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浅谈电动自行车充电桩智能监测系统的设计与应用

 更新时间:2020-08-09 点击量:237

蒋超萍

                                          江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405

摘要:围绕基于物联网的电动自行车充电桩智能监测系统,介绍了该系统的软硬件组成、各部分之间的联xi,以及该系统的工作原理、相应的设计技术,主要包括电动车充电桩的智能控制方法、充电桩与手ji的通信方法,手ji与服务器的数据通信等内容。

关键词:充电桩;单片机;智能手ji;物联网;互联网;服务器

1 引言

电动自行车在中国有着巨大的使用量,但是电动车电池的寿命却不够理想,当然电池的寿命和很多因素有关。其中一个很重要的原因是充电器造成的,比如夏天过充,冬天欠充,旧电池充电不转灯等,普通充电桩只有几个简单的状态指示灯,无法*了解充电状态。如果能了解充电过程,并将充电数据通过互联网上传到充电桩厂家服务器,厂家通过大数据分析,对充电桩进行改进,则会有效提高充电器质量。同时用户也可以通过手ji详细了解充电状态,并通过服务器返回的充电参数调整用户充电桩的参数,则会让充电桩更加智能化。

2 系统架构

系统利用物联网、智能手ji、互联网三位一体,构造了一套完整的电动自行车充电桩智能监测系统,系统构造如图1所示。

基于泛在物联网的智能配电系统应用探究

图1 系统架构框图

如图1所示,充电桩中装有单片机,单片机负责测量电池电压电流以及环境温度等参数。单片机利用蓝牙串口模块与智能手ji构成物联网,进行无线通信,上传电池充放电数据,或者下载本电池的充电参数,智能手ji再通过互联网与充电桩厂家的服务器进行通信,上传本电池的充放电数据,或者从服务器数据库中下载针对本电池的新的充电参数。充电桩厂家的专家通过分析用户电池的充放电数据,研究出新的充电桩工作过程,并提出针对不同电池的充电参数,并上传服务器,供用户下载。同时,厂家还可以根据用户电池的变化情况,了解新的充电参数是否对电池有效。当然厂家也可以做很多事情,比如充电桩的质量跟踪,电池的寿命跟踪等,为研究更好的充电桩提供实验数据。有了这个系统,用户和企业就可以实现交流,充电桩变得更加智能化,相当于把专家请回家,随时提供专业指导,并提高充电效果,延长电池寿命,要完成这个系统,需要对充电桩,智能手ji,服务器这3部分设计相应的软件,另外充电桩内部还要有相应的硬件电路配合,下面具体说明这些部分的设计。

3 充电桩相关电路

为了能实现与智能手ji通信,充电桩在传统电路的基础上加入单片机,当然电路可以整体设计,也可以在原有的普通充电桩电路上进行改造,这里以改造为例,列出与单片机相关的电路,其他电路和原充电桩相同,具体电路如图2所示。

基于泛在物联网的智能配电系统应用探究

图2 充电桩单片机相关电路图

3.1电源电路

充电桩输出经过防倒灌二极管D1加到充电电池DC1上,电池上的48V电压经过MK1模块降压到直流2V,MK1 是开关模式的DC/DC降压模块,效率高,适用于较高的直流电压的降压,12V电压一路加到运放IC2的电源上;另一路加到集成稳压电路IC3输入端,IC3是传统的线性稳压集成电路,型号为LM7805,输出5V直流电为单片机IC1供电,单片机型号为国产的STC15w408as,采用 DIP16脚封装,是增强型51系列单片机,有8路10位ADC模数转换功能,有硬件PWM功能,还有串行口,定时器等功能,非常适合本电路使用。

3.2信号测量电路

电池电压经过R5,R7分压后加到单片机P1.0端口,利用单片机的ADC功能测量电池电压,充电电流经过电流采样电阻 R1 后形成采样电压经过单电源运算放大器 LM358 的放大后加到单片机的 P1.1端口,用来测量充电电流,7805输出的5V电压经过R6,RT分压后加到单片机P1.2端口,用于环境温度的测量,RT为负温度系数NTC热敏电阻,常温25摄氏度时的阻值为10k欧。

3.3充电控制电路

当服务器传回新的充电参数后,充电桩应该用新的充电参数来控制充电过程,充电过程的控制主要以传统的三段式充电模式为主,该模式先恒流,后恒压,涓流充电,是当今大多数充电桩的标准模式。 这种模式不用单片机也可以运行,单片机的作用是可以根据环境温度,电池的新旧状态,以及充电过程中出现的各种情况做出微调,以使电池处在充电状态。微调的方法是单片机输出一个模拟电压去控制充电器稳压环节,也就是控制稳压集成电路 TL431 的反馈引脚,从而调整恒压阶段的电压值。比如说环境温度低,则恒压值提高,环境温度高,则恒压值降低,若充电不转灯,则降低恒压值,使充电桩及时转灯。控制了恒压值,即控制了充电过程,由于单片机没有DAC功能,所以利用单片机的硬件PWM功能,在P3.2引脚输出PWM波,经过R8,C2,R9,C3两级RC滤波后产生一个直流电压,通过R10电阻加到TL431的反馈引脚上,从而实现充电控制功能。

3.4物联网电路

为了能实现充电器连上互联网和企业服务器交换数据,让单片机通过蓝牙串口模块和手ji进行蓝牙组网, 图3中MK2即是蓝牙串口模块,该模块的 RXD,TXD分别连到单片机的 P3.0和 P3.1引脚,与单片机进行串口通信,模块上的2.4G天线和手ji蓝牙进行无线通信,组成物联网,如果有多个充电器,则多个充电器各自带有蓝牙模块,用户可以操作手ji软件去主动连接配对各个充电器,和他们通信,要注意的是,由于蓝牙串口模式是点对点组网,所以手ji每次只能连接一个充电器。

4 单片机软件

单片机负责与手ji进行串口通信,同时测量温度,电流,电压等参数,并将这些参数在用户的控制下传送到手ji,并根据手ji传来的充电参数进行充电控制,其主要流程如图3所示。

基于泛在物联网的智能配电系统应用探究

图3 单片机程序流程图

由图3可见,程序主要分两部分,一部分为主程序,主要负责测量电压、电流、温度等参数,以及进行充电控制,这个过程循环进行,直到关闭电源结束,另一部分为串行口中断程序,当用户通过手ji蓝牙连接电路中的蓝牙串口模块后,用户只要有数据发送到单片机,单片机就会产生串口接收中断,单片机在中断函数中接收用户发来的数据,并根据需要,将单片机中的参数送回到用户手ji上,单片机软件要完成3种事,测量、控制及通信,由于篇幅关系,详细程序不再列出,本软件利用keil C开发,用C语言设计,易读性及可移值性好,程序短小,稳定性好。

5手ji软件

当前流行的智能手ji主要以安卓系统,苹果系统,以及微软系统为主,根据需要可以设计不同平台的软件系统,虽然平台不同,但要完成的任务及流程是一样的,下面以安卓系统为例,本软件用Google公司开发的ADT Bundle开发工具设计,该工具基于Java开发,自带 Eclipes工具,并包括了Android开发库,安装使用都很方便,手ji部分的软件主要负责和单片机通信,以及通过互连网和远程服务器通信,另外就是和用户的交互,以及充电曲线及参数的显示,和单片机通信的方法是通过蓝牙串口的方式进行,和服务器通信的方法主要以B/S结构为主,就是服务器启动Web服务,并启用asp脚本功能,手ji客户端通过浏览器访问服务器手ji,上传下载充电数据,这种结构开放性强,软件开发难度低,技术成熟度高,软件流程如图4所示。

基于泛在物联网的智能配电系统应用探究

图4 手ji端软件流程图

服务器端主要负责用户充电数据的存储,专家设定的充电控制参数的保存,以及用户的交互界面,以提供数据的上传和下载,本服务器安装Windows 2003 Server版操作系统,安装 SQL Server 2000数据库,建立用户信息表,充电信息表,网zhan用ASP技术开发,可以方便用户交互,上传下载充电数据,具体流程不再详述。

7 安科瑞电动自行车充电桩及充电桩监测系统

7.1电动自行车充电桩产品介绍

电动自行车智能充电桩是新一代电动自行车智能充电设备,具有交流输出电源远程通断控制、充电安全控制、电度计量、按时计费功能于一体的交流供电装置,该装置能通过电动自行车的车配充电器为电动自行车充电。支付方式可选择投币、刷卡、扫码使用,设备内部可引出10路出线至插座,通过电动自行车的车配充电器完成充电。可连接云平台给用户提供安全可靠及智能化的充电服务。

7.2电动自行车充电桩技术参数

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7.3电动自行车充电桩选型表

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7.4电动自行车充电桩监测系统功能

7.4.1资源管理

充电站档案管理,充电桩档案管理,用户档案管理,充电桩异常交易监测。

7.4.2交易结算

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。

7.4.3用户管理

用户注册,用户登录,用户账户管理

7.4.4充电服务

充电设施搜索,充电设施查看,地图寻址,在线自助支付充电,充电结算,导航等。

7.4.5微xin小程序

扫码充电,账单支付等功能。

7.4.6数据服务

数据采集,短信提醒,数据存储和解析。

8 安装应用案例

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电瓶车充电桩在江阴某小区的应用

9 业务模式

9.1数据托管方式

安科瑞指导用户完成充电桩的安装,用户的充电桩将数据上传至安科瑞充电桩收费运营云平台,委托安科瑞管理,按约定收取托管费用。

9.2用户自建平台

平台建在用户监控室内(或地点),硬件客户可以按照我方*设备配置标准采购或者租用云服务器。安科瑞为客户完成平台的建设和运管队伍的培训。

10 结语

本系统综合了充电技术,单片机技术、智能手ji、计算机、物联网、互联网、各种系统的软件设计,符合当今信息化,智能化社会的潮流,为企业产品的持续改进,提高客户服务质量,自动化收集产品使用信息等方面起到了较好的作用,由于该系统能大范围收集充电器实际运行状态数据,以及电池工作状态数据,为企业对产品的分析改进提供了坚实的实验数据。

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