智能共享充電控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳海云， 潘 凱， 黃秋萍

(1.浙江師范大學(xué) 信息光學(xué)研究所，浙江 金華 321004;2.杭州師范大學(xué) 東城中學(xué)， 浙江 杭州 310000;3.浙江師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，電瓶車逐漸取代了傳統(tǒng)的人力自行車.電瓶車輕便、省力，因而成為很多學(xué)生在校園中首選的日常交通工具.為了滿足廣大校園用戶的充電需求，校園內(nèi)設(shè)置了大量的充電樁，但在使用過程中發(fā)現(xiàn)很多問題，以浙江師范大學(xué)為例，目前的充電樁采用刷卡定時充電方式，實際僅提供一個交流電插座，定額扣費，一次充電時間固定，功能單一，共享效率低.歸納起來主要問題有：1)充電時間固定，不能按照實際情況改變充電時間；2)充電過程中容易被他人拔除盜用；3)缺少信息交互，用戶無法實時了解充電進程.文獻[1]設(shè)計了一款針對校園電瓶車的智能充電控制系統(tǒng)，可以調(diào)整充電電壓和電流，充電結(jié)束后能通過藍牙提醒用戶,但并未實現(xiàn)對充電過程的實時監(jiān)測，未能防止或降低中途被拔除的可能性，藍牙通信有效距離過短，不利于遠距離的信息交互.

針對校園電瓶車充電中的實際問題，筆者設(shè)計了一款智能共享充電控制系統(tǒng)，將傳統(tǒng)充電樁與充電器整合在一起，增加智能控制模塊,以實現(xiàn)對充電過程的實時監(jiān)測，并通過GPRS(general packet radio service)模塊實現(xiàn)與用戶之間的信息互動，真正實現(xiàn)智能化充電，并大大提高公共充電裝置的共享效率.

1 設(shè)計原理

本文設(shè)計的智能共享充電控制系統(tǒng)將通用充電器包含在內(nèi)，智能控制基于對充電過程中充電電流的實時監(jiān)測.為了掌握充電過程中的電流變化數(shù)據(jù)，筆者實際測量了一個充電周期中電壓與電流隨時間(t)的變化關(guān)系，如圖1所示.充電過程電壓信號雖有波動，但基本保持穩(wěn)定；然而電流信號會隨著充電過程的進行而逐漸減小，充電完成后趨于穩(wěn)定的一個小電流值(約為0.4 A).因而充電過程的電流值可以作為充電進程的指示信號，通過對電流信號進行監(jiān)測可以估算充電的進度，同時作為狀態(tài)判斷的依據(jù)，電流穩(wěn)定為0.4 A即為正常終止?fàn)顟B(tài)，而如果電流值瞬間降為0，那么可判定為異常終止?fàn)顟B(tài)，即在充電過程中被人為拔除.

(a)電壓 (b)電流

充電控制器要實現(xiàn)的功能要點：1)當(dāng)電流從大電流逐漸降低到小電流的穩(wěn)定變化時，充電狀態(tài)正常，繼電器閉合持續(xù)充電，他人無法刷卡干擾；2)穩(wěn)定在小電流(約0.4 A)時為正常終止，充電結(jié)束后繼電器斷開，發(fā)短信至用戶提醒，同時釋放權(quán)限，供下一用戶使用；3)若中途將充電器拔除，電流會瞬間降到0 A，即為異常終止，繼電器斷開，并向當(dāng)前用戶發(fā)短信警報.異常狀態(tài)時，充電器功能權(quán)限被鎖定，其他用戶無法使用，只有當(dāng)前用戶或管理員方可重新激活使用，從而最大限度地降低被中途拔除盜用的可能性；4)在充電過程中用戶可以主動發(fā)短信查詢狀態(tài)，系統(tǒng)將當(dāng)前電量的百分比和剩余時間發(fā)送到用戶手機.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程

2.1 充電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能共享充電控制系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖2中，主芯片采用Arduino Uno單片機，Arduino Uno單片機有開源的硬件資源和軟件庫函數(shù)[2-3]，硬件連接和軟件編程相對容易，與常用模塊間的接口有庫函數(shù)供調(diào)用.刷卡模塊采用基于射頻識別技術(shù)RFID(radio frequency identification)的MF-RC522，通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)[4]；短信模塊采用GPRS-GA6，Arduino Uno單片機通過串行口控制GPRS模塊實現(xiàn)與用戶間的短信互動[5]；顯示模塊采用OLED-12 864，為128×64行點陣的OLED單色、字符和圖形顯示模塊，具有4位并行數(shù)據(jù)接口，可與Arduino Uno直接相連；電流檢測模塊采用ACS712LCH-20A-T，檢測電流范圍為-20～20 A，輸出電壓(Vout)與檢測電流(Ip)的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示，電源電壓(VCC)為5 V、溫度(T)為25 ℃時，電壓與電流的關(guān)系式為Vout=2.5+0.1×Ip，精度為100 mV/A[6].

圖2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 電流傳感器ACS712的電壓與電流關(guān)系

2.2 充電控制工作流程

充電控制工作流程如圖4所示.用戶首次刷卡時系統(tǒng)將自動記錄并保存用戶IC卡的信息及綁定的手機號碼.電瓶車充電正常結(jié)束時，系統(tǒng)發(fā)送充電完成短信到用戶手機.

圖4 充電控制工作流程圖

若在充電過程中被他人拔除，在拔除的一瞬間系統(tǒng)將停止輸出供電，并鎖定權(quán)限，其他用戶無法使用此系統(tǒng)進行充電，只有當(dāng)前用戶本人或管理員的IC卡才能再次開啟系統(tǒng)，同時系統(tǒng)給用戶發(fā)出一條短信，通知用戶充電被中斷，請及時處理并重新充電，或聯(lián)系管理員繼續(xù)充電.在充電過程中，用戶可以主動發(fā)短信查詢充電狀態(tài)，系統(tǒng)接到短信后將當(dāng)前充電狀態(tài)信息以短信方式反饋給用戶，反饋信息包括當(dāng)前充電進度完成的百分比及估算的剩余時間.

3 結(jié)果分析

設(shè)計完成的智能共享充電控制系統(tǒng)樣機如圖5所示.

圖5 智能充電控制系統(tǒng)實物圖

圖5中，封裝內(nèi)下層為電瓶車充電器，上層為由各模塊組成的智能控制系統(tǒng).表1所示為一個充電周期的測試結(jié)果，包括在不同充電狀態(tài)下的充電電流、顯示內(nèi)容、繼電器狀態(tài)及短信交互內(nèi)容.記錄結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠?qū)崟r有效檢測到充電電流信號，并能根據(jù)電流信號的狀態(tài)和變化來決定繼電器的狀態(tài)；系統(tǒng)能與用戶之間進行準(zhǔn)確有效的短信交互，不同狀態(tài)下用戶收到的短信內(nèi)容如圖6所示.測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能共享充電控制系統(tǒng)的各項功能要求.

表1 1個充電周期的實測記錄

(a)狀態(tài)查詢 (b)異常終止 (c)充電結(jié)束

4 結(jié) 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款智能共享型充電控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測充電電流來判斷充電狀態(tài)，并通過短信方式與用戶之間實現(xiàn)信息互動，在正常結(jié)束和異常終止時通過短信提醒用戶，用戶亦可主動發(fā)送短信獲取當(dāng)前的充電狀態(tài)信息，實現(xiàn)了充電控制智能化.該系統(tǒng)將充電器集成于一體，并能在正常充電結(jié)束時及時釋放權(quán)限，大大提高了共享的效率.而在異常終止時系統(tǒng)自動鎖定，其他用戶無法充電，從而從行為動機層面最大限度地降低了正常充電過程中被拔除盜用的可能性.近年來，校園智能充電系統(tǒng)的應(yīng)用需求量大幅度地增長，在共享經(jīng)濟不斷發(fā)展的時代背景下，智能共享充電樁的建設(shè)速度仍會不斷加快，本文的研發(fā)成果有望得到更好的應(yīng)用和推廣.