“云充電”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施研究

李元熙

（1． 江蘇省無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心， 江蘇 無(wú)錫 214000；2． 無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214153）

江蘇地區(qū)電瓶車(chē)的保有量較高，其充電設(shè)備維修及人員培訓(xùn)備受業(yè)內(nèi)關(guān)注[1]。隨著職業(yè)教育與各產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，產(chǎn)教融合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)需求旺盛，尤其是在高校教學(xué)中如何將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與行業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，成為亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)此情況設(shè)計(jì)了一種基于云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)充電控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿(mǎn)足“互聯(lián)網(wǎng)+”充電需求，適用于電瓶車(chē)充電樁行業(yè)的技術(shù)升級(jí)和培訓(xùn)，也為中高職院校的物聯(lián)網(wǎng)、電子信息、軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等專(zhuān)業(yè)提供相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 系統(tǒng)組成與原理

“云充電”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用了網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、嵌入式電氣控制、傳感器檢測(cè)等相關(guān)技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)絡(luò)充電控制器、路由及通信網(wǎng)、應(yīng)用云服務(wù)器三部分，如圖1 所示。其中：網(wǎng)絡(luò)充電控制器是硬件核心，具備電流檢測(cè)功能，通過(guò)Internet連接到云服務(wù)器，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)充、盜拔、短路等異常情況時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)本地提醒并向云平臺(tái)發(fā)送異常數(shù)據(jù)包；網(wǎng)絡(luò)部分為有線(xiàn)連接，使用TCP 協(xié)議棧接入Internet；應(yīng)用云服務(wù)器是構(gòu)建在阿里云上的應(yīng)用程序，包含數(shù)據(jù)庫(kù)與控制臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢(xún)，是系統(tǒng)運(yùn)行的控制主體。運(yùn)行時(shí)，用戶(hù)通過(guò)RFID 或移動(dòng)端APP 申請(qǐng)啟動(dòng)充電控制器[2]，數(shù)據(jù)傳入云平臺(tái)服務(wù)器后，通過(guò)業(yè)務(wù)控制邏輯將運(yùn)行指令反饋給硬件并執(zhí)行動(dòng)作，同時(shí)在平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)更新維護(hù)。

圖1 “云充電”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

2．1 硬件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件是以Cortex-M4 為核心的嵌入式控制器設(shè)備，主要由ARM 控制器、網(wǎng)絡(luò)接口、RFID電路、電流檢測(cè)與濾波電路、充電控制電路和電源電路等模塊組成，見(jiàn)圖2。其中：ARM 控制器實(shí)現(xiàn)與其他模塊的接口驅(qū)動(dòng)[3]、數(shù)據(jù)解析和流程控制；網(wǎng)絡(luò)接口是設(shè)備連接因特網(wǎng)的通道，使用嵌入式協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入；RFID 電路由標(biāo)準(zhǔn)Mifare 系列的讀卡IC 構(gòu)成，通過(guò)SPI 接口與ARM 相連；電流檢測(cè)使用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)，經(jīng)放大、低通濾波電路后送入AD 采樣通道；充電控制電路是具有電氣隔離的繼電器控制驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)

2．2 網(wǎng)絡(luò)接口電路

標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件接口包含MAC 控制器、PHY 驅(qū)動(dòng)器、網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45 接頭等[4]。由于STM32F407 芯片在內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器，因而在電路上只需外接一塊PHY 驅(qū)動(dòng)芯片DP83848 即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)。考慮硬件系統(tǒng)小型化要求，連接時(shí)采用了RMII 方式以減少信號(hào)線(xiàn)數(shù)量。電路中DP83848 的收發(fā)線(xiàn)路采用差分信號(hào)線(xiàn)走線(xiàn)，時(shí)鐘信號(hào)由外部25 MHz 有源晶振提供，并在電源端串聯(lián)磁珠、對(duì)地并聯(lián)高頻電容以改善信號(hào)特性。

2．3 電流檢測(cè)與濾波

充電電流檢測(cè)是系統(tǒng)獲取充電狀態(tài)和觸發(fā)異常處理的基礎(chǔ)。在電瓶充電過(guò)程中恒流充電階段電流較大，進(jìn)入恒壓充電后電流逐漸下降直至涓流充電，且在涓流期電流多采用微小脈沖方式充電[5]，不易捕捉。因此，對(duì)這種電流動(dòng)態(tài)范圍大的場(chǎng)合使用霍爾傳感的方法更為合適。ACS712 傳感器內(nèi)置放大、濾波、斬波與修正電路，可輸出正比于電流的電壓信號(hào)[6]?？紤]充電時(shí)電流易受污染，存在大量諧波分量影響采樣精度的情況，故在霍爾輸出端使用運(yùn)放構(gòu)建放大和二階有源低通濾波電路，提高輸入ADC 的電壓準(zhǔn)確度。

3 軟件組成與實(shí)現(xiàn)方法

3．1 軟件結(jié)構(gòu)與分層

系統(tǒng)軟件分為控制器嵌入式軟件和云平臺(tái)服務(wù)器軟件兩部分?？刂破髑度胧杰浖饕獙?shí)現(xiàn)硬件驅(qū)動(dòng)、IC 讀卡、電流采樣和計(jì)算等底層操作，以及TCP 數(shù)據(jù)收發(fā)等網(wǎng)絡(luò)層操作。云平臺(tái)的服務(wù)器程序?yàn)閼?yīng)用層軟件，由控制臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，主要實(shí)現(xiàn)基于Socket 的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)格式解析以及與數(shù)據(jù)庫(kù)操作等，其架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3．2 TCP 傳輸控制程序設(shè)計(jì)

基于TCP 的數(shù)據(jù)傳輸是網(wǎng)絡(luò)功能的核心，為應(yīng)用層提供了一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)[7]。圖3 中的網(wǎng)絡(luò)傳輸層程序分為嵌入式TCP傳輸和云平臺(tái)的Socket 通信兩大部分。設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)傳輸由LwIP 協(xié)議棧完成，這是一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)源TCP/IP 協(xié)議棧，能較好地解決網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在使用效率和分層之間的問(wèn)題[8]。設(shè)計(jì)時(shí)在ARM 上運(yùn)行UCOS-II，并開(kāi)啟定時(shí)、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等任務(wù)。定時(shí)任務(wù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)心跳和采樣定時(shí)；數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)使用LwIP 中的TCP 和IP 層函數(shù)將數(shù)據(jù)送網(wǎng)絡(luò)接口層發(fā)送；數(shù)據(jù)接收任務(wù)采用中斷方式啟動(dòng)，并在回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將有效字段存入Flash 存儲(chǔ)器。TCP 控制程序流程如圖4。

圖4 嵌入式TCP 控制程序流程

控制臺(tái)軟件使用Socket 與設(shè)備連接，當(dāng)偵聽(tīng)到有連接請(qǐng)求時(shí)，控制臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)Socket 并開(kāi)辟循環(huán)緩沖區(qū)用于保存接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成后開(kāi)始解析步驟，獲取數(shù)據(jù)幀中的運(yùn)行參數(shù)或指令，并寫(xiě)入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)或按指令進(jìn)行比對(duì)查詢(xún)，操作流程見(jiàn)圖5。

實(shí)際使用時(shí)，由于服務(wù)器構(gòu)建在云平臺(tái)上，存在大量來(lái)自不同地域設(shè)備的并發(fā)連接請(qǐng)求。因此，每個(gè)連接都需要一個(gè)新的線(xiàn)程來(lái)處理。服務(wù)器控制臺(tái)通過(guò)維護(hù)一張?jiān)O(shè)備哈希表來(lái)區(qū)分當(dāng)前連接綁定至相應(yīng)的控制器設(shè)備。

3．3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在云平臺(tái)上使用MYSQL 構(gòu)建關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。由于涉及充電設(shè)備和用戶(hù)兩種對(duì)象，因此在設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建了“設(shè)備云”和“用戶(hù)云”兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)表單。考慮使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商提供的動(dòng)態(tài)IP 分配，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)一張“中間表”來(lái)保存兩者間IP 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用心跳包實(shí)時(shí)更新中間表的IP 對(duì)應(yīng)關(guān)系，一次通過(guò)這三張表就可完成設(shè)備和用戶(hù)的對(duì)應(yīng)查找。

圖5 服務(wù)器端TCP 控制程序流程

4 教學(xué)實(shí)施設(shè)計(jì)

4.1 課程體系設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教融合，更好地將系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)和技術(shù)培訓(xùn)，面向物聯(lián)網(wǎng)、電子信息、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件技術(shù)等專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)課程體系。將平臺(tái)分解成硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、云平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)維等部分，融入對(duì)應(yīng)的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程，同時(shí)結(jié)合考證需求，將平臺(tái)納入考證實(shí)操要求，其課程體系設(shè)計(jì)如圖6。

圖6 中“云充電”系統(tǒng)的硬件設(shè)備層面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、電子信息技術(shù)、電氣自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)，主要為硬件電路設(shè)計(jì)和嵌入式程序設(shè)計(jì)，銜接電工、儀器儀表裝配工和CAD 繪圖員等考證科目；網(wǎng)絡(luò)層部分面向物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)，主要關(guān)注學(xué)員的網(wǎng)絡(luò)配置和排故能力培養(yǎng)，銜接計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理員工種的培訓(xùn)；系統(tǒng)應(yīng)用層平臺(tái)面向軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)，主要是WEB 前端技術(shù)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)維的訓(xùn)練，銜接計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)員工種。

4.2 技能點(diǎn)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足行業(yè)從業(yè)人員和學(xué)生技能培訓(xùn)需求，針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)分層訓(xùn)練技能點(diǎn)見(jiàn)表1，以指導(dǎo)教學(xué)和培訓(xùn)的開(kāi)展。其中：硬件部分主要面向一線(xiàn)安裝調(diào)試人員，設(shè)置了讀圖、安裝規(guī)范、設(shè)備檢修等技能點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)部分設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)配置、連接測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)故障修復(fù)等技能點(diǎn)；應(yīng)用層則包括平臺(tái)系統(tǒng)配置、設(shè)備接入工序、數(shù)據(jù)維護(hù)等技能點(diǎn)。

5 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用效果

5.1 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

圖6 實(shí)驗(yàn)課程體系設(shè)計(jì)

表1 “云充電”系統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)技能點(diǎn)分解表

測(cè)試時(shí)，控制器硬件通過(guò)路由器以有線(xiàn)方式接入布置在“阿里云”平臺(tái)上的服務(wù)系統(tǒng)，采用DHCP 方式獲取本地IP。充電控制器通過(guò)“心跳包”每隔30 秒向服務(wù)器注冊(cè)設(shè)備，控制臺(tái)接收設(shè)備和用戶(hù)的接入請(qǐng)求，記錄接收的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)控制指令。平臺(tái)管理站點(diǎn)使用PHP+MySQL 方式布置。通過(guò)50 臺(tái)設(shè)備隨機(jī)接入實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，云平臺(tái)充電控制系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)充電樁的動(dòng)態(tài)接入并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管控，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)可將設(shè)備、用戶(hù)以及充電狀態(tài)顯示在管理頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的結(jié)合。

5．2 應(yīng)用效果

“云充電”教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為傳感器技術(shù)、智能硬件設(shè)計(jì)、電氣控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維、web 前后端技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等課程提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支撐，并嵌入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)群的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)體系。從2018—2019 年的實(shí)際使用情況看，系統(tǒng)各功能層在電子類(lèi)、網(wǎng)絡(luò)類(lèi)和軟件類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)中實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。系統(tǒng)設(shè)備層的知識(shí)與技能點(diǎn)在電子儀器儀表裝配工考證教學(xué)中占60 %以上，在電子CAD 考證中占80 %；系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層知識(shí)與技能點(diǎn)也在對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理員、程序設(shè)計(jì)員考證中具有50 %左右的試題量；系統(tǒng)在相關(guān)課程中的平均使用率超過(guò)七成，且借助該教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生的技能考證平均通過(guò)率均在92 %以上，較好地為課證融通的實(shí)施提供了保障。

同時(shí)，針對(duì)無(wú)錫及周邊城市的電瓶車(chē)充電從業(yè)人員開(kāi)展相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，系統(tǒng)自2019 年上線(xiàn)運(yùn)行至今，累計(jì)教學(xué)培訓(xùn)超5000 人次，系統(tǒng)已接入4 市15 個(gè)轄區(qū)80 多個(gè)社區(qū)，服務(wù)使用人數(shù)超過(guò) 5 萬(wàn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)產(chǎn)教融合需求，結(jié)合行業(yè)應(yīng)用提出的“云充電”教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)各層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電瓶車(chē)充電樁的動(dòng)態(tài)接入和在線(xiàn)監(jiān)管，擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在居民生活中的應(yīng)用，同時(shí)也為高職院校相關(guān)課程的教學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和項(xiàng)目化案例，有效實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)，具有較好的推廣價(jià)值。