基于ZigBee与Web的移动支付充电桩设计

蔡世雷，孙刘杰

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于ZigBee与Web的移动支付充电桩设计

蔡世雷，孙刘杰

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对当今电动汽车充电办卡、缴费难的问题，设计了一种无需办卡，直接扫描充电桩上二维码，进入对应充值网页，选择适当金额充值的充电桩系统。使用ZigBee模块构成充电桩的控制部分，并进行网状网络拓扑，将采集的信息与上位机传达的控制指令，通过网关模块与Web服务器进行交互，信息通过内部接收进程写入MySQL数据库。利用PHP语言进行充值界面的开发，用户支付成功即可为电动汽车充电，第三方支付模式使充电缴费安全可靠。

充电桩；ZigBee；网状网络；MySQL；PHP

当前，能源短缺与环境污染问题日益严重，新能源发展不仅改善了人类社会的能源结构，同样符合我国可持续性发展的政策。电动汽车的推广使用，大幅度减少汽车尾气的排放，改善环境质量。电动汽车交流充电桩是发展电动汽车产业的必备设施，能有效促进电动汽车的使用推广，为保护环境节约能源做出积极贡献[1]。

如今电动汽车充电桩缴费模式主要有以下两种：通过特定的充电卡来获取充电授权；通过支付现金给管理人员来获取充电授权。上述方式均需要使用者随身携带充电卡或者现金，而且卡内金额不足时，还需到专门机构去充值耗时耗力，给人们生活带来不便。

目前，消费大多使用信用卡或者手机支付。充电桩使用手机付款方式不用IC卡，通过扫描充电桩桩体上特定条码付款，交易信息可通过手机查询[2]，这种高效方便充电桩的发展越来越受到社会关注。

1 ZigBee技术概述

ZigBee是ZigBee联盟建立的技术标准，它是一种新兴的短距离、低功耗、低成本无线传感器网络技术[3]。

ZigBee工作在900 MHz与2.4 GH频段，它具有段通信距离(10 m到数百米)，灵活的通信速率(40 kbit·s-1和250 kbit·s-1)，星状、树状、网状(MESH)等多种网络拓扑的特点[4]，ZigBee的3种拓扑结构如图1所示。

图1 ZigBee的3种拓扑结构

本设计采用网状网络拓扑结构，网络中的每个设备都是一个路由器，都具有重新路由选择的功能，可以最大限度的保证网络的可靠性。网络中任意两个节点的通信路径并不唯一，当某条路径出现故障时，可以选择其它路径进行通信[5]。

ZigBee联盟采用IEEE 802.15.4标准作为ZigBee网络的物理层(PHY)和介质访问层(MAC)规范，并在此基础上制定了数据链路层(DLL)、网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范[6]，以负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作，ZigBee开发者则在ZigBee规范基础上进行项目开发。

2 系统总体设计

本系统包括简易充电桩装置、ZigBee无线传感网络、网关模块以及Web服务系统组成，系统总体方案框图如图2所示。

图2 系统总体方案框图

2.1 系统硬件设计

充电装置由简易充电桩构成，包括充电插座，电能计量装置，由ZigBee模块控制继电器打开的电源开关，并配有烟雾传感器MQ-2，温度传感器DHT11用来监控充电桩的实时工作状态，保证充电过程的安全，本设计电动汽车交流充电桩的系统原理框图如图3所示。

图3 汽车交流充电桩的原理框图

其中电能计量装置采用多动能单相电表，电表提供RS485接口，通过DL/T645-2007通信协议与ZigBee控制模块通讯[7]。根据国家标准的相关规定，采用的充电桩和电动汽车的控制引导电路为充电模式3连接方式B的典型控制导引电路[8]。

本系统ZigBee选用TI公司的CC2530F256，这是一款基于2.4 GHz无线收发器，内部集成8051内核的专用ZigBee芯片，CC2530还配备TI公司的专用网络协议栈Z-Stack来简化开发[9]。ZigBee路由器模块通过继电器控制充电桩开关电源，通过采集充电桩工作环境下温湿度等信息监控电桩的工作状态。

2.2 无线组网设计

ZigBee协调器模块采用深圳安联德公司生产的CC2530开发套件ZigBee开发板无线模块，该开发板功能齐全、操作简单、大幅缩短系统的开发周期。该设备负责ZigBee网络的启动，并配置网络使用的信道和网络标志符，此外协调器还要完成网络成员的地址分配、节点绑定等任务。

无线网络的建立和维护：第一步协调器通电启动，发起建立新网络，然后协调器开始扫描信道，并选择所有信道中没有被使用的信道建立网络。新网络创建后，协调器保持等候状态，等待新的节点并入网络。其他节点加点启动，启动后节点对网络进行扫描，然后向已存在的网络发送请求绑定[10]。

协调器在得到节点发送来的请求绑定信息之后，会分配节点的相应网络地址，并将此地址回馈给节点。此时协调器和路由节点就完成了网络绑定，组网工作结束，它们之间就可以通信了[11]。其中协调器的主程序流程图有如图4所示。

图4 协调器的主程序流程图

为了更好对ZigBee网络通信内容进行研究，可利用电脑串口助手对各ZigBee模块进行信息读取[12]，需要自行定义查询、控制协议，其中查询某终端的报文格式如表1与表2所示。

表1 查询单个终端报文组成

表2 响应报文组成

控制终端报文与查询终端的格式类似，响应报文中数据如果等于0表示：操作失败，1则操作成功。功能码FC根据想要实现的功能自己定义，例如,01:查询所有终端传感器的数据;02：查询单个终端上所有传感器的数据。

3 网关模块与Web网站设计

3.1 网关模块

ZigBee设备将采集的信息经过路由节点传送给协调器节点，汇聚的信息同过网关上传到系统服务器，网关将ZigBee网络与服务器连接起来，它是整个系统通信的枢纽，建立起上位机与ZigBee无线网络之间的数据双向通讯，网络通信模块同时将这些串口数据通过TCP包发到PC服务器上，网关与后台服务器直接通过数据库接口的方式进行通信，服务器监控软件访问数据库以完成采集数据分析统计和信息可视化[13]。

数据交互协议设计在项目开发过程中至关重要，它关系到系统功能实现以及可靠性。底层ZigBee网络采集的数据通过网关系统上传到后台数据库中，这就完成了数据的采集过程，而通过预先定义好的交互协议及格式可完成对数据的分析处理[14]。

为保证能进行可靠的数据传输，后台系统和网关系统采用了面向可靠连接的TCP/IP通信模式，并制定了严格的数据交换协议。协调器节点与PC端通信的报文协议格式如图5所示。

前导帧数据包总长度命令类型网络ID号频道号源地址数据负载长度数据FCS校验序列

图5 协调器节点与PC端通信的报文协议

其中数据包总长度标识从命令类型到FCS校验序列的总长度，以字节为单位。命令类型长度为一个字节，用于标识该数据包的作用，数据负载为实际传送的数据。

3.2 Web模块设计

Web服务子系统用PHP语言实现网站开发，MySQL数据库实现数据的存储，Socket实现与嵌入式网关的通信，MySQL数据库的设计起着决定性的作用[15]。

PC端网络通信模块主要监听指定端口的TCP数据包来获取数据并进行处理，首先建立数据库的连接，当接受到网络传送过来的数据包之后，将接收的字符串进行解析，解析字符串并将信息写入相应的数组中，再由数组读取显示[16]。Web服务单元的实现，可以获取各种传感器的当前信息与历史信息，同时网站还提供了多种信息查看方式，使管理者了解充电桩的运行情况。

4 系统实现与测试

根据设计要求，重点进行了ZigBee组网部分的硬件设计和各模块的工作状态的观察和检测。其中系统的硬件搭建包括一个ZigBee协调器和2个ZigBee路由器，其中协调器通过串口与电脑进行连接，每一个路由器都配有温湿度传感器、烟雾报警传感器以及继电器模块，其中继电器模块主要用于模拟对充电桩开关电源的控制，系统硬件搭建如图6所示。

图6 系统硬件搭建图

利用电脑上与ZigBee开发板对应的ZigBee管理系统软件，对ZigBee路由器控制的温湿度传感器及烟雾报警传感器的监控测量如图7所示，系统能够正确实时显示终端工作环境下的温湿度，当周围环境可燃气体浓度超标时，能及时提示报警，符合设备日常工作的基本要求。

图7 系统硬件搭建图

网站充值管理后台还在开发之中，现在使用PHP设计出充电桩充值交易平台，用户界面简洁且使用方便。

图8 用户充值交易界面

5 结束语

本文提出了基于ZigBee组网技术和Web网站开发的移动支付充电桩系统设计方案，介绍了系统硬件和软件计方法，并设计出简洁的用户充值界面，可实现与其他使用刷卡支付充电桩同样的功能，具有安全可靠、方便快捷等优点。整个系统采用无线的方式传递各种采集信息和控制信号，大幅降低系统的硬件成本，后期管理还节约人力成本。

如今我国移动支付充电桩尚处于起步阶段，相信随着互联网技术的发展，使用移动支付的充电桩必将得到广泛的使用。

[1] 商慧杰.电动汽车交流充电桩的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012.

[2] 徐伟,徐兵,孙志忠,等.采用移动支付的充电桩工作方法,中国：CN104680659A[P].2015-06-03.

[3] 万磊,章勇,李剑.基于ZigBee无线传感器网络的智能家居设计[J].电子科技,2012, 25(2):116-119.

[4] Yang X, Liang X, Zhang Y, et al. An application-specific WSN routing protocol for EV charging piles management system[C].Control Conference. IEEE, 2015.

[5] 李明亮.例说ZigBee[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2013.

[6] 青岛东合信息技术有限公司.ZigBee开发技术及实践[M].西安:西安电子科技大学出版社,2014.

[7] 刘鑫爽.电动汽车充电桩的设计及其控制方法研究[D].广西科技大学,2013.

[8] 中华人民共和国国家标准.GB/T 20234.2-2011,中国标准书号[S].北京：中国标准出版社,2012.

[9] 姜仲.ZigBee技术与实训教程[M]. 北京：清华大学出版社, 2014.

[10] 葛广英,葛菁,赵云龙.ZigBee原理、实践及综合应用[M].北京:清华大学出版社，2015.

[11] 王克中,宋志超. 基于ZigBee Mesh网络的无线串口设计[J].电子科技,2011, 24(4):102-106.

[12] 叶冠南.基于GPRS的智能充电桩数据管理系统的设计与实现[D].杭州：浙江工业大学,2014.

[13] 杜军朝,刘惠,刘传益.等.ZigBee技术原理与实战[M].北京:机械工业出版社，2014.

[14] 甘勇,王华,常亚军.基于ARM平台的ZigBee网关设计[J].通信技术,2009, 42(1):199-201.

[15] 刘乃琦,李忠.PHP和MySQL Web应用开发[M].北京:人民邮电出版社，2013.

[16] 殷树刚,龚桃荣,刘瑞,等.基于云平台的电动汽车智能充电系统设计与应用[J]. 供用电,2015(7):43-47.

Design of Charging Piles for Mobile Payment Based on ZigBee and Web

CAI Shilei, SUN Liujie

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A charging pile system without the need for cards is designed for electric vehicle charging card and payment, which is performed by scanning the two-dimensional code on the charging pile to enter the corresponding recharge page on which the user can select the appropriate amount of recharge. The control of charging pile is implemented by the ZigBee module and a mesh network topology is performed for the interaction between the acquired information and the control instruction from the computer with Web server via the gateway module. The information received by the internal process is written into the MySQL database. The recharge interface is developed in PHP language. Electric vehicle charging is available upon successful third party payment which is safe and reliable.

charging pile; ZigBee; mesh network; MySQL; PHP

2016- 04- 02

上海理工大学科技发展基金资助项目(16KJZ017)；上海市教委科研创新重点基金资助项目(13ZZ111)

蔡世雷(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：检测技术与自动化装置。孙刘杰(1965-)，男，博士，教授。研究方向：印刷机测量与控制技术等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.033

TN926+.23;TP393

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1007-7820(2017)02-126-04