一体式智能充电系统

曾泽良，李斌，李秋梅，周强

（广西桂林电子科技大学，广西桂林，541004）

0 引言

随着交通条件和技术的发展，电动自行车已成为中小城市人们出行的主要代步工具。近年来，随着电动自行车行业市场日益增大，电动自行车行业蓬勃发展，电动自行车数量也在飞速地增加，与此同时，电动自行车的管理问题就日益尖锐了，其中的最为突出的三大问题即：充电难、易起火、易被盗。因此，对小区电动自行车进行充电、监控进行自动化管理很有必要。市场上现有的绝大多数针对电动自行车设计的充电设备大致分两种：快速充电设备和可账号管理的充电设备。同时，绝大多数充电设备都只有一种采用按时计费方式的工作方式，此外在智能化控制和智能安防方面的技术设计都很少。从市场需求和市场的竞争性分析，智能充电管理系统的确具有很大的市场前景。

1 充电管理系统现状与发展趋势

随着电动自行车的发展，电动自行车的充电问题也日益尖锐，因此许多厂家均推出了一些电动自行车充电设备，如常见的“便民充电站”、“智能小区充电站”等。

根据调查，常见的电动自行车充电设备按使用方式可分为投币型充电管理站、刷卡型充电管理站、刷卡/投币两用型充电管理站。

投币型充电管理站：不需要办卡，不需要电脑管理软件或相关管理设备和配套充电IC卡，通过使用一元硬币投币即可开启充电。适合用于常见公共区域，如户外停车场，超市门口，小区公共停车棚等场所。

刷卡型充电管理站：无需准备零钱或硬币，通过刷卡即可开启充电。适合用于固定人群区域，如居民小区停车处，社区停车处，小区停车棚，公司园区停车棚等场所。

刷卡/投币两用型充电管理站：两种方式互补结合，可以满足不同用户群的充电需求，扩大了适用场所范围[1]。

常见的电动自行车充电管理系统功能单一，缺少相关的配套安全措施如必要的防短路、防过充过载、必要的警报装置等，是大多数类似事故发生的主要原因 ，因而，智能充电管理系统的研究极为重要。

2 智能充电系统的设计

■2.1 系统整体设计

本系统由三大部分组成，管理平台PC部分、充电桩部分和插座部分。整体框架如图1所示。

图1 整体框架示意图

管理平台PC以基于windows下的软件和数据库，对用户的账户和数据进行管理，并管理充电桩。充电桩用于管理插座并向管理平台发送相关的信息。插座受充电桩控制，并可用于用户射频卡的读取。

在本设计中，管理平台软件主要包括界面部分、执行部分、通信部分和数据库部分。使用VB语言编写软件，使用其封装好的控件便于界面的设计和布局。在通信上，为便于整体的设计，本设计采用网络的方式，硬件上通过交换机连接，在程序设计上采用TCP/IP通信。数据库部分本设计采用Access。

充电桩部分的功能主要由单片机来实现，包括与管理平台PC的网络通信、与插座的通信与控制。在整体设计中，多个充电桩的设计是为了便于在小区范围内不同的楼栋、车棚或片区内进行集中的模块化管理。

插座部分包括单片机、射频卡读写、继电器控制、功率计算、防盗用、防过充等。在与充电桩的通信部分，硬件上从技术考虑，可以采用的方式很多，包括有线方式、无线方式等，在本设计中采用有线方式。

■2.2 管理平台的设计

如图2所示，管理平台包括PC、单片机和射频卡读写模块，PC通过串口与单片机通信，单片机通过I2C与射频卡读写模块通信。其中单片机与射频卡读写模块用于管理平台进行电子账户注册、注销、查询、充值等操作。

图2 管理平台框图与管理平台硬件电路框图

管理平台硬件电路如图2所示，管理平台PC通过USB转TTL数据线连接到电路板上的单片机，单片机与射频卡读写模块通过I2C总线方式连接。电路的供电通过管理平台PC的USB接口实现，USB接口的5V可直接给232转串口模块和单片机供电。射频卡读写模块的工作电压为3.0V，所以需要通过稳压电路将USB接口输出的5V降压为3.0V。

■2.3 充电桩的设计

在本设计中，充电桩连接管理平台PC和插座，用于管理插座并向管理平台发送相关的信息，插座受充电桩控制，并可用于用户射频卡的读取。

充电桩部分的功能主要由单片机来实现，包括与管理平台PC的网络通信、与插座的通信与控制。在整体设计中，多个充电桩的设计是为了便于在小区范围内不同的楼栋、车棚或片区内进行集中的模块化管理。

图3 充电桩硬件框图与程序设计主流程

充电桩硬件框图和程序设计主流程如图3所示，以单片机STM32F103RB为核心，通过网络模块YIXIN_W5500与管理平台PC通信，以CAN总线方式通过NiRen-MCP2515_CAN模块与插座通信获取插座的信息并进行控制[2]。键盘模块用于用户输入，串口屏用于向用户显示信息。语音模块用于语音播报和语音提示，在本设计中选用BY8001-16P语音模块。

■2.4 插座的设计

在本设计中，插座受充电桩控制，并可用于用户射频卡的读取。插座部分包括单片机、射频卡读写、继电器控制、功率计算、防盗用、防过充等。插座部分硬件框图如图4所示，主要模块包括单片机最小系统、蜂鸣器、双色LED、功率计、CAN总线模块、射频卡读写模块。

图4 插座硬件框图与程序设计主流程图

插座通过MF RC500射频读写器读取射频卡[3]，将卡信息通过CAN模块发送到充电桩，并根据充电桩返回的指令控制继电器的通断来实现充电的开关控制。单片机通过功率计记录充电用电量，并将数据发给充电桩。同时的，通过功率计记录充电功率，结合蓄电池充电特性曲线，判断电池的充电状态，以及时切断防止电池过充发生意外。指示灯与蜂鸣器用于声光指示。

3 总结

本文讨论了小区环境下的电动自行车充电管理系统的功能需求，介绍了电动自行车充电管理系统的研究意义、市场和技术调查情况，依此基于物联网技术，设计了一种可管理账户信息、能同时控制多个充电插座的智能充电系统，构建出适用于居民小区、学校等公共场所的智能化充电系统，为改善电动自行车的充电现状提供解决方案。本设计包括三大部分：管理平台PC部分、充电桩部分和插座部分。管理平台PC以基于windows下的软件和数据库，对用户的账户和数据进行管理，并管理充电桩。充电桩用于管理插座并向管理平台发送相关的信息。插座受充电桩控制，并可用于用户射频卡的读取。充电桩部分的功能主要由单片机来实现，包括与管理平台PC的网络通信、与插座的通信与控制。插座部分包括单片机、射频卡读写、继电器控制、功率计算、防盗用、防过充等。