一種電動自行車自動充電控制系統(tǒng)的設計

范虹興，蔡　超，張震宇

(浙江科技學院 自動化與電氣工程學院，杭州 310023)

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一種電動自行車自動充電控制系統(tǒng)的設計

范虹興，蔡超，張震宇

(浙江科技學院 自動化與電氣工程學院，杭州 310023)

摘要:針對電動自行車充電不夠便捷這一現狀，設計了一種自動充電控制系統(tǒng)，適用于城市居民小區(qū)。該系統(tǒng)由一個中心控制器和若干個智能型充電座構成，中心控制器和充電座之間采用ISM無線射頻方式進行通信，進而實現了一整套自動充電控制系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)的基本工作原理，描述其整體硬件構成并給出其關鍵的電路圖，還分析了它的軟件設計的要點，歸納了該系統(tǒng)的特點。我們設計的這一控制系統(tǒng)，提高了電動自行車充電的便捷性，其所涉及的核心技術可做相關推廣應用。

關鍵詞:電動自行車；充電控制系統(tǒng)；單片機；IC卡；無線通信

圖2　充電座硬件構成示意Fig.2　Diagram of hardware composition for charger

電動自行車是一種綠色交通工具，具有無污染、低價、安全等優(yōu)點，深受國內城市居民的青睞[1]。電動自行車一般采用充電式電池作為動力源，其充電是否便捷是一個值得關注的問題。當前，在國內一些較老的城市小區(qū)，電動自行車充電相關的公共配套設施相對欠缺。比如，有的公寓樓沒有電梯，而有些居民所住樓層較高，要為電動自行車充電，目前采用的方法主要有以下幾種[2]：一是取出電池搬回家充電。由于有些電池較重，用戶搬動較為費力。雖然近年來出現了一些相對輕便的鋰電池電動自行車，但因其價格較為昂貴，還未大范圍普及。二是從家中接線到一樓充電。用戶不必從電動自行車內取出電池，而是直接在一樓單元門處充電。充電完畢后，用戶收回接線板，這種充電方式不僅麻煩，且充電地點無人監(jiān)管，易發(fā)生被盜情況。三是在路邊的投幣式快速充電站充電。因充電站采用大電流充電，所以能達到快速充滿的效果，但這種充電方式顯然對電池的性能有一定的損害，僅適用于用戶在行駛途中沒電時急用。四是在小區(qū)內指定的設備上付費充電。近年來有些小區(qū)安裝了電動自行車專用充電設備，以方便用戶充電，目前一般是用戶現場付費充電，設備安排有專人負責管理。這種方法雖然方便，但增加了人力支出，不值得推廣。

在對上述幾種典型的充電方法進行分析后可知，目前的電動自行車充電方式在安全性、便捷性、高效性等方面存在一定的不足。為解決此問題，筆者應用電子電路、單片機、IC卡、無線通信等技術，設計了一種電動自行車充電自動控制系統(tǒng)(以下簡稱充電自控系統(tǒng))，克服了現有充電方式的缺陷，適合在城市小區(qū)推廣使用。

1基本工作原理及硬件構成

圖1　系統(tǒng)整體硬件構成示意Fig.1　Diagram of overall hardware composition for system

充電自控系統(tǒng)由一個中心控制器和若干個智能型充電座構成，其整體硬件構成如圖1所示。中心控制器安裝于小區(qū)物業(yè)管理處，交由物業(yè)管理人員管理，在每幢居民樓的各單元門處分別安裝一個智能型充電座，其配置的數量可根據實際情況而定，用戶購買IC卡并充值。當電動自行車需要充電時，將其充電器插頭插入智能型充電座的插座，然后刷卡，根據顯示屏的提示選擇充電時長，充電座即開始為其充電，用戶選擇的時長達到后，充電座會自動斷開充電電路，并發(fā)送充電完畢的短信至用戶手機。如此，極大地提高了充電的便捷性和效率。中心控制器和智能型充電座具有RF無線通信功能，由此組成了一個無線通信網絡，根據設定的通信協(xié)議，各充電座的相關工作數據能無線發(fā)送至中心控制器。

1.1智能型充電座

智能型充電座在硬件上由電源電路、單片機、IC卡讀寫電路、充電接口電路、用電量計量電路、人機對話電路、GSM短信發(fā)送電路、EEPROM電路及無線通信電路構成，其硬件構成如圖2所示。

充電座以單片機為控制和信息處理核心，統(tǒng)籌各外圍電路協(xié)調工作。單片機型號選用了STM32F107，該芯片具有豐富的功能模塊和接口[3]。電源電路采用ASM1117-5.0和ASM1117-3.3芯片，將9 V電源適配器的電壓降至5 V和3.3 V穩(wěn)定直流電壓，供給單片機及上述外圍電路模塊。用戶刷卡時，單片機首先令IC卡讀寫電路讀取用戶IC卡的身份、密碼、金額等數據，經判斷后若符合設定的條件，又令LCD顯示屏給出選擇充電時長的提示信息，然后等待用戶按鍵操作。用戶根據提示進行按鍵操作后，單片機令IC卡讀寫電路根據應扣除的金額重寫IC卡的對應扇區(qū)，實現費用扣除。單片機令充電接口電路接通電動自行車的充電器，于是開始充電；同時，單片機內置的定時器開始計時。當達到用戶所選的時長后，充電接口電路斷開，LCD顯示屏給出充電已完畢的提示信息，同時發(fā)送提示短信到用戶預留的手機號碼。在充電過程中，用電量計量電路能根據測得的電壓、電流等電參數，計算出充電座消耗的有功功率并作記錄。這樣，一方面可根據用電量情況推斷出各充電座的使用量，另一方面可根據用電量數據定期與供電部門結算。在每月設定的日期(比如設定為每月1日的12:00AM)發(fā)送充電座的用電量給中心控制器，中心控制器記錄各充電座的用電量數據。EEPROM電路采用24C256芯片，用于保存充電過程中的相關數據，掉電不丟失。GSM短信發(fā)送電路選用了SIM300模塊，和單片機之間以串口連接，應用AT指令進行通信。無線通信電路選用了Si4432芯片，用于和中心控制器實現雙向無線通信。

1.1.1IC卡讀寫電路

圖3　IC卡讀寫電路Fig.3　Schematic circuit of reading and writing for IC card

1.1.2充電接口電路

通過充電接口電路，單片機能實現對220 V市電火線、零線接通與斷開的控制，充電接口電路如圖4所示。當讀到的IC卡符合條件時，單片機令引腳CON1=1。分析電路可知，此時三極管Q1、Q2導通，于是繼電器Relay1、Relay2的常開觸點均接通，插座上便輸出220 V市電，電動自行車的充電器即開始為蓄電池充電；當讀到的IC卡不符合條件或符合條件的IC卡用戶所選的時長達到后，單片機令引腳CON1=0，分析后可知插座無電，無法為蓄電池充電。這種將火線、零線都納入控制的做法，確保了用電時的安全性。

圖4　充電接口電路Fig.4　Schematic circuit of charging interface

1.1.3用電量計量電路

充電自控系統(tǒng)選用CSE7759作為用電量計量芯片，這是一種單相多功能計量芯片[5]，計量精度可達0.2%，計量電路如圖5所示。將火線上的電流信號通過1 mΩ的錳銅電阻采樣后，轉換為電壓信號差分輸入至CSE7759的V1P、V1N引腳，零線上的電壓信號則通過R3、R4電阻分壓后，輸入至CSE7759的V2P引腳。該芯片的CF輸出指示負載上有功功率的頻率信號，CF1則輸出指示負載上電壓有效值(SEL被設置為1時)或電流有效值(SEL被設置為0時)的頻率信號。單片機通過測量出CF、CF1輸出的頻率信號的周期，可計算出負載上的有功功率、有效電壓、有效電流，結合充電座每次的工作時長，即可得出每次工作的用電量數值。

圖5　用電量計量電路Fig.5　Schematic circuit of power consumption measurement

1.1.4無線通信電路

充電自控系統(tǒng)采用的無線通信芯片為Si4432，這是一個CMOS射頻集成電路[6]，包含了所有ISM頻段應用所需的發(fā)射和接收功能，可工作在315、433、868、915 MHz頻段，工作電壓為3.3 V。無線通信電路如圖6所示，Si4432與單片機采用SPI接口連接，其中射頻前端采用了分集式開關電路SKY13267，以實現無線發(fā)送和接收的自動切換。

圖6　無線通信電路Fig.6　Schematic circuit of wireless communication

1.2中心控制器

3.2.4 注射進針角度不正確 正確的胰島素注射應根據皮下脂肪的厚度以45～90°的角度進行皮下注射，以免將藥液注入皮下脂肪較薄的肌肉層內，影響胰島素的吸收速度和效率［13］。為保證針頭進入皮下的理想吸收區(qū)域，在注射時應輕輕捏起注射部位的皮膚，注射后應緩慢釋放捏起的皮膚。調查顯示，社區(qū)糖尿病患者自行注射胰島素的方法不規(guī)范，30.5%的患者進針角度不正確。也有調查發(fā)現，86.96%護士不能根據皮下脂肪厚度選擇注射角度，38.4%護士不知曉應捏起注射部位的皮膚［14］。因此，加強患者教育的同時，也不能忽視社區(qū)護士的培訓，通過對護理人員的教育從而確保健康教育的質量。

圖7　中心控制器硬件構成示意Fig.7　Diagram of hardware composition for central controller

中心控制器設計為一個手持機，硬件上主要由鋰電池、電源電路、單片機、IC讀卡器、萬年歷電路、無線通信電路、存儲電路及觸摸屏等構成，其硬件構成如圖7所示。其中，單片機型號為STM32F107，無線通信電路采用Si4432，存儲電路采用24C512，IC讀卡器與單片機之間為USB接口連接。萬年歷電路采用DS1302芯片，和單片機之間采用I2C方式連接，作用是計日期及時間(比如判斷當前時間是否已到每月1日的12:00AM)。管理員通過該手持機，可實現用戶IC卡的開卡、加密、充值、掛失等操作。當用戶充值時，單片機令USB讀卡器將充值金額寫入用戶的IC卡，同時將金額數據寫入存儲電路作保存。

2軟件設計

充電自控系統(tǒng)的軟件設計，涉及智能型充電座的控制和中心控制器的管理及兩者之間的無線通信，為便于后期維護和功能升級，軟件設計均采用C語言編寫，并按照功能模塊進行功能函數的設計。

2.1智能型充電座軟件設計

智能型充電座的整體軟件設計流程如圖8所示，限于篇幅，智能型充電座的軟件設計主要介紹IC卡讀寫操作和用電量計量兩部分。

2.1.1IC卡讀寫操作

充電自控系統(tǒng)采用Micfare One S50卡，這種IC卡共有16個扇區(qū)(扇區(qū)0~15)，每個扇區(qū)有4個塊(塊0~3)，每個塊為16 Byte，除了第0扇區(qū)的塊0因已經固化了4 Byte序列號(物理卡號)及卡商相關代碼等數據不可寫外，剩余扇區(qū)的塊0~2都可以在對應的塊3的匹配下進行讀寫操作[7]。系統(tǒng)選擇扇區(qū)1的塊0用于數據讀寫存儲，其數據格式定義為null 3 Byte，卡身份號(發(fā)卡卡號)2 Byte,密碼4 Byte,手機號5 Byte,金額2 Byte,合計16 Byte。本設計中，扇區(qū)1的塊3的存取控制碼設置為“08 77 8F 69”，塊數據讀寫操作認證方式為KEYB。

要進行IC卡的讀寫控制，首先應初始化MFRC522的相關工作寄存器，然后由單片機控制MFRC522進行尋卡，以判斷信號范圍內是否有卡進入，接著進行防沖撞處理，達到當有多張射頻卡同時進入讀寫電路天線的有效工作范圍內時能避免多卡之間的沖撞，然后選定某張卡，進行KEYB、發(fā)卡卡號及密碼的認證，若認證通過，則可執(zhí)行讀塊或寫塊等操作，否則提示無效卡，程序結束。整個過程的流程如圖9所示。

圖8　充電座工作流程Fig.8　Work flowchart of charger

圖9　IC卡讀寫工作流程Fig.9　Work flowchart of reading and writing for IC card

2.1.2用電量計量

CSE7759的CF引腳輸出被充電負載的有功功率的頻率信號，其計算式為

(1)

式(1)中:V1為電流通道引腳上的轉換得到的電壓值;V2為電壓通道引腳上的電壓值;fosc為CSE7759芯片的內置晶振，其頻率為3.579MHz；VREF為CSE7759芯片內置基準源，其電壓值為2.43V。

單片機通過內部定時器和計數器，可測出CF的頻率，求出有功功率，然后根據時長，即可計算得出用電量數值。

CSE7759在實際使用中必須進行功率校準[8]，充電自控系統(tǒng)中采用的方法是：加載標準負載(假設功率值已知為P0)，測量出此時CF引腳輸出頻率的周期T0。由于CF引腳在沒有負載加載時輸出頻率的周期為0，且由于功率值是線性的，于是有功率校準系數

(2)

當加載一個未知的負載時，通過單片機測量出其頻率信號的周期T1，則有

(3)

在計算實際功率時，單片機程序只需按式(3)進行校準即可。

2.2無線通信機制

中心控制器和多個充電座之間采用ISM頻段的射頻無線通信方式，Si4432電路的工作頻率設置為433MHz，數據傳輸波特率設置為1.2kb/s。在兩者的無線通信過程中，具體遵循如下通信機制：

1)每個充電座檢測到充電完畢后，自動發(fā)送數據包至中心控制器，每個數據包含8Byte。具體的數據格式定義為，充電座地址2Byte,卡身份號2Byte,金額2Byte,數據包校驗碼2Byte。

2)中心控制器檢測到設定的每月1日12:00AM到時，自動發(fā)送查詢指令至各充電座，要求返回用電量數據。充電座返回的數據包含8個字節(jié)，其中空白的2個字節(jié)null寫入0xFFFF。具體的數據格式定義為，null2Byte，充電座地址2Byte，用電量2Byte，數據包校驗碼2Byte。

數據包的校驗碼含2Byte。若中心控制器空閑，在收到數據包后，解析后可根據校驗碼判斷出數據是否正確；若發(fā)現所收數據包有誤，則中心控制器根據充電座地址，回發(fā)此數據錯誤的提示給充電座，充電座重發(fā)數據包，直至正確為止。

3結語

筆者對電動自行車自動充電控制系統(tǒng)進行了全面的測試，整體上達到了預期的性能：各電路功能模塊均能穩(wěn)定地可靠地工作，其中無線通信的可靠距離可達1km以上，一次通信成功率達到98%以上，較好地實現了系統(tǒng)要求。該系統(tǒng)能提高電動自行車充電的便捷性，提升管理的效率，具有一定的實用價值，所涉及的IC卡讀寫、無線通信等核心技術可推廣應用到相關行業(yè)，為技術方案設計提供一定的參考。

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Design of automatic charging control system for electric bicycles

FAN Hongxing, CAI Chao, ZHANG Zhenyu

(School of Automation and Electrical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:Currently, most of the charging systems for the electric bicycles are not very convenient for the users, in view of this situation, an automatic charging control system is designed, which is suitable for the urban residential district. The system is composed of a central controller and several intelligent chargers, and wireless communication in ISM frequency is adopted between the central controller and the chargers, hence an automatic charging control system is realized. Firstly, the basic working principle of the system is introduced, and the overall hardware structure is described. Secondly, the key circuit diagrams are given, and the modular software design elements are analyzed. Finally, the characteristics of the system are summarized. Therefore, the convenience of charging for the electric bicycles can be improved through this system, and the involved technology can be applied to the related fields.

Keywords:electric bicycle; charging control system; MCU; IC card; wireless communication

中圖分類號:TP273.5；TN919.72

文獻標志碼:A

文章編號:1671-8798(2016)01-0036-07

通信作者:張震宇，副教授，碩士，主要從事信號處理、無線通信技術、系統(tǒng)集成等方面的研究和應用工作。

作者簡介:范虹興(1995—)，男，浙江省金華人，2013級電氣工程及其自動化專業(yè)本科生。

基金項目：浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(新苗人才計劃)(2014R415006)

收稿日期:2015-08-02

doi:10.3969/j.issn.1671-8798.2016.01.007

浙江科技學院學報,第28卷第1期,2016年2月

Journal of Zhejiang University of Science and Technology

Vol.28 No.1, Feb. 2016