跨平臺的電動汽車充電站監控終端軟件設計

摘 要：針對目前電動汽車充電站監控系統所監控的設備種類繁多、標準不一、規約多樣化問題，開發了一種跨平臺的集多種協議轉換、重用性、移植性好的電動汽車充電站監控終端軟件平臺。重點分析了該系統的總體架構設計、模塊之間數據流及使用的關鍵技術，并結合大量的實際工程應用給出了典型用法。實踐表明該系統能夠滿足充電站監控系統的要求。

關鍵詞：電動汽車充電站；監控終端；跨平臺技術；ACE

引言

電動汽車由于燃料的可再生性、清潔性，逐漸成為國家在新能源汽車產業大力發展的對象，而電動汽車充電站是電動汽車大規模產業化后不可缺少的電動汽車能源服務基礎設施。在充電站建設中，實現其高效、安全、智能化管理已成為主流，充電站監控系統作為充電站自動化系統的核心，是目前電動汽車充電站建設產業研究的重要課題和熱點[1]。

電動汽車充電站監控終端是充電站系統中的核心通訊控制設備，由于電動汽車充電站的建設還處于示范運營階段，所監控管理的設備種類繁多，標準不一。包括各類配電保護設備、充/換電設備、各種表計、光伏發電、儲能及電池維護等設備。另外不同廠家的設備指標、性能也不盡相同，通訊方式及通信規約更是多種多樣，有CAN總線、RS-485總線、TCP/IP、UDP等通訊方式。因此導致目前的數據接入、監控裝置也各式各樣，例如有CAN轉以太網設備、RS485轉以太網設備、RS485轉CAN設備等，這些設備功能單一，重用性、移植性差，增加了電動汽車充電站監控系統數據接入的復雜性、降低了系統穩定性、增加了軟件開發成本和安裝調試、維護成本。因此開發一種集多種協議轉換、重用性、移植性好的電動汽車充電站監控終端軟件平臺是迫不及待的[2]。

1 總體架構設計

系統的軟件架構分為基礎平臺層，數據接入層，業務處理層，界面展示層。具體結構如圖1所示。基礎平臺層主要包括基礎硬件（嵌入式處理器及外圍設備），所使用的嵌入式操作系統，交叉編譯環境，硬件底層驅動，開發API；數據接入層主要包括GPRS數據接入模塊、RS485/RS232數據接入模塊、CAN數據接入模塊、TCP/IP數據接入模塊；業務處理層主要負責對數據接入層的數據進行解析、數據處理、數據存儲及和后臺的數據交互；展示平臺層主要從共享數據中獲取數據進行監視設備狀態和遙測值以圖形、曲線、圖表等形式展示，能在線修改配置、進行用戶操作權限管理、報文在線監視、就地對監控設備進行下發控制定值。

2 系統軟件設計思想

在搭建系統應用軟件時我們采用了模塊化設計思想。程序模塊主要包括主程序模塊，內存庫模塊，歷史庫模塊、各種規約接入模塊、業務處理模塊。具體的模塊及其之間的數據流如圖2所示。

系統的數據模型和規約模型都以配置文件的形式生成，每種接入的通訊設備既物理通道生成一個配置文件或者是全部生成一個配置文件，看情況而定，配置文件里包括通道通訊參數和通道下面所掛載設備的各種信息。通道參數配置可以從界面在線修改，所有的配置文件同樣可以由專門的配置工具配置后通過遠程管理統一下載到裝置里。主程序模塊既組態模塊通過加載適配器讀取配置文件，根據配置建立每個通道下面所掛載的各個設備的共享內存庫和歷史庫，然后以通道ID為參數啟動相應規約的處理模塊，規約處理模塊啟動后根據傳入的通道ID從共享內存中讀取相應通道配置，啟動相應的設備進行通訊。

通訊數據由所接外設按照各自的通訊介質及通訊規約傳送給各自的通訊處理模塊（包括串口處理模塊、CAN口處理模塊、TCP處理模塊），通訊處理模塊按照規約模板的配置信息解析數據并轉發給業務處理模塊。業務處理模塊按照內存庫、歷史庫接口把數據入庫，根據實際業務需要當需要向后臺轉發數據時，業務處理模塊從內存庫取出相應數據轉發給后臺監控系統。圖形展示模塊根據展示數據的需要從內存庫讀取所要的實時數據，從歷史庫里讀取報警、歷史數據。后臺遠程下發命令及本地下發命令不經過內存庫，直接由后臺或者是就地界面下發給業務處理模塊，業務處理模塊分發給下面的不同設備。

3 使用的關鍵技術

3.1 ACE跨平臺通信框架

ACE自適配通信環境（Adaptive Communication Environment）是一套優秀的中間件。ACE框架服務能滿足許多網絡化軟件的需求。開發者只需專注于實現最終用戶所需的應用功能，無需開發ACE已經提供的能力，這將節省相當可觀的時間和精力。ACE包含許多用于并發通信軟件的核心模式。ACE通信框架具有良好的跨平臺特性，在源代碼級可以做到“一次編碼，隨處編譯”的跨平臺效果。通過提供一組豐富的可復用C++包裝外觀和構架組件，ACE可跨越多種平臺完成通用的通信軟件任務[3]。

3.2 數據、通信模型建立

為了解決系統所接設備種類繁多、規約非標準性、數據量多、數據結構的多樣性，擬采用開放的XML語言描述接口來建立一個多異構總線協議軟件平臺的數據、通信模型來實現異構總線協議設備之間信息交互的高效性和穩定性。XML（eXtensible Markup Language）是一組規則和準則的集合，用戶可以根據需要定義任何一種標簽來描述文檔中的數據元素。它的基本思想是利用數據標識表示數據的含意，利用簡單的嵌套和引用來實現數據元素之間的關系[4]。XML是一個跨數據庫平臺，它的可擴展性、靈活性、維護性、移植性、自治性相當好，同時滿足一定的實時性要求。

3.3 歷史庫選取

在嵌入式裝置上使用網絡型數據庫開銷大、效率極低，一般都使用嵌入式文件型數據庫。本系統選用開源免費的SQLite數據庫[5]。它拋棄了傳統企業級數據庫的許多復雜特性，只實現對于數據庫而言必備的功能，系統開銷小，檢索效率高，支持 ACID 特性，支持SQL92 標準。由于此嵌入式系統需要跨平臺運行，同時對實時性的要求特別高，數據量大。所以本系統采用數據庫廠商提供的數據庫訪問C接口，這樣版本更新最快，并且可以使用數據庫提供的更高級的功能，這樣訪問數據庫速度也最快。

3.4 圖形界面

圖形界面利用許繼集團已有的Xview組態軟件，此組態是基于QT的經歷了10年以上開發完善后的產品。只就圖形部分，在windows和unix下已經得到了成功的驗證。只要在嵌入式arm + linux下成功編譯Xview，并且開發出圖形適配器使圖形界面與通信數據接口連接起來就可以得到易于操作、功能強大的圖形開發界面。

4 在工程中的應用

電動汽車充換電站監控終端主要應用于各種類型的電動汽車充換電站的站級監控系統中。對RS232、RS485、CAN、以太網及GPRS等通訊介質、通訊協議的設備進行數據采集，數據轉發、數據就地展示、遠程/就地控制、定值下發。所監控的相關設備包括站內配電保護設備、整車充電設備、分箱充/放電設備、電池更換設備、電池管理設備、儀表電度表設備、APF設備、光伏及儲能設備等。截止目前為止此監控終端已經在青島薛家島充換儲放一體化電站、天津海泰南路充換電站、南京藥科大學充換電站等多座大型充換電站中投入使用。具體的通訊結構如圖3所示。

5 結束語

本文所介紹的跨平臺電動汽車充換電站監控終端產品自2010年完成整個系統的功能開發及測試后，至今已有近1000套在充換電站現場投入運行。該產品以其功能強大、性能穩定、運行可靠、易于擴展、二次開發簡單，贏得了良好的聲譽。同時，隨著計算機、嵌入式技術的不斷發展，跨平臺的嵌入式監控終端設備在工業系統信息化中也將發揮更大的作用。

參考文獻

[1]申超群.電動汽車充電站智能監控系統研究與設計[B].華東電力，2011，6[39]；

[2]嚴輝.電動汽車充電站監控系統的設計與實現[J].電網技術，2009，12；

[3]崔桂香.ACE框架在網絡通訊軟件設計中的應用研究[J].北京電子科技學院學報，2004，4；

[4]尹祿高.基于XML的測控系統統一數據模型[A].兵工自動化，2012，31[6]；

[5]楊柳.嵌入式Linux及SQLite數據庫在智能監控中的應用研究[A].嵌入式軟件應用，2010，12-2；

作者簡介：倪健，（1975.1-）女 河北邯鄲，碩士，副教授，研究方向：軟件測試、計算機圖形學、模式識別方向.