基于GD32和4G模組的智能充電樁

摘 要：為了解決傳統(tǒng)投幣式充電樁用戶體驗差、管理不便和安全性低的問題，開發(fā)了一款基于GD32F103VE微控制器和4G模組的電瓶車智能充電樁。該充電樁通過4G模組和主控制器模塊對充電過程的電壓、電流和有功功率等參數(shù)進行監(jiān)控，以保證充電的安全性。該充電樁不僅為用戶提供了良好的體驗，還提高了電動車充電的安全性。維護人員可通過后臺數(shù)據(jù)及時對充電樁進行管理維護。測試結(jié)果表明，該套智能充電樁系統(tǒng)成功實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間的通信，用戶可以通過微信小程序?qū)Τ潆姌兜拈_關(guān)和充電時長進行智能控制。智能充電樁對使用場所的適應(yīng)性很強，具有很高的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能充電樁；GD32F103VE微控制器；4G模組；微信小程序；電瓶車；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-04

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電瓶車成為人們出行的主要代步工具之一。然而，小區(qū)電瓶車充電引起的火災(zāi)時常發(fā)生。同時，傳統(tǒng)投幣式充電樁不僅用戶體驗差，還存在諸多安全隱患[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，正在引導(dǎo)一場深遠的信息社會變革[2]。作為一種先進且新興的信息技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景[3]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了一種4G智能充電樁，該充電樁成本低、體積小，適合安裝在各種公共場所[4]。充電樁系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過4G網(wǎng)絡(luò)直接進行通信交互，管理方可以直接通過服務(wù)器的數(shù)據(jù)反饋進行合理且及時的充電樁維護與調(diào)整，提高了充電樁的維護效率并且一定程度上起到了防范火災(zāi)的作用。用戶則可以通過微信小程序使用插座充電，在保證資金安全的同時讓用戶的體驗更佳。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示，主要包括智能充電樁、云服務(wù)、客戶端。智能充電樁與云服務(wù)之間采用4G通信技術(shù)進行連接，客戶端與云服務(wù)之間的廣域網(wǎng)通信則可以選擇4G或WiFi。為了降低用戶使用成本，客戶端直接采用微信小程序。智能充電樁系統(tǒng)包含了4G通信模塊、主控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、語音模塊和充電板控制模塊等。

客戶通過微信小程序直接掃描二維碼后選取空閑的插座，在線提交訂單后就可以開始充電?？蛻暨€能在手機上隨時查看插座的充電狀態(tài)，并且隨時可以結(jié)束充電。

EC200模組通過4G網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進行通信，將服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包傳輸給GD32F103VE，并根據(jù)用戶指令發(fā)送相關(guān)信息給充電板的控制器STM8S105S4T6C。主控制器先對數(shù)據(jù)包進行解析，再下發(fā)解析后的命令，充電板會對主控制器的命令做出相對的響應(yīng)。主控制器GD32F103VE會將采集的數(shù)據(jù)打包并通過EC200模組上傳到服務(wù)器。此外，主控制器還可以驅(qū)動十路數(shù)碼管顯示和PCM語音文件播報，從視聽方面提高了用戶體驗。

充電板控制十路繼電器為用戶提供充電接口，如果發(fā)生意外情況系統(tǒng)會自動做出響應(yīng)，發(fā)出語音報警并且進行硬件斷電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于GD32F103VE和4G模組的智能充電樁硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能充電樁網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)采用了GD32F103VE微控制器和EC200模塊。GD MCU是一款基于Cortex-M3 ARM內(nèi)核的32位微處理器，微控制器集成了許多模塊，包括存儲器和通信單元等豐富的硬件資源[5]。此外，系統(tǒng)外接充電控制板、DS18B20測溫模塊、NTC板間測溫模塊、數(shù)碼管顯示模塊、PCM語音文件播報模塊、電源模塊。EC200是移遠通信公司出品的低成本4G模塊。

2.1 充電控制板

用戶電瓶車通過電源接口接入充電控制板，充電控制板與MCU GD32F103VE 2路TTL電平的UART通信。充電控制板以STM8S105為控制器對十路繼電器進行控制，繼電器采用的是JQC-3FF超小型大功率繼電器。充電控制板通過繼電器實現(xiàn)對充電插座的智能控制，充電控制板會采集充電電量和充電功率數(shù)據(jù)傳輸給GD32F103VE主控制器。板上還搭載了AP8022H芯片對充電板進行過流保護、過溫保護以及欠壓保護。AP8022H芯片內(nèi)部集成了脈寬調(diào)制控制器和800 V高雪崩能力智能功率MOSFET。AP8022H芯片還內(nèi)置了高壓啟動模塊，保證系統(tǒng)能夠迅速啟動。

2.2 4G通信模塊

EC200是移遠通信公司推出的LTE Cat4全網(wǎng)通無線通信模塊，搭配SIM卡執(zhí)行4G模組MQTT協(xié)議通信，支持最大下行速率150 Mb/s和最大上行速率50 Mb/s，支持AT指令操作和FOTA遠程升級。EC200模塊與主控制器的UART連接，實現(xiàn)主控芯片與4G模組之間的數(shù)據(jù)通信。

此處采用4G模組的原因是考慮到我國的2G、3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)正在逐漸關(guān)閉，各大運營商將逐步關(guān)閉2G、3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并且4G通信速度比2G、3G快，更適合做復(fù)雜的邏輯業(yè)務(wù)。為了讓智能充電樁今后能夠運營更長時間以及方便進行遠程維護，此處采用4G模組性價比更高。

2.3 測溫模塊

測溫模塊分為DS18B20測溫模塊和NTC板間測溫模塊。GD32F103VE與DS18B20測溫模塊以1-Wire總線協(xié)議進行通信，并通過4.7 kΩ的上拉電阻為DS18B20提供3.3 V電壓。該溫度傳感器的溫度檢測范圍為-55～125 ℃，并且在-10～ 85 ℃溫度范圍之外仍能保持±0.5 ℃的精度。DS18B20傳感器提供9～12 bit的攝氏度測量精度，GD32F103VE主控制器與DS18B20進行配合可以實現(xiàn)過溫和低溫觸發(fā)報警的功能。一旦觸發(fā)警報，主控制器將控制插座斷電，這對于預(yù)防火災(zāi)具有一定的作用。NTC板間級測溫模塊通過與GD32F103VE的ADC_IN9接口相連來實現(xiàn)溫度監(jiān)測。依據(jù)NTC熱敏電阻的特性，主控制器將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，從而監(jiān)控充電板的溫度，確保芯片不會在異常溫度下工作，以防系統(tǒng)故障的發(fā)生 [5]。

DS18B20測溫模塊主要應(yīng)用于充電站環(huán)境測溫，配合煙霧傳感器和微火花傳感器在監(jiān)測到環(huán)境異常情況后發(fā)出語音警報。

2.4 音頻播報模塊

GD32F103VE內(nèi)置3個標準的同步定時器。每個定時器都有一個16位的計數(shù)器、一個16位的預(yù)分頻器和4個獨立的PWM通道。而PCM語音文件則采用16 kHz的采樣頻率和8 bit的量化編碼。其播報模塊僅需要占用1路PWM通道和1個定時器就可以實現(xiàn)語音播報功能。當系統(tǒng)需要播報PCM語音文件時，會以16 kHz的速率讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PWM占空比來控制音頻信號；隨后，該信號經(jīng)過濾波電路的處理以及音頻功率放大器的放大后，最終輸出到揚聲器進行播放[6]。

語音播報內(nèi)容主要有充電狀態(tài)播報，如“X（1～10）號開始充電了”“X（1～10）號充電完成了”等，讓用戶聽到播報內(nèi)容即可清楚插座的狀態(tài)。在發(fā)生插座起火等意外情況時，語音播報能第一時間發(fā)出警報來提醒人們注意安全并控制形勢。

2.5 數(shù)碼管顯示模塊

GD32F103VE主控制器通過GPIO和SPI對兩路TA6932芯片進行控制。主控制器與數(shù)碼管模塊之間通過8根線進行連接，其中2根為電源線和地線，其余6根與主控制器的SPI3_SCK、SPI3_MOSI、PD3、PD4、PD5、PD6進行連接。TA6932芯片通過串行接口接收主控制器的數(shù)據(jù)后對各個LED進行驅(qū)動，每塊芯片驅(qū)動5路LED進行顯示。

數(shù)碼管模塊主要顯示對應(yīng)插座的充電剩余時間（以min為單位），讓用戶能夠直觀地看到插座剩余使用時間。

3 通信協(xié)議設(shè)計

網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的通信協(xié)議采用MQTT方式，通信內(nèi)容定義為JSON格式[7]。EC200模組負責接收服務(wù)器發(fā)送來的JSON數(shù)據(jù)包，并將其傳遞給GD32主控制器進行解析。同時，主控制器也會將充電板收集的需要上報的信息打包成JSON數(shù)據(jù)包，隨后通過EC200模塊上傳到服務(wù)器。

3.1 充電樁定時上報數(shù)據(jù)包內(nèi)容

充電樁會定時上報一個數(shù)據(jù)包給服務(wù)器，用以更新服務(wù)器上關(guān)于各個插座狀態(tài)的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)包內(nèi)容如圖3所示。

3.2 服務(wù)器下發(fā)開關(guān)命令數(shù)據(jù)包內(nèi)容

當用戶通過微信小程序與服務(wù)器進行通信時，服務(wù)器會根據(jù)用戶提交的申請生成數(shù)據(jù)包，并通過MQTT方式下發(fā)到EC200，之后傳遞給主控制器，主控制器根據(jù)JSON格式進行解包后將指令傳達給充電控制板。下發(fā)命令數(shù)據(jù)包如圖4所示。

3.3 固件更新

固件在使用過程中通常會有升級需求，當維護人員需要對固件進行升級時，可以通過服務(wù)器下發(fā)一個固件升級數(shù)據(jù)包，如圖5所示。經(jīng)過主控制器解包后，EC200模塊會根據(jù)其中的URL將數(shù)據(jù)包下載后存儲到GD32內(nèi)部的IAP升級程序存儲區(qū)[8]。同時，固件版本號也會被記錄。

4 軟件設(shè)計

4.1 主控制器軟件設(shè)計

主控制器的軟件設(shè)計流程如圖6所示，GD32F103VE主控制器在啟動后先進行初始化，然后對EC200模組傳輸來的數(shù)據(jù)包進行解析處理。在充電過程中，系統(tǒng)會采集電流、電壓和有功功率等參數(shù)，并且一直保持對充電狀態(tài)和異常情況的監(jiān)測。如果充電時間已經(jīng)結(jié)束，系統(tǒng)會停止充電，等待下一次充電指令。

在操作系統(tǒng)選取時，選擇了輕量級RTX OS實時操作系統(tǒng)。

充電口在工作時會有4種充電狀態(tài)：正常充電、非正常功率充電、插座未連接、插頭拔出；7種開關(guān)狀態(tài)：正常打開狀態(tài)、涓流充電狀態(tài)、用戶關(guān)閉或套餐充電結(jié)束狀態(tài)、涓流充電拔下插頭狀態(tài)、正常充電拔下插頭狀態(tài)、充電功率大于上限功率狀態(tài)、空載狀態(tài)。當用戶取下插頭、線路斷開或檢測功率為0時系統(tǒng)會反饋異常狀態(tài)；若計量模塊無數(shù)據(jù)返回時系統(tǒng)則反饋故障狀態(tài)；若在充電過程中負載的功率過大時系統(tǒng)會反饋過載狀態(tài)。

系統(tǒng)會對充電狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)做出分析響應(yīng)，在異常狀態(tài)下系統(tǒng)會自動進行硬件斷電以保護自己。在拔出插頭后系統(tǒng)會監(jiān)測斷電時間，在30 s之內(nèi)重新接回插座則訂單繼續(xù)執(zhí)行，若時間超過30 s則結(jié)束訂單并退回訂單余額。

4.2 EC200模組軟件設(shè)計

如圖7所示，EC200模組在初始化完成后通過MQTT協(xié)議與服務(wù)器進行通信，之后定時將主控制器收集打包的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。EC200模組接收服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)包后傳送給主控制器。硬件部分還搭載了RTC實時時鐘模塊，主控制器可以利用RTC時鐘模塊提供的時間和日期在數(shù)據(jù)包中添加相關(guān)信息。

4.3 微信小程序

用戶端選用微信小程序集成了微信支付、地圖以及掃碼充電等功能，由于微信小程序具有無需安裝的特性[9]，可以讓用戶擁有更好的體驗。微信小程序通過HTTPS[10]和WebSocket[11]協(xié)議與服務(wù)器進行通信。使用HTTPS和WebSocket這兩種協(xié)議是為了優(yōu)化通信過程。HTTPS適用于客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求并期望服務(wù)器立即回復(fù)以刷新界面的場景，但在需要將服務(wù)器的實時消息主動推送給小程序時則顯得不夠靈活。相比之下，WebSocket協(xié)議允許服務(wù)器隨時向小程序推送消息[12]。小程序軟件設(shè)計流程如圖8所示。

用戶進入界面先選擇按時收費還是按量收費，若是按量收費則根據(jù)充值的電量計算費用。若是選擇按時收費則根據(jù)客戶賬戶中的余額和時間余量來判斷是否需要進行微信支付充值。收費完畢之后微信小程序提交訂單給服務(wù)器進行處理，之后等待服務(wù)器處理結(jié)果并進行響應(yīng)。用戶在閑暇時還可以通過微信小程序查詢實時的充電狀態(tài)以及結(jié)束充電，小程序上的功能以及實時狀態(tài)的反饋能夠讓用戶使用得更加放心、便捷。

5 系統(tǒng)調(diào)試

在智能充電樁的調(diào)試過程中，4G模組成功實現(xiàn)了與服務(wù)器的通信。用戶通過微信小程序選擇充電口和充電方式，并點擊開始充電后，服務(wù)器會接收到訂單信息，記錄該信息并將其打包處理。隨后，服務(wù)器發(fā)送包含相應(yīng)命令的數(shù)據(jù)包至EC200模組。主控制器接收到數(shù)據(jù)包后進行解析，并根據(jù)解析結(jié)果下發(fā)控制命令，成功且準確地控制了充電樁的開關(guān)狀態(tài)。整個智能充電樁系統(tǒng)在此調(diào)試過程中表現(xiàn)正常。系統(tǒng)的主控制板和充電控制板的實物圖片分別如圖9和圖10所示。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款基于GD32F103VE和4G模組的智能充電樁，用戶可以方便地在微信小程序進行充電插座的開關(guān)控制，并且能夠在小程序上得到充電狀態(tài)的實時反饋。該智能充電樁對使用場所的適應(yīng)性很強，可以滿足小區(qū)對電瓶車的充電管理，有很高的應(yīng)用價值和廣闊的前景。

注：本文通訊作者為徐石雄。

參考文獻

[1] 童偉星，吳炯.電瓶車充電云智能技術(shù)的推廣與應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2017，24（11）：71-73.

[2] 應(yīng)時彥，周澤育，梅一珉.一種基于ZigBee的聯(lián)網(wǎng)型無線門鎖系統(tǒng)設(shè)計[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，45（2）：153-154.

[3] ZHAO J D， YUE X Z. Condition monitoring of power transmission and transformation equipment based on industrial internet of things technology [J]. Computer communications， 2020， 157（1）： 204-212.

[4] 俞銘津，江鶯，張夢琦，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的電動車智能充電系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2019，38（5）：48-52.

[5] 董輝，田叮，彭宣聰，等.基于WiFi的便攜智能筆控制系統(tǒng)設(shè)計[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2020，48（5）：557-561.

[6] 李力，謝云，趙龍輝，等.基于PWM和GD32的語音錄放設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2020，20（4）：83-86.

[7] 趙鵬，駱德漢，梅領(lǐng)亮.一種基于JSON的Android終端遠程獲取解析數(shù)據(jù)的方法[J].微機與應(yīng)用，2017，36（21）：57-60.

[8] 黃河.嵌入式設(shè)備遠程固件升級[J].西部廣播電視，2020，41（21）：228-230.

[9] 李哲，周靈.微信小程序的架構(gòu)與開發(fā)淺析[J].福建電腦，2019，23（12）：66-69.

[10] 張家玉.淺析HTTPS協(xié)議的原理及應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2016，16（7）：36-37.

[11] 張藝.基于WebSocket的即時通信系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].軟件，2015，12（3）：89-94.

[12] 包文祥，胡廣朋. 基于WebSocket的實時通信機制的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程，2019，16（7）：89-94.

收稿日期：2024-03-27 修回日期：2024-04-26