基于物聯網技術的電動車智能充電管理系統

李東輝

摘 要：隨著人們消費水平的提高，電動車以其環保、經濟和便捷的特點深受消費者的喜愛，現已開始進入到千家萬戶。本系統應用現代物聯網技術（RFID技術、互聯網技術、傳感器技術、數據通信技術等）和嵌入式Linux、Qt、eclipse等開發工具平臺，設計了一套以達盛E_Play平臺為核心的電動車智能充電防盜與管理系統。有效實現了對整個電動車停車場進行統一的智能化管理。本系統通過實驗，驗證了設計的合理性和科學性，因而具有極好的推廣價值。

關鍵詞：RFID；Qt；Linux；eclipse；智能管理

中圖分類號：TN915.8 53 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

隨著電動車技術的發展，以及人們消費水平的提高，目前電動車憑借其環保、便捷、經濟等特性已經逐步取代了自行車這一交通工具，成為人們首選的城市代步工具。大量電動車的使用，雖然方便了人們的出行，但還是存在著一系列的問題，對于城市管理來說，基本還是依靠傳統的自行車停車場管理方式對電動車規范停車進行管理，這導致了城市到處出現亂停亂放，違規停車的現象，嚴重影響了市容。對于車主來說，由于城市配套的電動車停車場和充電站建設還不夠完善，在使用電動車的時候時常會遇到充電麻煩，停車麻煩等問題，尤其還要擔心自己的愛車遭受非法破壞和竊取。本項目針對這一系列問題，提出了一個完善的電瓶車停車管理解決方案，設計了一套以達盛E_Play平臺為核心的電動車智能充電防盜與管理系統[1]。通過該系統能夠有效地實現對城市內電動車停車場的智能化管理。

1 系統總體架構設計

本系統設計方案框架如圖1所示，系統設計采用模塊化設計，每個電動車停車場管理系統由一個控制中心和若干個充電控制端組成，充電控制端和控制中心通過Can總線通信，充電控制端的個數根據停車場規模來布置，每一個停車位布置一個充電控制器，場內攝像頭由控制中心控制其視頻采集工作，攝像頭的個數也可以支持多個，可根據停車場規模布置。控制中心采用嵌入式系統實現，其中主要包括一個視頻采集卡設備和一個CC2530有源RFID定位標簽讀卡器設備，這兩個設備一個負責視頻采集工作，一個負責自動標簽讀取和對停車場內車輛定位和充費刷卡，當車輛移動超出一定范圍時會啟動報警程序，用戶可以通過車載標簽進行自動充電計費和繳費；充電控制器主要是基于達盛科技的E_play平臺開發的，控制器通過一個電流監控傳感器實時采集鏈接電動車充電器的電流信息，同時通過充電控制驅動自動調節充電電流，充電完成后控制器自動計算電量并反饋到控制中心。同時控制中心具有網絡交互功能，每個控制中心的用戶數據保存在網絡數據服務器中，所有部署了該系統的停車場內的所有用戶信息都可以進行共享，用戶可以在任何一個部署了該系統的停車場內進行刷卡充電和相關服務[2]。

圖1 系統設計方案框架圖

通過對現有的電動車停車場管理需求和實地調研分析，本系統功能設計如圖2所示，系統主要由智能充電功能、車輛防盜報警功能、充電計費管理功能和視頻實時監控功能四個主功能模塊構成。其中，智能充電功能主要實現了對電動車的充電控制，能夠實現對其充電進行自主調節和充電過程中的電量計算；車輛防盜報警功能，主要實現對了對電動車的防盜監控，當電動車在未解鎖的狀態下移動后會發出報警信息并通知用戶；充電計費管理功能，主要是實現了對停車場內充電的電動車的自動計費管理，包括用戶注冊、用戶繳費和自動扣費等；視頻實時監控功能，實現了對停車場內的車輛進行實時視頻監控[3]。

圖2 系統功能設計

2 系統功能

2.1 智能充電功能

充電端能夠給電動車實現智能充電，自動檢測電動車電量，判斷電動車電量狀態，根據其狀態控制其充電電流，并且對其充電過程中所使用的電量進行統計并反饋到控制中心，控制中心最終根據充電用戶的賬戶信息對其進行計費管理。

2.2 車輛防盜報警功能

用戶騎著帶有標簽的電動車進入停車場內時，系統能自動識別車輛標簽信息，向用戶手機發送取車密碼，用戶進入停車場停好車將充電電源插上充電端之后，系統通過控制中心反饋過來的信息設置其在線，如果用戶需要取車，這時候需要在充電控制端輸入取車密碼才可以安全解鎖取車，如果不輸入控制密碼就取車，系統將會報警，同時系統將異常情況通過網絡發送到用戶手機。

2.3 充電計費管理功能

用戶充電過程中系統自動監測用戶所使用的電量并對其注冊的賬戶內的消費進行扣除，達到自動計費管理的目的，同時用戶還可以通過管理端進行繳費。

2.4 實時視頻監控功能

系統能夠通過視頻實時監控停車場內信息。

3 系統的詳細設計與實現

由于系統采用模塊化設計思想對其進行設計，在硬件設計上主要包括控制中心端的硬件設計和充電控制器硬件設計兩個硬件模塊。

3.1 控制中心端硬件設計與實現

控制中心端設計整體結構如圖3所示，控制中心主要由電源供電模塊、DM9000以太網模塊、視頻采集卡模塊和CC2530射頻標簽讀卡器模塊組成，其中電源模塊負責為系統的控制器和各個功能模塊供電，將外部220 V交流電轉為系統所需的5 V直流電；DM9000以太網模塊主要為控制中心提供網絡硬件支持，通過該模塊控制中心能夠接入互聯網訪問系統數據中心的數據庫；CC2530射頻標簽讀卡器模塊主要實現對射頻標簽的識別和數據讀取。視頻采集卡模塊主要支持視頻采集鏈接攝像頭。由于控制中心采用的控制芯片ARM6410是球面封裝，其PCB自主設計費用高，沒有專業的硬件設計基礎是很難穩定實現其電路設計的，本系統在這部分的實現主要是通過購買現成的電路模塊搭建系統而成，在此不給出具體的電路設計原理圖。

圖3 控制中心端設計整體結構圖

充電控制端是采用達盛科技的E_play控制器作為處理器，其主要實現了充電的智能控制，當用戶進入停車場后，系統的有源RFID探測器就能檢測到用戶已經進入停車場，系統會通過用戶預先注冊的手機號碼，向其手機上發送一個充電驗證碼，屆時用戶在充電控制端只要輸入這個驗證碼就可以對其電動車進行充電，驗證碼在用戶拔出電動車充電線或者充電完成后一個小時就會自動失效。一個小時內用戶依然可以利用該驗證碼對其進行充電，其系統模塊結構如圖4所示，其中主要由E_play控制器、電源模塊、充電控制驅動、ACS172電流傳感器和控制中心接口五個模塊組成，控制器通過ACS172電流傳感器采集電動車充電電流，通過電流大小判斷充電狀態，從而自動調整充電電流，實現智能充電的目的。同時控制器將充電的電量信息返回控制中心，控制中心通過該電量信息對用戶進行計費。

圖4 系統模塊結構圖

3.2 軟件系統的設計與實現

3.2.1 充電控制端智能充電軟件的設計與實現

充電端控制軟件是運行在達盛E_play控制處理器上的功能代碼，其主要實現接受用戶輸入并根據用戶輸入執行正確充電操作的功能，同時與控制中心進行通信交互，將充電控制端采集到的電量信息返回給控制中心，系統上電開始后，程序執行ACS172數據采集程序獲取充電線路上的電流信息，通過電流大小判斷電動車的充電插頭是否插上，如果插上充電頭，則提示用戶輸入充電車主手機號碼和密碼，其中手機號碼和密碼是用戶進入停車場內系統通過射頻卡檢測到用戶進入的時候自動給用戶分發的一個充電密鑰，這個密鑰通過用戶手機短信方式發送給用戶，在用戶輸入手機號碼和密碼后，充電控制端將密碼和手機號碼返回到控制中心進行驗證，如果驗證成功充電控制端啟動智能充電程序，驗證失敗則提示用戶輸入正確的手機號和充電密碼，其具體設計流程如圖5所示[4]。

圖5 充電控制端智能充電流程設計

3.2.2 控制中心軟件設計與實現

（1）充電自動計費模塊設計

充電計費管理模塊在控制中心主要完成對充電控制端的電瓶車充電的自動計費管理功能，其實現流程如圖6所示，控制中心上電后即循環執行該程序，等待充電控制端的電量報文，當收到電量報文后控制中心根據電量報文提取出電量信息和用戶信息，并計算出用戶本次充電所用費用，從用戶賬戶中自動扣除該費用，完成整個充電過程的自動計費[5]。

圖6 充電自動計費實現流程圖

（2） 系統管理軟件設計與實現

系統管理軟件設計主要是運行在管理員的PC上用于充費管理、系統在線視頻實時監測以及用戶信息管理等功能，其主界面如圖7所示[6]，系統管理主要分為信息管理和停車場安全監控。

圖7 電動車智能停車管理系統界面

用戶信息管理功能設計如圖8所示，其中主要包括用戶注冊和用戶充值以及用戶信息查詢預覽三個功能模塊，新用戶注冊主要完成系統用戶注冊，用戶充值功能主要實現了對已有用戶賬戶進行充值，用戶信息預覽主要是實現對系統所有用戶信息的預覽顯示，也可以通過輸入查詢條件進行查詢顯示[7]。

圖8 用戶信息管理功能設計

停車場安全監控界面設計如圖9所示，其中主要包括實時視頻監控區域、采集監控設置和報警狀態監控三個模塊，其中，實時監控區域主要負責對場內視頻進行實時監控，既可以進行區域顯示，又可以通過采集監控設置的監控顯示控制其每屏顯示的攝像頭個數。采集監控設置，主要完成對視頻監控的相關設置，其中包括視頻監控的視頻信息保存路徑、視頻質量和保存周期等信息。報警狀態監控，主要實現對場內停車位的車輛在線狀態進行報警監控，實時顯示場內停車位上車輛防盜報警信息。

圖9 停車場安全監控界面設計

4 結 語

系統設計過程中，應用了現代物聯網技術（RFID技術、互聯網技術、傳感器技術、數據通信技術等）和嵌入式Linux、Qt、eclipse等開發工具平臺，設計的電動車智能充電防盜與管理系統，能夠有效地對整個電動車停車場進行統一的智能化管理。通過智能充電控制能夠對電瓶車的充電過程進行智能化的調整與控制，充電完成后及時停止充電，并統計整個過程所使用的電量；車輛防盜報警功能，車主在停車完成后可通過手機對車輛開啟防盜，系統就會實時監測車輛在線狀態，當車輛非法移動一定距離后，系統會發出報警信息并且通過短信將信息發送給車主；充電自動計費，采用有源RFID技術實現了對停車場內電瓶車充電自動打卡計費管理；實時視頻監控功能，通過該功能能夠實現對停車場內的視頻監控，有效防止一些違規停車和車場內行竊破壞等行為。

參考文獻

[1] Ivar Jacobson，James Rumbaugh，Grady Booch.統一軟件開發過程[M].周伯生，馮學民，樊東平，譯，北京：機械工業出版社，2002.

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[3] 何新貴.軟件能力成熟度模型[M].北京：清華大學出版社，2000.

[4]（美）施密特，（美）休斯頓.C++網絡編程[M].葉斌，譯.北京：科學出版社，2012.

[5] （德）NicolaiM.Josuttis.C++標準程序庫[M].侯捷，孟巖，譯.武漢：華中科技大學出版社，2002.

[6] 譚浩強.Visual Basic程序設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7] （美）克羅克，（美）奧厄爾.數據庫原理[M].趙艷鐸，譯.北京：清華大學出版社，2011.