基于物联网技术的电动车智能充电管理系统

李东辉

摘 要：随着人们消费水平的提高，电动车以其环保、经济和便捷的特点深受消费者的喜爱，现已开始进入到千家万户。本系统应用现代物联网技术（RFID技术、互联网技术、传感器技术、数据通信技术等）和嵌入式Linux、Qt、eclipse等开发工具平台，设计了一套以达盛E_Play平台为核心的电动车智能充电防盗与管理系统。有效实现了对整个电动车停车场进行统一的智能化管理。本系统通过实验，验证了设计的合理性和科学性，因而具有极好的推广价值。

关键词：RFID；Qt；Linux；eclipse；智能管理

中图分类号：TN915.8 53 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

随着电动车技术的发展，以及人们消费水平的提高，目前电动车凭借其环保、便捷、经济等特性已经逐步取代了自行车这一交通工具，成为人们首选的城市代步工具。大量电动车的使用，虽然方便了人们的出行，但还是存在着一系列的问题，对于城市管理来说，基本还是依靠传统的自行车停车场管理方式对电动车规范停车进行管理，这导致了城市到处出现乱停乱放，违规停车的现象，严重影响了市容。对于车主来说，由于城市配套的电动车停车场和充电站建设还不够完善，在使用电动车的时候时常会遇到充电麻烦，停车麻烦等问题，尤其还要担心自己的爱车遭受非法破坏和窃取。本项目针对这一系列问题，提出了一个完善的电瓶车停车管理解决方案，设计了一套以达盛E_Play平台为核心的电动车智能充电防盗与管理系统[1]。通过该系统能够有效地实现对城市内电动车停车场的智能化管理。

1 系统总体架构设计

本系统设计方案框架如图1所示，系统设计采用模块化设计，每个电动车停车场管理系统由一个控制中心和若干个充电控制端组成，充电控制端和控制中心通过Can总线通信，充电控制端的个数根据停车场规模来布置，每一个停车位布置一个充电控制器，场内摄像头由控制中心控制其视频采集工作，摄像头的个数也可以支持多个，可根据停车场规模布置。控制中心采用嵌入式系统实现，其中主要包括一个视频采集卡设备和一个CC2530有源RFID定位标签读卡器设备，这两个设备一个负责视频采集工作，一个负责自动标签读取和对停车场内车辆定位和充费刷卡，当车辆移动超出一定范围时会启动报警程序，用户可以通过车载标签进行自动充电计费和缴费；充电控制器主要是基于达盛科技的E_play平台开发的，控制器通过一个电流监控传感器实时采集链接电动车充电器的电流信息，同时通过充电控制驱动自动调节充电电流，充电完成后控制器自动计算电量并反馈到控制中心。同时控制中心具有网络交互功能，每个控制中心的用户数据保存在网络数据服务器中，所有部署了该系统的停车场内的所有用户信息都可以进行共享，用户可以在任何一个部署了该系统的停车场内进行刷卡充电和相关服务[2]。

图1 系统设计方案框架图

通过对现有的电动车停车场管理需求和实地调研分析，本系统功能设计如图2所示，系统主要由智能充电功能、车辆防盗报警功能、充电计费管理功能和视频实时监控功能四个主功能模块构成。其中，智能充电功能主要实现了对电动车的充电控制，能够实现对其充电进行自主调节和充电过程中的电量计算；车辆防盗报警功能，主要实现对了对电动车的防盗监控，当电动车在未解锁的状态下移动后会发出报警信息并通知用户；充电计费管理功能，主要是实现了对停车场内充电的电动车的自动计费管理，包括用户注册、用户缴费和自动扣费等；视频实时监控功能，实现了对停车场内的车辆进行实时视频监控[3]。

图2 系统功能设计

2 系统功能

2.1 智能充电功能

充电端能够给电动车实现智能充电，自动检测电动车电量，判断电动车电量状态，根据其状态控制其充电电流，并且对其充电过程中所使用的电量进行统计并反馈到控制中心，控制中心最终根据充电用户的账户信息对其进行计费管理。

2.2 车辆防盗报警功能

用户骑着带有标签的电动车进入停车场内时，系统能自动识别车辆标签信息，向用户手机发送取车密码，用户进入停车场停好车将充电电源插上充电端之后，系统通过控制中心反馈过来的信息设置其在线，如果用户需要取车，这时候需要在充电控制端输入取车密码才可以安全解锁取车，如果不输入控制密码就取车，系统将会报警，同时系统将异常情况通过网络发送到用户手机。

2.3 充电计费管理功能

用户充电过程中系统自动监测用户所使用的电量并对其注册的账户内的消费进行扣除，达到自动计费管理的目的，同时用户还可以通过管理端进行缴费。

2.4 实时视频监控功能

系统能够通过视频实时监控停车场内信息。

3 系统的详细设计与实现

由于系统采用模块化设计思想对其进行设计，在硬件设计上主要包括控制中心端的硬件设计和充电控制器硬件设计两个硬件模块。

3.1 控制中心端硬件设计与实现

控制中心端设计整体结构如图3所示，控制中心主要由电源供电模块、DM9000以太网模块、视频采集卡模块和CC2530射频标签读卡器模块组成，其中电源模块负责为系统的控制器和各个功能模块供电，将外部220 V交流电转为系统所需的5 V直流电；DM9000以太网模块主要为控制中心提供网络硬件支持，通过该模块控制中心能够接入互联网访问系统数据中心的数据库；CC2530射频标签读卡器模块主要实现对射频标签的识别和数据读取。视频采集卡模块主要支持视频采集链接摄像头。由于控制中心采用的控制芯片ARM6410是球面封装，其PCB自主设计费用高，没有专业的硬件设计基础是很难稳定实现其电路设计的，本系统在这部分的实现主要是通过购买现成的电路模块搭建系统而成，在此不给出具体的电路设计原理图。

图3 控制中心端设计整体结构图

充电控制端是采用达盛科技的E_play控制器作为处理器，其主要实现了充电的智能控制，当用户进入停车场后，系统的有源RFID探测器就能检测到用户已经进入停车场，系统会通过用户预先注册的手机号码，向其手机上发送一个充电验证码，届时用户在充电控制端只要输入这个验证码就可以对其电动车进行充电，验证码在用户拔出电动车充电线或者充电完成后一个小时就会自动失效。一个小时内用户依然可以利用该验证码对其进行充电，其系统模块结构如图4所示，其中主要由E_play控制器、电源模块、充电控制驱动、ACS172电流传感器和控制中心接口五个模块组成，控制器通过ACS172电流传感器采集电动车充电电流，通过电流大小判断充电状态，从而自动调整充电电流，实现智能充电的目的。同时控制器将充电的电量信息返回控制中心，控制中心通过该电量信息对用户进行计费。

图4 系统模块结构图

3.2 软件系统的设计与实现

3.2.1 充电控制端智能充电软件的设计与实现

充电端控制软件是运行在达盛E_play控制处理器上的功能代码，其主要实现接受用户输入并根据用户输入执行正确充电操作的功能，同时与控制中心进行通信交互，将充电控制端采集到的电量信息返回给控制中心，系统上电开始后，程序执行ACS172数据采集程序获取充电线路上的电流信息，通过电流大小判断电动车的充电插头是否插上，如果插上充电头，则提示用户输入充电车主手机号码和密码，其中手机号码和密码是用户进入停车场内系统通过射频卡检测到用户进入的时候自动给用户分发的一个充电密钥，这个密钥通过用户手机短信方式发送给用户，在用户输入手机号码和密码后，充电控制端将密码和手机号码返回到控制中心进行验证，如果验证成功充电控制端启动智能充电程序，验证失败则提示用户输入正确的手机号和充电密码，其具体设计流程如图5所示[4]。

图5 充电控制端智能充电流程设计

3.2.2 控制中心软件设计与实现

（1）充电自动计费模块设计

充电计费管理模块在控制中心主要完成对充电控制端的电瓶车充电的自动计费管理功能，其实现流程如图6所示，控制中心上电后即循环执行该程序，等待充电控制端的电量报文，当收到电量报文后控制中心根据电量报文提取出电量信息和用户信息，并计算出用户本次充电所用费用，从用户账户中自动扣除该费用，完成整个充电过程的自动计费[5]。

图6 充电自动计费实现流程图

（2） 系统管理软件设计与实现

系统管理软件设计主要是运行在管理员的PC上用于充费管理、系统在线视频实时监测以及用户信息管理等功能，其主界面如图7所示[6]，系统管理主要分为信息管理和停车场安全监控。

图7 电动车智能停车管理系统界面

用户信息管理功能设计如图8所示，其中主要包括用户注册和用户充值以及用户信息查询预览三个功能模块，新用户注册主要完成系统用户注册，用户充值功能主要实现了对已有用户账户进行充值，用户信息预览主要是实现对系统所有用户信息的预览显示，也可以通过输入查询条件进行查询显示[7]。

图8 用户信息管理功能设计

停车场安全监控界面设计如图9所示，其中主要包括实时视频监控区域、采集监控设置和报警状态监控三个模块，其中，实时监控区域主要负责对场内视频进行实时监控，既可以进行区域显示，又可以通过采集监控设置的监控显示控制其每屏显示的摄像头个数。采集监控设置，主要完成对视频监控的相关设置，其中包括视频监控的视频信息保存路径、视频质量和保存周期等信息。报警状态监控，主要实现对场内停车位的车辆在线状态进行报警监控，实时显示场内停车位上车辆防盗报警信息。

图9 停车场安全监控界面设计

4 结 语

系统设计过程中，应用了现代物联网技术（RFID技术、互联网技术、传感器技术、数据通信技术等）和嵌入式Linux、Qt、eclipse等开发工具平台，设计的电动车智能充电防盗与管理系统，能够有效地对整个电动车停车场进行统一的智能化管理。通过智能充电控制能够对电瓶车的充电过程进行智能化的调整与控制，充电完成后及时停止充电，并统计整个过程所使用的电量；车辆防盗报警功能，车主在停车完成后可通过手机对车辆开启防盗，系统就会实时监测车辆在线状态，当车辆非法移动一定距离后，系统会发出报警信息并且通过短信将信息发送给车主；充电自动计费，采用有源RFID技术实现了对停车场内电瓶车充电自动打卡计费管理；实时视频监控功能，通过该功能能够实现对停车场内的视频监控，有效防止一些违规停车和车场内行窃破坏等行为。

参考文献

[1] Ivar Jacobson，James Rumbaugh，Grady Booch.统一软件开发过程[M].周伯生，冯学民，樊东平，译，北京：机械工业出版社，2002.

[2] Watts S. Humphrey.个体软件开发过程[M].吴超英，车向东，译.北京：人民邮电出版社，2010.

[3] 何新贵.软件能力成熟度模型[M].北京：清华大学出版社，2000.

[4]（美）施密特，（美）休斯顿.C++网络编程[M].叶斌，译.北京：科学出版社，2012.

[5] （德）NicolaiM.Josuttis.C++标准程序库[M].侯捷，孟岩，译.武汉：华中科技大学出版社，2002.

[6] 谭浩强.Visual Basic程序设计[M].北京：清华大学出版社，2004.

[7] （美）克罗克，（美）奥厄尔.数据库原理[M].赵艳铎，译.北京：清华大学出版社，2011.