劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

摘要:介紹種基于wei信支付和ID卡支付的公用電動自行車充電系統,系統包括充電終端、云服務器、shouji客戶端。充電終端以STM32為控制核心,通過控制繼電器通斷實現對電動車的充電;利用HLW8012功率芯片測量充電電路功率;采用wei信支付和ID卡兩種支付方式進行結算;通過IAP功能實現遠程升級功能;充電終端與云服務器通過4G通信模塊進行數據傳輸。系統測試結果表明,該系統能夠實現遠程控制,測試充電功率測量準確,充電時間計算誤差小,控制系統性能穩定可靠。

關鍵詞：電動自行車；電瓶車充電樁；智能；shoujiAPP

0引言

作為節能、便捷、價格低廉的交通工具,電動自行車受到了越來越多人的青睞,尤其是在學校、居民小區,電動自行車已經成為多數人使用的代步工具。由于充電設備的不足,且電池重量較大,隨意私拉電線為電動自行車充電的現象越來越多,給小區帶來了巨大的隱患。根據guowuyuan安委會辦公室關于開展電動自行車消防綜合治理工作的通知,zhengfu鼓勵新建住宅小區同步設置集中停放場和具有定時充電、自動斷電、故障報警等功能的智能充電控制設備。為此,本文設計了種基于wei信平臺的充電控制系統,該充電系統能夠建立充電樁、shouji客戶端、云服務器之間的數據通信,shouji用戶可以通過wei信平臺遠程完成打開充電樁、支付等功能,同時能在shouji客戶端上實時查看到電車充電狀態、剩余充電時間等信息。

1系統架構

充電樁系統由充電終端、云服務器、shouji客戶端組成,圖1充電樁系統組成該系統如圖1所示。充電終端用于為用戶充電并將充電設備的信息上報云服務器,用戶通過wei信客戶端發出指令,充電終端執行相應的操作,同時將充電狀態通過云服務器反饋給客戶端,使用戶實時掌握充電狀態。shouji客戶端以wei信為平臺,通過wei信公眾號將用戶與服務器連接,用戶可以通過wei信完成支付,查詢充電狀態、充電時間、消費記錄等信息。云服務器負責接收數據、保存數據、發布等功能,為用戶和運營者提供業務請求。用戶shouji客戶端通過shouji的4G、WiFi等方式與云服務器建立連接;充電終端用4G模塊與云服務器建立連接。用戶通過shoujiwei信掃描二維碼,登錄wei信公眾平臺選擇該充電樁,并選擇某個充電口進行充電。

圖1 充電樁系統組成

2充電樁終端控制系統設計

2.1硬件電路設計

硬件控制電路由主控制器、電源電路、HLW8012功率測量電路、ULN2008達林頓驅動電路、4G模塊、EEP-ROM、ID卡模塊、按鍵模塊等部分組成。充電樁終端控制系統機構如圖2所示。其中主控制器采用意法半導體公司的STM32F103VET6處理器,采用ULN2008驅動繼電器控制充電樁樁口的通斷,采用XW12A電容按鍵為按鍵模塊。

圖2 終端控制系統結構圖

2.1.1電源電路設計

電源模塊分為控制系統電源模塊和功率測量電源模塊。控制系統電源模塊為(外部提供)12V電源,電源電路將12V轉為5V和3.3V供控制系統使用,該部分電源電路如圖3所示。

圖3 控制系統電源電路

功率測量電源模塊為ACDC非隔離電源,輸入為220V交流電,輸出為5V直流電為功率測量電路供電,該部分電源電路如圖4所示。

圖4 功率測量電源電路

2.1.2功率測量電路設計

本次設計采用的功率測量芯片為HLW8012,該款芯片為單相電能計量芯片,可以測量有用功率、電量、電壓有效值、電流有效值等。其芯片輸出高頻脈沖CF,指示有用功率,在1000:1的范圍內可達±0.3%的精度,可精確測量充電樁損耗功率。充電樁口的正極通過LIN與LOUT端與測量芯片功率連接,測量芯片通過比較V1P與V1N兩端的電壓差計算出通過電阻R1的電流。電壓信號通過電阻網絡分壓由V2P采集電路電壓值,所測得的采樣電壓值為輸入電壓的1/1881。功率測量電路如圖5所示。

圖5 功率測量電路

2.1.3EEPROM模塊

EEPROM模塊采用的芯片為AT24C512,該芯片連接MCU的I2C接口。模塊記錄的內容包括設備編號、充電時間、升級標志位以及充電輸出狀態等。當充電樁與服務器斷開連接或者充電樁短時間斷電,設備可以斷電續充,保證系統有良好的容錯能力。

2.1.44G通信模塊

通信模塊采用有人物聯網公司的USRLTE7S4模塊,這是款功能豐富的M2M產品。以“透傳”作為功能核心,可以方便快捷地集成于開發系統中。4G模塊與MCU的UART2串口連接,用于實現充電樁與服務器之間的數據傳輸。充電樁與服務器通過4G以心跳包方式進行數據通信,每次發送的數據包由幀頭、功能碼、數據信息、校驗碼和幀尾組成。協議分為服務器主動下發和設備主動上報兩種,各部分數據包及數據內容如表1所列。

2.2軟件流程設計

在硬件電路設計基礎上,進行智能充電樁控制系統開發。軟件設計采用C語言在Keil平臺上進行系統開發。Keil軟件平臺提供在線仿真和硬件仿真兩種調試模式,在編寫程序時可以有效調試程序。

2.2.1程序流程設計

該系統的流程分為注冊流程圖、充電流程圖和停止充電流程圖。充電樁系統打開后先進行硬件初始化(包括功率模塊、時鐘、串口、中斷和GPRS),之后通過GPRS向服務器發送注冊包,收到服務器回復的報文后確認注冊成功,服務器獲取設備狀態并向下位機設置功率參數。注冊流程圖如圖6所示。

圖6 注冊流程圖

充電樁設計有2種充電方式:刷卡方式和wei信方式。用戶選擇充電方式之后,根據服務器發送的數據包作出相應的判斷,打開相應的充電樁口以及上報相應的信息。服務器通過上報的功率以及充電金額計算出充電時間,并下發給充電樁,充電樁記錄充電時間并開始充電。充電流程圖如圖7所示。

圖7 充電流程圖

在充電過程中,充電樁將實時監控充電功率、充電時間是否結束以及服務器是否發送主動斷電指令。充電停止分為兩種情況,種是充電時間到達,充電樁自動關閉充電樁口,上報設備信息,服務器通知用戶充電結束。另種是異常斷電,其中包括功率過大或過小、服務器主動斷電。充電樁斷電后將斷電信息上報服務器,并通知用戶設備斷電。該流程圖如圖8所示。

圖8 斷電流程圖

2.2.2功率測量

軟件設計功率測量模塊主要測量打開的充電樁口功率,功率測量正常工作需要進行初始化,初始化包括I/O口配置、時鐘配置、中斷配置等。在初始化完畢后,依次查詢正在充電的充電樁口。若MCU捕捉到相應I/O口的脈沖沿變化,定時器開啟定時,MCU統計在1s內的脈沖沿個數,MCU根據捕捉到的脈沖個數計算功率值。功率測量流程如圖9所示。

圖9 功率測量流程圖

根據捕捉到的脈沖個數,可以計算出負載的有用功率。有用功率頻率的理論值計算如下:F=V1·V2·48VREF·fosc128其中,F為有用功率對應的輸出脈沖頻率值;V1為電流通道的電壓信號;V2為電壓通道上的電壓信號;VREF為內部基準電壓,典型電壓是2.43V;fosc是內置晶振,頻率為3.579MHz。由于V1和V2與負載的電流電壓均為線性關系,因此有用功率與頻率F呈線性關系,因此測量功率計算公式如下:FCalF=PCalP其中,PCal和FCal分別為校準功率值和校準功率值實測的頻率值,本次設計所用的校準功率為1kW;P和F分別為實際負載的功率和測量到的頻率值。經驗證,測量的得到的精度為±3%。

2.2.3遠程升級軟件設計

STM32支持IAP(InApplicationProgramming)功能,實現在線升級功能。該功能的實現需要兩個項目的代碼:項為Bootloader,該項目不執行項目功能操作,而是通過UART2連接的4G模塊接收服務器傳送過來的程序包,將新的APP程序寫入到FLASH中,并完成跳轉功能;二項是升級的APP程序包。下位機需要升級時,服務器將下發指令,修改EEPROM中的升級狀態標志位,下位機讀取到升級標志位后,重啟并上報服務器準備接收APP程序,同時地址偏移后的APP程序的中斷向量表也需同等偏移,使得中斷程序能夠正常響應。

3客戶端

wei信客戶端主要為用戶提供充電樁下位機和服務器的信息處理平臺,用戶在客戶端上對充電樁進行操作。客戶端分為用戶充電頁面、正在充電頁面和賬戶管理頁面。用戶充電頁面使用操作如下:

①用戶使用shouji登錄并關注充電樁公司提供的wei信公眾號,wei信客戶端通過wei信號作為用戶ID,完成信息注冊。

②用wei信公眾號掃描充電設備上的二維碼或手動輸入設備編號,選取該充電樁。

③選擇此時空閑的充電樁口,并將充電設備連接在相應的充電位置,輸入需要充電的金額,并點擊“開始充電”。

④客戶端將顯示出用電功率以及充電時間,并在充電結束時斷開電路并提示用戶取走充電設備。正在充電頁面顯示該用戶正在使用的充電設備信息,包括充電樁編號、充電設備的功率、充電費率、剩余時長和開始時間等信息。在此頁面可提前關閉充電,結束充電任務。賬戶管理頁面供用戶查詢賬戶余額、綁定shouji號、惠卡、賬單等用戶信息。

4測試與結論

4.1測試

將負載插入充電終端,打開wei信公眾號,選取測試充電樁和充電樁口,選擇充電金額并打開充電。用功率計量插座測得負載的實時功率,計算出實際功率與讀取的功率之間的差值。在客戶端選擇打開充電,繼電器閉合,功率計量插座顯示的實時功率為596W,客戶端顯示功率為614W,符合設計需求。充電時間為充電金額與充電功率的商值,本設計中設置的充電價格為600W·h/元,客戶端顯示充電時間為1小時,符合設計需求。充電過程中分別將負載換為1000W和10W,充電終端在3s內關斷充電樁口,并且客戶端上顯示斷電原因,實時性符合設計需求。

5 安科瑞電動自行車平臺及選型介紹

安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數據交互。系統能夠對電動自行車充電樁的日常狀態、充電過程進行監控；實現充電支付對接：支持投幣、刷卡、wei信支付等多種支付方式，保證支付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進行有效預警；實現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯網平臺、小程序等，提供相關異常數據，實現電動車充電管理的網絡化、可視化。

①　預警

  對平臺連接的所有充電樁狀態進行監視，充電樁發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號，及時火災隱患。

②　交易結算管理

  平臺為運營方提供充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。

③　充電服務

  可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現充電。

④　運營分析

  對訂單進行數據化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數據，并支持和第三方平臺對接。

⑤　wei信小程序

可通過wei信小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業管理人員均可通過小程序管理，監測充電樁狀態和充電交易情況。

⑥產品選型

A款的ACX10A-YH刷卡掃碼充電，刷卡充電需要在管理處預存電費充值后進行刷卡充電，也可接入充電樁管理云平臺通過掃碼充電；

  B款的ACX10B-TYH全功能型在A款的ACX10A-YH基礎上增加投幣功能，ACX10B-YH與A款的功能接近，但是B款產品均支持在不需要云平臺下的項目中單獨使用。

6 結束語

本文實現了種基于wei信的公用電動自行車充電樁設計。系統包括充電樁終端、shouji客戶端和云服務器三部 分。本文主要介紹充電終端設計,先對充電樁的整體結 構設計描述,然后進行硬件電路設計,包括主控電路、電源 電路、功率計量電路、4G通信模塊的軟硬件實現。實際測 試證明,本文的設計方案能夠控制多路樁口通斷,用戶可 以使用wei信客戶端進行操作。

參考文獻：

• [1]王佳佳,孫玉濤.蚌埠市電動自行車充電站的現狀和前景的 調研[J].高新技術產業發展,2012(7):28 29.
• [2]陳富安,白超杰  wei信與ID卡支付的公用電動自行車充電樁
• [3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

作者簡介：劉細鳳，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電瓶車充電平臺研發與應用