電動(dòng)汽車(chē)充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

夏夢(mèng)

摘要：針對(duì)現(xiàn)如今電動(dòng)汽車(chē)充電站管理模式差，有人值守，運(yùn)營(yíng)成本高等問(wèn)題，提出了一種電動(dòng)汽車(chē)充電站（充電樁）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)并進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)及系統(tǒng)選型。主要完成以下工作：對(duì)國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述并確定總體設(shè)計(jì)方案。同時(shí)探討底層硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和無(wú)線通信方案的選型。采用 Tiny4412 開(kāi)發(fā)板移植 Android 操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集上傳和設(shè)備指令下發(fā)的功能;借助 Zig Bee 無(wú)線通信組網(wǎng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電站內(nèi)設(shè)備的無(wú)線數(shù)據(jù)采集;通過(guò) SIM5320E 3G 模塊完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)工作。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)控;電動(dòng)汽車(chē);ZigBee

1引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)在我國(guó)推廣普及，電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備作為電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈上的重要組成部分，也隨之快速發(fā)展。但是隨著充電樁個(gè)數(shù)的增加，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁進(jìn)行統(tǒng)一的遠(yuǎn)程管理對(duì)推進(jìn)我國(guó)新能源汽車(chē)充電站的發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，如今的電動(dòng)汽車(chē)充電樁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越趨合理，功能越趨完善，智能化程度也越來(lái)越高。但由于各種因素的影響，充電樁投放后出現(xiàn)各種軟故障，導(dǎo)致其慢慢降低或失去預(yù)定的功能，直至完全停止工作。因此，如何保障電動(dòng)汽車(chē)充電樁的高效運(yùn)行，也是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)面臨的一個(gè)十分迫切的技術(shù)問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究存在以下問(wèn)題：沒(méi)有一個(gè)功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)在市面出現(xiàn)?，F(xiàn)如今國(guó)內(nèi)大部分充電站監(jiān)控系統(tǒng)僅僅針對(duì)于太陽(yáng)能充電站等大型充電站，沒(méi)有針對(duì)小型的汽車(chē)充電樁。

2總體設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)汽車(chē)充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要分為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端、服務(wù)器、客戶(hù)端三部分。

2.1遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端由充電樁采集與控制單元、儲(chǔ)電監(jiān)測(cè)單元、Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和4G通信模塊組成。充電樁采集與控制單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集充電電路的電氣數(shù)據(jù)，同時(shí)可對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制，例如溫控設(shè)備、電子鎖設(shè)備等;儲(chǔ)電監(jiān)測(cè)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)電管理系統(tǒng)的電氣數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，采集的內(nèi)容主要包括電池電壓、電流、溫度、運(yùn)行狀態(tài)碼、剩余電量等數(shù)據(jù);Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)上傳采集到的數(shù)據(jù)和下發(fā)控制指令;數(shù)據(jù)傳輸單元完成和充電站遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)交換的功能。

2.2服務(wù)器端的設(shè)計(jì)

服務(wù)器端主要是由數(shù)據(jù)庫(kù)以及相關(guān)應(yīng)用程序組成。其中MySql數(shù)據(jù)庫(kù)主要的工作內(nèi)容是對(duì)充電站運(yùn)行時(shí)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾后，以特定的格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。為了便于管理，數(shù)據(jù)庫(kù)按照關(guān)系模型劃分為多個(gè)子表，以提高數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)效率。網(wǎng)絡(luò)消息管理應(yīng)用程序運(yùn)行在服務(wù)器端，它完成的功能主要有2個(gè)：第一個(gè)功能是網(wǎng)絡(luò)保持與數(shù)據(jù)寫(xiě)入功能，建立和保持與充電站數(shù)據(jù)傳輸單元的網(wǎng)絡(luò)連接，并完成將上傳的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的操作;第二個(gè)功能是消息處理功能，處理上傳的消息與指令的下發(fā)。

2.3 Web后臺(tái)管理平臺(tái)與Android客戶(hù)端設(shè)計(jì)

Web后臺(tái)管理平臺(tái)是面向管理人員開(kāi)發(fā)的一套管理系統(tǒng)，便于管理人員通過(guò)Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)充電站的實(shí)時(shí)在線管理。其功能模塊主要有：登錄驗(yàn)證、用戶(hù)管理、充電樁部署管理、充電樁在線監(jiān)控。Android客戶(hù)端是面向充電樁使用者的客戶(hù)端系統(tǒng)，為用戶(hù)提供便捷的在線服務(wù)。該客戶(hù)端的主要功能有：用戶(hù)登錄、在線查找充電樁、在線預(yù)約。

3系統(tǒng)選型

3.1底層設(shè)備主控制器的選擇。

三星公司研發(fā)的Cortex-A9處理器，是一款基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，有豐富的驅(qū)動(dòng)支持，十分適合嵌入式設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

因此，在本次設(shè)計(jì)中選ARM Cortex-A9 作為充電樁采集與控制單元的主控芯片。同時(shí)，為了加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，減少硬件開(kāi)支，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)是Tiny4412 SDK1312 ARM開(kāi)發(fā)板上開(kāi)發(fā)所有的軟件，待調(diào)試穩(wěn)定后，再設(shè)計(jì)和定制生產(chǎn)系統(tǒng)所需的硬件。

此外，本文選用STM32系列F103RBT6單片機(jī)作為電壓電流采樣模塊的核心控制器。這是一款增強(qiáng)型ARM系列單片機(jī)，采用低功32位Cortex-M3內(nèi)核，時(shí)鐘頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，具有豐富的外設(shè)可存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足電壓電流采樣模塊的硬件設(shè)計(jì)需求。

3.2嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

當(dāng)系統(tǒng)越來(lái)越大、應(yīng)用程序越來(lái)越多時(shí)，選擇合適的操作系統(tǒng)將顯得尤為重要。操作系統(tǒng)的作用有：對(duì)系統(tǒng)資源的統(tǒng)一管理，為用戶(hù)提供訪問(wèn)硬件的接口，調(diào)度多個(gè)應(yīng)用程序，管理文件系統(tǒng)等。相比其他移動(dòng)終端操作系統(tǒng)Android 操作系統(tǒng)是一種真正開(kāi)源的移動(dòng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，規(guī)范的文檔與活躍的社群使得開(kāi)發(fā)人員能在該平臺(tái)上快速構(gòu)建所需要的應(yīng)用程序。值得一提的是，Android操作系統(tǒng)由擁有強(qiáng)大的運(yùn)營(yíng)維護(hù)團(tuán)體Google公司進(jìn)行維護(hù)，其版本更新及時(shí)，擁有簡(jiǎn)潔易懂的開(kāi)發(fā)API。因此，我們選擇Android操作系統(tǒng)作為充電樁采集與控制單元的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

3.3無(wú)線通信方案選擇

通信方式按照傳輸媒介大體可以分為有線通信和無(wú)線通信。根據(jù)課題應(yīng)用背景，確定本文采用無(wú)線通信方式。無(wú)線通信方式主要包括無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線廣域網(wǎng)兩種。目前，短距離無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)主要包括Bluetooth，Wi-Fi，ZigBee等。

對(duì)比得知，ZigBee在近距離無(wú)線通信技術(shù)中屬于最優(yōu)，它普遍應(yīng)用在智能辦公、智能家居、自動(dòng)化車(chē)間、醫(yī)學(xué)儀器等產(chǎn)業(yè)。具備很高的自組網(wǎng)能力，功耗極低和待機(jī)周期較長(zhǎng)，并具有穩(wěn)定可靠且價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，很符合數(shù)據(jù)量少的采集或者控制設(shè)備需求。所以，本系統(tǒng)中采用Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)作為充電站內(nèi)的無(wú)線通信方案。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的升級(jí)換代，3G（Third Generation）通信技術(shù)迅速展，它繼承了2.5G通信的優(yōu)點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)傳輸速率相比2.5G有了大幅提升，高速移動(dòng)下最高可達(dá)384Kbps、室內(nèi)速率最高可達(dá)2Mbps，支持視頻、流媒體等應(yīng)用，很適合本設(shè)計(jì)中的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。盡管4G通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率更高，但3G通信以其開(kāi)發(fā)成本更低、覆蓋率更廣的優(yōu)勢(shì)，得到更多開(kāi)發(fā)者的青睞，因此目前遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)廣泛采用3G移動(dòng)通信方式。綜上所述，針對(duì)光伏應(yīng)用系統(tǒng)分布離散且相互獨(dú)立的特點(diǎn)，本文將結(jié)合Zig Bee與3G移動(dòng)通信技術(shù)，建立系統(tǒng)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)充電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程雙向傳輸。

4結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，全球化石能源短缺、溫室效應(yīng)日益加劇，對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的影響。本文就電動(dòng)汽車(chē)充電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)展開(kāi)研究，針對(duì)無(wú)人值守的充電站，設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，完成了太陽(yáng)能充電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。敘述了太陽(yáng)能充電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，完成的主要工作有：（1）完成站內(nèi)監(jiān)控子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。將其劃分為站內(nèi)監(jiān)控子系統(tǒng)、服務(wù)器、客戶(hù)端三個(gè)部分，對(duì)各部分進(jìn)行概要設(shè)計(jì)，給出其組成框圖，并分模塊介紹各部分的功能。（2）完成系統(tǒng)選型。針對(duì)各部分功能需求不同，分別對(duì)充電樁采集與控制單元和儲(chǔ)電監(jiān)測(cè)單元的主控進(jìn)行選型;選擇適合Tiny4412的嵌入式操作系統(tǒng);對(duì)短距離無(wú)線局域網(wǎng)和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行選型。

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