基于物联网的电动车智能充电系统

(南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

目前，电动车是人们出行的主要交通工具之一，但大多数的电动车充电桩都是传统的投币式充电桩，主机体积大、用户体验差。而且由于缺乏维护管理，传统充电桩废弃率很高，使用效率低，甚至会损坏电池，造成火灾[1]。

物联网技术的兴起给人们的生活带来了便利。本文介绍了一种基于物联网技术[2]的智能充电桩，采用分布式控制[3]方案，成本低廉、体积小，适合安装在各种公共场所。而且智能充电节点和中控网关[4]间的LoRa通信[5]能穿透地下室，由安装在地面的中控网关与服务器交互，解决了地下室网络信号不稳定的问题。

1 系统整体方案设计

系统总体框图如图1所示，主要包括移动终端、服务器、中控网关和智能充电节点。使用手机软件，扫描充电站点的二维码，然后选择空闲的充电节点，就能进行手机支付并开始充电。能在手机上远程监控充电电量、时间等信息，也可以随时结束充电。

智能充电节点应部署在能和中控网关通信的区域，其主要功能是提供充电接口，并完成充电电量、电压、有功功率的采集，充电电能的计量。可实现充满自动断电、突发异常情况自动断电等功能。充电节点通过LoRa无线模块和中控网关通信。

图1 系统总体框图

中控网关用4G[6]模块与服务器建立tcp连接，进行双向通信。中控网关收集智能充电节点的数据，然后利用4G模块上传到服务器，并负责解析服务器下发命令，实现对充电节点的控制。

2 硬件设计

2.1 硬件系统整体结构

硬件系统主要包括智能充电节点和中控网关。如图2所示，智能充电节点主要设计了RN8209电能检测和LoRa无线传输电路，负责控制、监测充电，并与中控网关进行通信。如图3所示，中控网关设计了4G联网通信、LoRa无线传输、人机交互等电路，负责管理一个站点所有的智能充电节点，并与服务器进行数据交互。

图2 智能充电节点结构图

图3 中控网关结构图

2.2 智能充电节点电能检测电路

许多充电桩使用电流互感器采集电流信号，经过放大电路做AD转换来采集电流，但缺少电压、功率的检测，还是有安全隐患。本文采用RN8209D单相电能计量芯片[7-8]，采用完全差分输入方式测量电流和一路电压，可同时采集电流、电压、功率，有效值误差小，满足充电节点的监测需求。

充电控制模块只有在充电时打开继电器，向插座接口输电，因此不用同时采集火线和零线电流来防止窃电[9]。在绝大多数情况下，低压供电系统零线直接接地，负载可能会通过大地回到零线上，使电表计量不准，所以选择采集火线电流。

如图4所示，管脚4、管脚5为电流通道A，使用5 mΩ的锰铜作为采样电阻，锰铜的温漂系数小，电流检测可靠性高。管脚8、管脚9为电压通道，跨接在零线和火线之间。L_IN为火线，N_IN为零线，把火线作为参考地，接火线的采样就可以减少限流电阻，简化电路。电压采集接零线的一端需要串联1～2 MΩ限流电阻，选为4个300 kΩ电阻，某一个电阻短路只会造成电表不准，并不会损坏设备。采集时为了抗混叠，并联1 kΩ电阻和33 nF电容。管脚12IS接上拉，选择使用SPI接口(管脚13～管脚16)与STM32通信。

图4 电能检测电路

2.3 LoRa无线传输电路

AS32采用 LoRa扩频传输[10]，工作频率在410～441 MHz，共计32个信道，每个信道间隔1 M，发射功率最大达到20 dBm，空中速率最大19.2 kbit/s，采用循环交织纠错编码算法，纠错能力及抗干扰能力强，且自带看门狗，无需外部复位。通信时，AS32的通信信道和传输速率必须设置一致，否则将无法通信。

如图5所示，管脚4、管脚5(MD0、MD1)接地选择一般透明传输模式，即一个模块发送数据，其他都能收到。管脚6为天线引脚，预留一个π型阻抗匹配电路，ANT为天线接口。利用LoRa模块做了相当于无线中继的功能，在使用9.6 kbit/s速率时就能穿透地下室，与地面的中控网关稳定通信，解决了在地下室等地方网络信号差甚至无信号的问题，同时也解决了有线连接布线复杂的问题。

图5 LoRa无线传输电路

2.4 中控网关4G传输电路

使用4G模块代替传统2G、3G模块可以提高数据传输速率，提高用户体验，适合做更复杂的业务逻辑。4G模块[11]选为L710-CN-30，DC：3.3～4.4 V供电，支持AT指令操作。L710在使用时，可能会由于网络异常出现socket通道用不了的情况，因此必须设计硬件复位。使用TPS54202电源芯片提供3.6 V电压给L710供电，并由STM32控制TPS54202的使能端。当L710出现异常时，可以通过重新上电的方式进行复位。

如图6所示，VBAT引脚处需要加各种滤波电容，其中100 μF用于减少电源波动，1 μF、100 nF滤除数字信号噪声，33 pF滤除低频段射频干扰，其余可以滤除中、高频段射频干扰。USIM接口支持1.8 V/3 V SIM卡，模块开机时，USM_VDD先输出1.8 V进行SIM卡握手，如果不成功，则会输出2.85 V进行SIM卡握手，自动检测SIM卡，并能支持SIM卡热拔插。USB支持软件下载、 socket抓包等调试功能。UART用于与CPU通信，STM32高电平为3.3 V，而L710串口高电平为1.8 V，1.8V可由L710输出，为此设计了由Q1、Q2三极管组成的电平匹配电路。

L710模块使用双天线设计，其中MAIN_ANT用于发射接收RF信号，必须接天线，DIV_ANT只用于接收，能提高接收灵敏度，并提高下载速率，可不接。模块和天线之间预留π型电路供阻抗匹配调试，阻抗控制在50 Ω左右。

图6 4G模块电路

3 通信协议设计

3.1 充电节点与中控网关通信协议

中控网关相对于充电节点是主机，所有通信必须由主机主动发起，从机被动响应，不然从机都在发数据会造成干扰，导致通信失败。中控网关和充电节点之间的通信协议格式如表1所示。

表1 中控网关和充电节点之间的通信协议格式

起始：固定为0xFF，0xCC，表示一帧数据的开始。

地址：前两字节代表中控地址，低位在前，第3个字节代表充电节点号。

命令：查询0x01，查询应答0x11，打开0x02，打开应答0x12，关闭0x03，关闭应答0x13。

长度：表示内容的字节数。

内容：查询应答有5字节，1字节充电状态，2字节当前有功功率，2字节消费金额；打开命令有2字节充电时间；其他都为无。

校验：采用CRC16校验法，低位在前。

结束：固定为0x55，0x19，表示一帧数据的结束。

3.2 中控网关和服务器通信协议

中控网关使用tcp方式与服务器通信，数据中大多为数字，直接传16进制相比传字符串能减少通信字节数，而且处理效率高，通信格式如表2所示。

表2 中控网关和服务器之间的通信协议格式

起始：固定为0xAA，0x55，表示一帧数据的开始。

地址：中控网关地址，低位在前。

命令：心跳上传0x01、x00，打开0x02、x00，关闭0x03、x00，中控网关应答0x96、0x01，服务器应答0xB1、0x02。

长度：表示内容的字节数，低位在前。

内容：心跳包含所有充电节点的查询应答数据，每个节点包含1字节节点号， 1字节充电状态，2字节当前有功功率，2字节消费金额；打开命令有3字节，1字节节点号，2字节充电时间；关闭命令有1字节节点号，其他都为无。

校验：采用CRC16校验法，低位在前。

结束：固定为0x0D，0x0A，表示一帧数据的结束。

4 软件设计

4.1 智能充电节点软件

如图7所示，充电节点实时处理中控网关的命令，收到开始充电命令则打开继电器给充电接口提供电源，进行计时，充电时间到则停止充电。实时采集充电接口的电压、电流和有功功率用于诊断充电状态，若充电时出现电流过高、电压过高、功率跃变、功率低于2 W连续3 min(充电器没插上)、功率低于10 W连续3 min(已充满)，则切断电源并进行声光报警。功率跃变诊断可防止他人恶意更换用电器，判断标准为在正常充电时，出现功率低于2 W，随后又恢复正常，低于2 W前后的两次正常功率相差超过10 W。充电节点严格按充电规范执行，大大提高了安全性。

图7 智能充电节点软件流程图

为了避免意外断电导致正在执行的充电过程结束，使用STM32自带的PVD中断。设置在电压降到2.9 V时进入中断，把充电数据存入Flash。当再次上电时，从Flash里读出充电数据就能维持断电前的充电状态。

4.2 中控网关软件

如图8所示，中控网关初始化完成后读取Flash里存储的地址，与服务器通信和智能充电节点通信时用此地址来区分充电站点。使用4G模块与服务器建立tcp长连接后就能接收服务器下发的命令。每隔300 ms轮询智能充电节点的充电数据，并每分钟上传心跳，以更新服务器上记录的实时充电状态。中控监测tcp连接状态，发现异常则重启4G模块并重新建立连接。

图8 中控网关软件流程图

4G模块和服务器通信的数据量大，对4G模块数据的处理效率会直接影响到整个系统的运行速度和可靠性。设计了“DMA接收+串口IDLE中断+定时器中断”的软件方案。使用DMA硬件接收串口数据，不占用CPU时间。由于一帧的数据不一定连续传给STM32，中间也会触发空闲中断，因此在串口空闲中断中开启10 ms的定时器，10 ms内没触发空闲中断才进入定时器中断，确保了一帧数据的完整性。

4.3 移动端软件

移动端软件设计成微信小程序，集成地图、微信支付、扫码充电等功能，而且不必安装，用户体验感强。小程序使用Https和WebSocket协议与服务器进行交互。Https主要用于发起请求后服务器立即回复的情景，如刷新界面信息。WebSocket使服务器可以随时推动信息给小程序，弥补了Https的缺陷。如图9所示，用户选择智能充电节点和时间并点击开始充电，小程序发送命令到服务器，通过服务器和中控的转发，即可打开智能充电节点，服务器通过WebSocket给用户推送打开成功或打开失败的提示。

图9 移动端软件充电流程图

5 测试与总结

充电桩调试时， LoRa无线传输成功穿透地下室，且通信距离超过300 m。移动端界面如图10所示，用户选择智能充电节点和充电时间后，点击开始充电。如图11所示，地址为512、1的中控网关每分钟上传心跳正常，表明没有出现丢包现象，通信链路可靠，充电功率为60 W，正常打开消费1分钱，之后按0.3元/小时计费。

图10 移动端界面

图11 服务器打印数据

本文设计了一种基于物联网的电动车充电系统，能够用移动端APP对充电桩进行操作，并实时监测充电状态。且此系统适应能力强，可安装在地下室等无信号场合，有很高的应用价值。