物联网环境下换电柜控制系统的改进设计

沈 兵，向 军，梁会军，蒯枫翔

（湖北民族大学 智能科学与工程学院，湖北恩施 445000）

引言

电动自行车是人们生活中常见的代步工具，也是发展绿色经济，提倡绿色出行的载体[1,2]。据统计，我国的电动自行车用户近3亿，并以惊人的速度逐年递增，而随着外卖业的迅速发展，大部分骑手平均每天骑行距离达到100 km至150 km，而续航里程为50 km 左右锂电池远不能支撑骑手一天的工作行程[3,4]。同时，在物联网的技术和共享经济环境下，共享电动自行车结合逐渐成熟的智能化终端技术已经出现在很多城市中，并越来越受到城市居民的喜爱和认可[3]。但目前共享电动自行车大多没有固定充电桩，如何给电瓶充电已成为共享电动自行车接续发展的阻碍之一，而如果采用人为更换电池模式，会给中后期的运维工作和人力成本投入造成较大的压力。几乎每家每户都有电动自行车，为了方便地给电瓶充电，用户各显神通的充电方式会诱发触电、火灾等问题[6-8]。

为此，结合“集中充电，自主换电”的思想，依托阿里云物联网平台设计了一套电瓶换电柜控制系统，自主研发一款电瓶换电柜，能满足电动自行车智能换电柜技术要求及检测标准。该系统融合物联网思维，使电瓶充电更方便、更安全、更有序。

1 系统总体设计

换电柜作为电动自行车充电集成化的载体，为电瓶充电带来了很大便捷。本设计初步设定一个换电柜拥有6 个电池充电箱，每个充电箱内配有控制电路板对充电过程进行实时监测、信息采集并建立通讯。1 号箱的电路板作为主控电路板与触摸屏通过RS-232串口进行通讯，主控板与从控电路板建立RS-485通讯协议，以总线的方式进行通讯。换电柜通过ESP8266 无线通讯模块与阿里云物联网平台按照MQTT 通信协议进行通讯[8]。用户可通过手机上的APP 扫描触摸屏上的二维码验证身份。身份验证后发送指令给阿里云物联网平台，再由平台发送指令给换电柜，解锁触摸屏跳转至操作界面，让用户进行充电、取电的操作，控制系统整体框图如图1所示。

图1 换电柜控制系统整体框图

控制电路板采用STM32F103R8T6 单片机作为主控芯片。STM32F103R8T6单片机是ST旗下的一款常用的增强型系列微控制器，基于Cortex-M3™内核，主频高达72 MHz，20 K 的静态存储，64 K 字节程序存储空间[1],具有51个Ι/O引脚和7个定时器。

集成电路板包含电源模块、通讯模块、继电器控制模块、温度烟雾报警模块、拨码开关、指示灯模块、电压反馈模块等多个模块，控制电路板整体结构如图2 所示。据此，实现对每个充电箱充电过程的监测、控制以及信息传递。

图2 控制电路板结构图

2 硬件设计

2.1 电源模块

控制电路板中不同模块供电需求不同，例如STM32F103R8T6 芯片、通讯模块和拨码开关需以3.3 V 电压供电，指示灯模块、继电器模块和温度模块需以12 V电压供电，烟雾模块需以5 V电压供电。因此，设计选择以12 V 直流电压源接入电源模块，用以LM2576HVT-5.0 稳压器为主的降压电路将12 V 电压转换成5 V 电压，再用以ASM1117-3.3 稳压器为主的降压电路将5 V 电压转换成3.3 V 电压，为整个电路板和各模块供电。

2.2 通讯模块

通讯模块是电动自行车电瓶换电柜控制系统极为重要的模块，是触摸屏与主控电路板、主控电路板与其他充电箱中的控制电路板建立通讯的基础。主控电路板通过串口1 与触摸屏进行RS-232串行通讯，接受、分析来自触摸屏的信号。若接受到的信号目标对象不是1 号充电箱，主控芯片则将信号按照充电箱控制电路板间的自定义通讯协议进行转换，再通过主控板上的串口2 传输到控制电路板间的通讯总线上。从控制电路板也是经由串口2接收传递控制信号和充电箱内实时数据。由于控制电路板间的通讯协议和触摸屏与主控板间的通讯协议不同，主控板中的主控芯片将分析以两种协议传递的信息。串口1 的通讯电路是以MAX232CSA 收发器为核心外连九针母头，串口2的通讯电路以MAX1487CPA为核心，通过两线端子与RS-485总线连接。

2.3 电压反馈模块

电压反馈模块主要作用是测量充电过程中的电池电压，然后经过LM358芯片中的运算放大器处理后反馈给单片机进行分析。STM32 将设定三个阈值与接收到的电压信号进行比较，当电压信号小于最低阈值时，系统认为该充电箱内并无电池，当电压信号大于最高阈值时，系统认为该充电箱内的电池已经充满，在这两种情况下，系统都会断开充电继电器以及执行相应操作。只有当电压信号大于最低阈值，小于最高阈值时，系统才会认为充电箱内有需要充电的电池，而中间的阈值则是用于界定电池电量是否已经充过80%。同时，指示灯的亮灭也是通过电压信号与阈值的比较进行变换。

2.4 其他模块简介

拨码开关电路是用SW DΙP-4 拨码按键构成的简易电路，在系统初始化过程中，控制芯片通过读取相应引脚的高低电平，识别拨码开关提供的4 位二进制信息，以此确定本箱编号。

温度模块是结合DS18B20 传感器将温度信号传给控制芯片。DS18B20 传感器仅有三根连接线，分别是信号线、地线和电源线，信号线接入电路时需上拉4.7 kΩ 电阻。芯片在工作过程中定时读取温度信号，分别将温度信号的整数部分和小数部分转换成一字节的数据，发送给主控芯片。

烟雾模块以MQ-2 多种气体传感器为主体，检测充电箱内的烟雾信号后，信号经过ADC0832芯片转化后传给控制电路板。由于需以5 V 电压给MQ-2 供电，信号传递给芯片时应光耦隔离，以保证芯片运行安全。

指示灯模块、风扇控制模块、电磁锁模块以及继电器控制模块都需要12 V 电压供电，而STM32F103R8T6 控制芯片引脚仅接受3.3 V 信号，因此当信号输出时都需经光耦隔离控制各模块的运行。

3 软件设计

3.1 APP程序设计

应用Android Studio开发环境设计安卓APP，用户可下载并使用APP 扫描触摸屏上的二维码验证身份并解锁触摸屏。

阿里云物联网平台与APP 和ESP8266 无线通讯模块之间的通讯协议均为MQTT，用户可采取如图3 的操作流程注册账号、身份验证和登陆账号。登陆账号后，可采用扫描触摸屏上的二维码或在APP 上选定换电柜的编号后向阿里云物联网平台发送允许操作指令，使用换电柜。

图3 APP操作流程图

点击APP 中按钮可触发事件将控制命令以JSON 的ALΙNK 的格式传输给阿里云，再由阿里云以同样的数据格式传递给ESP8266 无线通讯模块，实现电动自行车终端用户与换电柜之间的通讯。

3.2 人机交互界面设计

设计选用大彩科技有限公司旗下DC10768KM 150_1111_0C型号的15寸触摸屏作为触控屏。前期制作的人机交互界面如图4 所示。六个区域中的“充电”、“取电”按钮分别用来控制六个充电箱箱门的开启。按下“充电”按钮时，若充电箱内无电池，对应箱门开启，否则界面会弹出“箱内有电池”的提示。按下“取电”按钮时，若对应充电箱有电量超过80%的电池，充电箱箱门开启，否则界面会弹出“箱内可取电池”的提示。

每个区域有三色灯，红灯亮时表示对应箱内电池电量不足80%。黄灯亮时表示对应箱内电池电量大于80%。绿灯亮时表示箱内有电量充足的电池。当区域内三色灯全部熄灭时表示对应充电箱内无电池。

3.3 单片机程序设计

主程序运行流程图如图5所示，连接电路后，给控制电路板和触摸屏上电，各控制电路板首先初始化各引脚功能配置，通过拨码开关引脚上的电平识别自身编号，主控电路板编号为1 号。主程序进入循环后，主控板将本充电箱的基本信息通过串口1传给触摸屏，通过串口2 向其他控制电路板依次发送查询指令。收到查询指令后，各控制电路板读取本充电箱内温度、烟雾、箱门关合及电池电量信息，按自定义协议规则整合成数据，通过串口2 发送到RS-485 总线上。主控电路板通过识别数据内源地址和目的地址信息判断数据来源，分析转换后传给触摸屏显示。当用户通过触摸屏按下“充电”和“取电”按钮时，触摸屏发送指令给主控板。主控板经分析转换后或打开本充电箱箱门，或通过串口2 发送各控制板。

图5 控制电路板主程序流程图

3.4 自定义通讯协议简介

电瓶换电柜内部具有两种通讯协议，一种是DC10768KM150_1111_0C 触摸屏默认通讯协议；大彩组态命令集。另一种是各控制电路板间自定义的一个协议，其协议结构如图6 所示；数据共有13位，以FF FF 为帧头，EE 为帧尾，第三位至第七位分别记录数据的源地址、目标地址、功能指令、充电箱箱门的状态和箱内电池电量的状态。数据的第八位至第十一位记录充电箱内的温度和烟雾实时数据，及十二位代表充电箱内有无电池的信息。当控制电路板收到查询信号，控制芯片将读取箱内各信号整合到数据中，反馈给主控芯片。主控芯片对照目的地址接受分析收到的数据，将指示灯信号转换成触摸屏可以识别的指令传给触摸屏。

图6 应答信号数据分析图

4 测试

在测试初始阶段，主控芯片只有向RS-485总线依次发送查询信号，然后接受每个充电箱反馈而来的响应信号才可获取其状态信息。加入延时后，主控电路板每隔2 s 按顺序向其中一个从控电路板发送查询信号，但经测试发现，各个充电箱状态信息需要等待一个12 s 查询周期才能反馈至触摸屏，极大地造成了信息传输的延迟。为了保证充电过中状态信息能够及时传输，对主控电路板的控制策略进行了调整，并改进了Keil 程序。经过改进后，各个充电箱内的状态信息跳变后，从控电路板能在1 s内主动向主控电路板发送状态信息，并通过触摸屏及时显示，消除了初始阶段状态信息延时反馈的弊端。

主控芯片和从控芯片共用一套程序，芯片通过初始化过程确定自身编号后执行不同的操作。控制电路板中拨码开关被置为03，被定为主控电路板；右边控制电路板中的拨码开关被置为03，被定为从控电路板。它们能将充电过程中的状态的信息反馈至触摸屏，并在触摸屏中的区域1 和区域3中显示。程序经过多次调试和改进，已可使用手机APP 扫码解锁触摸屏进入主界面进行充电、取电的操作。主从控制电路板中的各个模块都能及时采集到实时数据并反馈给触摸屏进行显示，控制电路板间也能实现迅速可靠的通信。

5 结束语

为解决电动自行车充电难、充电过程存在不安全等问题，从硬件、软件两方面入手设计了一套换电柜控制系统。该系统以STM32F103R8T6 单片机为控制核心，应用ESP8266 无线通讯模块与阿里云物联网平台根据MQTT 协议建立无线通讯，并在Android Studio 软件中开发终端APP。用户可通过APP 验证身份，解锁换电柜触摸屏和结算金额。经过实物测试，该系统能极大程度地给电动车用户带来便利，提高电瓶充电过程的安全性。