控制指令,如開(kāi)斷指令。同時(shí)接收充電樁返回的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,傳輸內(nèi)容主要包括:充電時(shí)長(zhǎng)、充電量、實(shí)時(shí)電價(jià)、總費(fèi)用、歷史查詢(xún)、支付方式等。
四、安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)
1、系統(tǒng)架構(gòu)
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控,同時(shí)對(duì)各類(lèi)故障如充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警;通過(guò)微信小程序掃描二維碼,進(jìn)行支付后,系統(tǒng)發(fā)起充電請(qǐng)求,控制二維碼對(duì)應(yīng)的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)程。
充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng),配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù),基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議,與云端進(jìn)行直連。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營(yíng)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(hù)檔案管理,充電樁運(yùn)行監(jiān)測(cè),充電樁異常交易監(jiān)測(cè)。
交易結(jié)算:充電價(jià)格策略管理,預(yù)收費(fèi)管理,賬單管理,營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表
用戶(hù)管理:用戶(hù)注冊(cè),用戶(hù)登錄,用戶(hù)帳戶(hù)管理,消息管理
充電服務(wù):充電設(shè)施搜索,充電設(shè)施查看,地圖尋址,在線自助支付充電,充電結(jié)算,導(dǎo)航等
微信小程序:掃碼充電,賬單支付等功能
數(shù)據(jù)服務(wù):數(shù)據(jù)采集,短信提醒,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析
變壓器監(jiān)控:監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷,每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線表,超負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理,即當(dāng)負(fù)荷超過(guò)百分之五十時(shí),系統(tǒng)會(huì)限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率,降為百分之五十,當(dāng)變壓器負(fù)荷超過(guò)百分之八十時(shí),系統(tǒng)將不允許新增充電樁開(kāi)始充電,直到負(fù)荷下降為止。
2、平臺(tái)功能
2.1平臺(tái)登錄
在瀏覽器打開(kāi)云平臺(tái)鏈接、輸入賬戶(hù)名和權(quán)限密碼,進(jìn)行登錄,防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。
2.2平臺(tái)首頁(yè)
平臺(tái)首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶(hù)數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng),累計(jì)的開(kāi)戶(hù)數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng),以及相應(yīng)的環(huán)比增長(zhǎng)和同比增長(zhǎng)以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。
2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控
?充電站監(jiān)控
充電站監(jiān)控頁(yè)面監(jiān)視用戶(hù)充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等,匯總了用戶(hù)擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時(shí)長(zhǎng),進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢(xún)。
?充電槍監(jiān)控
充電樁監(jiān)控頁(yè)面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時(shí)長(zhǎng)和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)長(zhǎng)等、充電電壓電流等參數(shù)。
2.4微信小程序
?搜索與使用
微信小程序可以通過(guò)掃描二維碼和微信文字搜索找到,點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表,如下圖所示
?授權(quán)登錄界面
用戶(hù)通過(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí),會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面,需要用戶(hù)授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面,如圖所示:
?主功能頁(yè)
初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能,在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站,查看充電站信息,可以進(jìn)行掃碼充電操作,地圖導(dǎo)航等。
?充電
掃描充電槍上的二維碼,如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁(yè)面,可以查看到當(dāng)前的充電站名稱(chēng)、充電槍名稱(chēng),以及當(dāng)前的賬戶(hù)余額,電價(jià)和預(yù)計(jì)可充電量等數(shù)據(jù),還可以查看當(dāng)前賬戶(hù)的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
?個(gè)人信息
個(gè)人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號(hào)的昵稱(chēng)和余額,同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢(xún)、賬單查詢(xún)、充電記錄查詢(xún)、設(shè)置支付密碼等功能
3、硬件配置
3.1平臺(tái)服務(wù)器:建議按照我方推薦配置購(gòu)買(mǎi),或者客戶(hù)自己租用阿里云資源。
推薦硬件配置清單:(如申請(qǐng)阿里云可忽略)
若客戶(hù)自己租用阿里云服務(wù)器,服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點(diǎn)數(shù)的不同,分別如下:
3.2現(xiàn)場(chǎng)推薦硬件配置清單:
五、結(jié)束語(yǔ)
基于樁聯(lián)網(wǎng)的智能充電監(jiān)測(cè)裝置由狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊和互聯(lián)通信模塊構(gòu)成。狀態(tài)控制與信息采集傳輸模塊可實(shí)現(xiàn)充電相關(guān)性能信息采集與充電狀態(tài)控制?;ヂ?lián)通信模塊通過(guò)有線途徑(串口、TCP/IP)與上位機(jī)通信,通過(guò)無(wú)線途徑(藍(lán)牙與窄帶物聯(lián)網(wǎng))與B/S管理系統(tǒng)或APP通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算、儲(chǔ)存等功能。做到了讓用戶(hù)隨時(shí)隨地知曉充電狀態(tài),掌控充電過(guò)程,完成充電并支付相關(guān)費(fèi)用。整套裝置成本較為低廉,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,人機(jī)交互界面智能化,實(shí)用性強(qiáng)。
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