安科瑞电气股份有限公司 已通过实名认证

销售热线：安科瑞电气 张双 13916280434 （微信同号）021-69153583 QQ: 2885039098

0引言       

作为节能、便捷、价格低廉的交通工具,电动自行车受到了越来越多人的青睐,尤其是在学校、居民小区,电动自行车已经成为多数人使用的代步工具。由于充电设备的不足,且电池重量较大,随意私拉电线为电动自行车充电的现象越来越多,给小区带来了巨大的安全隐患。根据***安委会办公室关于开展电动自行车消防安全综合治理工作的通知,政府鼓励新建住宅小区同步设置集中停放场和具有定时充电、自动断电、故障报警等功能的智能充电控制设备。为此,本文设计了一种基于微信平台的充电控制系统,该充电系统能够建立充电桩、手机客户端、云服务器之间的数据通信,手机用户可以通过微信平台远程完成打开充电桩、支付等功能,同时能在手机客户端上实时查看到电车充电状态、剩余充电时间等信息。

1系统架构       

充电桩系统由充电终端、云服务器、手机客户端组成,图1充电桩系统组成该系统如图1所示。充电终端用于为用户充电并将充电设备的信息上报云服务器,用户通过微信客户端发出指令,充电终端执行相应的操作,同时将充电状态通过云服务器反馈给客户端,使用户实时掌握充电状态。手机客户端以微信为平台,通过微信公众号将用户与服务器连接,用户可以通过微信完成支付,查询充电状态、充电时间、消费记录等信息。云服务器负责接收数据、保存数据、发布等功能,为用户和运营者提供业务请求。用户手机客户端通过手机的4G、WiFi等方式与云服务器建立连接;充电终端用4G模块与云服务器建立连接。用户通过手机微信扫描二维码,登录微信公众平台选择该充电桩,并选择某个充电口进行充电。

图1 充电桩系统组成

2充电桩终端控制系统设计2.1硬件电路设计       

硬件控制电路由主控制器、电源电路、HLW8012功率测量电路、ULN2008达林顿驱动电路、4G模块、EEP-ROM、ID卡模块、按键模块等部分组成。充电桩终端控制系统机构如图2所示。其中主控制器采用意法半导体公司的STM32F103VET6处理器,采用ULN2008驱动继电器控制充电桩桩口的通断,采用XW12A电容按键为按键模块。

图2 终端控制系统结构图

2.1.1电源电路设计

电源模块分为控制系统电源模块和功率测量电源模块。控制系统电源模块为(外部提供)12V电源,电源电路将12V转为5V和3.3V供控制系统使用,该部分电源电路如图3所示。

图3 控制系统电源电路

功率测量电源模块为ACDC非隔离电源,输入为220V交流电,输出为5V直流电为功率测量电路供电,该部分电源电路如图4所示。

图4 功率测量电源电路

2.1.2功率测量电路设计

本次设计采用的功率测量芯片为HLW8012,该款芯片为单相电能计量芯片,可以测量有用功率、电量、电压有效值、电流有效值等。其芯片输出高频脉冲CF,指示有用功率,在1000:1的范围内可达±0.3%的精度,可**测量充电桩损耗功率。充电桩口的正极通过LIN与LOUT端与测量芯片功率连接,测量芯片通过比较V1P与V1N两端的电压差计算出通过电阻R1的电流。电压信号通过电阻网络分压由V2P**电路电压值,所测得的采样电压值为输入电压的1/1881。功率测量电路如图5所示。

图5 功率测量电路

2.1.3EEPROM模块

EEPROM模块采用的芯片为AT24C512,该芯片连接MCU的I2C接口。模块记录的内容包括设备编号、充电时间、升级标志位以及充电输出状态等。当充电桩与服务器断开连接或者充电桩短时间断电,设备可以断电续充,保证系统有良好的容错能力。

2.1.44G通信模块

通信模块采用有人物联网公司的USRLTE7S4模块,这是一款功能丰富的M2M产品。以“透传”作为功能核心,可以方便快捷地集成于开发系统中。4G模块与MCU的UART2串口连接,用于实现充电桩与服务器之间的数据传输。充电桩与服务器通过4G以心跳包方式进行数据通信,每次发送的数据包由帧头、功能码、数据信息、校验码和帧尾组成。协议分为服务器主动下发和设备主动上报两种,各部分数据包及数据内容如表1所列。

2.2软件流程设计

在硬件电路设计基础上,进行智能充电桩控制开发。软件设计采用C语言在Keil平台上进行开发。Keil软件平台提供在线仿真和硬件仿真两种调试模式,在编写程序时可以有效调试程序。

2.2.1程序流程设计

该系统的流程分为注册流程图、充电流程图和停止充电流程图。充电桩系统打开后**行硬件初始化(包括功率模块、时钟、串口、中断和GPRS),之后通过GPRS向服务器发送注册包,收到服务器回复的报文后确认注册成功,服务器获取设备状态并向下位机设置功率参数。注册流程图如图6所示。

图6 注册流程图

充电桩设计有2种充电方式:刷卡方式和微信方式。用户选择充电方式之后,根据服务器发送的数据包作出相应的判断,打开相应的充电桩口以及上报相应的信息。服务器通过上报的功率以及充电金额计算出充电时间,并下发给充电桩,充电桩记录充电时间并开始充电。充电流程图如图7所示。

图7 充电流程图

在充电过程中,充电桩将实时监控充电功率、充电时间是否结束以及服务器是否发送主动断电指令。充电停止分为两种情况,一种是充电时间到达,充电桩自动关闭充电桩口,上报设备信息,服务器通知用户充电结束。另一种是异常断电,其中包括功率过大或过小、服务器主动断电。充电桩断电后将断电信息上报服务器,并通知用户设备断电。该流程图如图8所示。

图8 断电流程图

2.2.2功率测量

软件设计功率测量模块主要测量打开的充电桩口功率,功率测量正常工作需要进行初始化,初始化包括I/O口配置、时钟配置、中断配置等。在初始化完毕后,依次查询正在充电的充电桩口。若MCU捕捉到相应I/O口的脉冲沿变化,定时器开启定时,MCU统计在1s内的脉冲沿个数,MCU根据捕捉到的脉冲个数计算功率值。功率测量流程如图9所示。

图9 功率测量流程图

根据捕捉到的脉冲个数,可以计算出负载的有用功率。有用功率频率的理论值计算如下:F=V1·V2·48VREF·fosc128其中,F为有用功率对应的输出脉冲频率值;V1为电流通道的电压信号;V2为电压通道上的电压信号;VREF为内部基准电压,典型电压是2.43V;fosc是内置晶振,频率为3.579MHz。由于V1和V2与负载的电流电压均为线性关系,因此有用功率与频率F呈线性关系,因此测量功率计算公式如下:FCalF=PCalP其中,PCal和FCal分别为校准功率值和校准功率值实测的频率值,本次设计所用的校准功率为1kW;P和F分别为实际负载的功率和测量到的频率值。经验证,测量的得到的精度为±3%。

2.2.3远程升级软件设计

STM32支持IAP(InApplicationProgramming)功能,实现在线升级功能。该功能的实现需要两个项目的代码:一项为Bootloader,该项目不执行项目功能操作,而是通过UART2连接的4G模块接收服务器传送过来的程序包,将新的APP程序写入到FLASH中,并完成跳转功能;二项是升级的APP程序包。下位机需要升级时,服务器将下发指令,修改EEPROM中的升级状态标志位,下位机读取到升级标志位后,重启并上报服务器准备接收APP程序,同时地址偏移后的APP程序的中断向量表也需同等偏移,使得中断程序能够正常响应。

3客户端       

微信客户端主要为用户提供充电桩下位机和服务器的信息处理平台,用户在客户端上对充电桩进行操作。客户端分为用户充电页面、正在充电页面和账户管理页面。用户充电页面使用操作如下:

①用户使用手机登录并关注充电桩公司提供的微信公众号,微信客户端通过微信号作为用户ID,完成信息注册。

②用微信公众号扫描充电设备上的二维码或手动输入设备编号,选取该充电桩。

③选择此时空闲的充电桩口,并将充电设备连接在相应的充电位置,输入需要充电的金额,并点击“开始充电”。

④客户端将显示出用电功率以及充电时间,并在充电结束时断开电路并提示用户取走充电设备。正在充电页面显示该用户正在使用的充电设备信息,包括充电桩编号、充电设备的功率、充电费率、剩余时长和开始时间等信息。在此页面可提前关闭充电,结束充电任务。账户管理页面供用户查询账户余额、绑定手机号、优惠卡、账单等用户信息。

4测试与结论

4.1测试

将负载插入充电终端,打开微信公众号,选取测试充电桩和充电桩口,选择充电金额并打开充电。用功率计量插座测得负载的实时功率,计算出实际功率与读取的功率之间的差值。在客户端选择打开充电,继电器闭合,功率计量插座显示的实时功率为596W,客户端显示功率为614W,符合设计需求。充电时间为充电金额与充电功率的商值,本设计中设置的充电价格为600W·h/元,客户端显示充电时间为1小时,符合设计需求。充电过程中分别将负载换为1000W和10W,充电终端在3s内关断充电桩口,并且客户端上显示断电原因,实时性符合设计需求。

5 安科瑞电动自行车平台及选型介绍       

安科瑞电动自行车充电桩通过GPRS模块与云端进行通信和数据交互。系统能够对电动自行车充电桩的日常状态、充电过程进行监控；实现充电支付对接：支持投币、刷卡、微信支付等多种支付方式，保证支付交易过程的完整性，对充电过程中的异常情况进行有效预警；实现对下游站级平台的清算、对账功能。平台可对接消防物联网平台、小程序等，提供相关异常数据，实现电动车充电安全管理的网络化、可视化。

①　安全预警

  对平台连接的所有充电桩状态进行监视，充电桩发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号，及时消除火灾隐患。

②　交易结算管理

  平台为运营方提供充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表等，支持投币、刷卡和扫码充电。

③　充电服务

  可通过软件搜索附近充电桩，并查看充电桩状态，并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电。

④　运营分析

  对订单进行数据化分析，通过柱状图、报表方式直观展示数据，并支持和第三方平台对接。

⑤　微信小程序

可通过微信小程序扫码充电，充电账单支付。运营商和物业管理人员均可通过小程序管理，监测充电桩状态和充电交易情况。

⑥产品选型

A款的ACX10A-YH刷卡扫码充电，刷卡充电需要在管理处预存电费充值后进行刷卡充电，也可接入充电桩管理云平台通过扫码充电；

  B款的ACX10B-TYH全功能型在A款的ACX10A-YH基础上增加投币功能，ACX10B-YH与A款的功能接近，但是B款产品均支持在不需要云平台下的项目中单独使用。

6 结束语       

本文实现了一种基于微信的公用电动自行车充电桩设计。系统包括充电桩终端、手机客户端和云服务器三部 分。本文主要介绍充电终端设计,首先对充电桩的整体结 构设计描述,然后进行硬件电路设计,包括主控电路、电源 电路、功率计量电路、4G通信模块的软硬件实现。实际测 试证明,本文的设计方案能够控制多路桩口通断,用户可 以使用微信客户端进行操作。

参考文献：

[1][1]王佳佳,孙玉涛.蚌埠市电动自行车充电站的现状和前景的 调研[J].高新技术产业发展,2012(7):28 29.

[2]陈富安,白超杰  微信与ID卡支付的公用电动自行车充电桩

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版