一體式智能充電系統

曾澤良，李斌，李秋梅，周強

（廣西桂林電子科技大學，廣西桂林，541004）

0 引言

隨著交通條件和技術的發展，電動自行車已成為中小城市人們出行的主要代步工具。近年來，隨著電動自行車行業市場日益增大，電動自行車行業蓬勃發展，電動自行車數量也在飛速地增加，與此同時，電動自行車的管理問題就日益尖銳了，其中的最為突出的三大問題即：充電難、易起火、易被盜。因此，對小區電動自行車進行充電、監控進行自動化管理很有必要。市場上現有的絕大多數針對電動自行車設計的充電設備大致分兩種：快速充電設備和可賬號管理的充電設備。同時，絕大多數充電設備都只有一種采用按時計費方式的工作方式，此外在智能化控制和智能安防方面的技術設計都很少。從市場需求和市場的競爭性分析，智能充電管理系統的確具有很大的市場前景。

1 充電管理系統現狀與發展趨勢

隨著電動自行車的發展，電動自行車的充電問題也日益尖銳，因此許多廠家均推出了一些電動自行車充電設備，如常見的“便民充電站”、“智能小區充電站”等。

根據調查，常見的電動自行車充電設備按使用方式可分為投幣型充電管理站、刷卡型充電管理站、刷卡/投幣兩用型充電管理站。

投幣型充電管理站：不需要辦卡，不需要電腦管理軟件或相關管理設備和配套充電IC卡，通過使用一元硬幣投幣即可開啟充電。適合用于常見公共區域，如戶外停車場，超市門口，小區公共停車棚等場所。

刷卡型充電管理站：無需準備零錢或硬幣，通過刷卡即可開啟充電。適合用于固定人群區域，如居民小區停車處，社區停車處，小區停車棚，公司園區停車棚等場所。

刷卡/投幣兩用型充電管理站：兩種方式互補結合，可以滿足不同用戶群的充電需求，擴大了適用場所范圍[1]。

常見的電動自行車充電管理系統功能單一，缺少相關的配套安全措施如必要的防短路、防過充過載、必要的警報裝置等，是大多數類似事故發生的主要原因 ，因而，智能充電管理系統的研究極為重要。

2 智能充電系統的設計

■2.1 系統整體設計

本系統由三大部分組成，管理平臺PC部分、充電樁部分和插座部分。整體框架如圖1所示。

圖1 整體框架示意圖

管理平臺PC以基于windows下的軟件和數據庫，對用戶的賬戶和數據進行管理，并管理充電樁。充電樁用于管理插座并向管理平臺發送相關的信息。插座受充電樁控制，并可用于用戶射頻卡的讀取。

在本設計中，管理平臺軟件主要包括界面部分、執行部分、通信部分和數據庫部分。使用VB語言編寫軟件，使用其封裝好的控件便于界面的設計和布局。在通信上，為便于整體的設計，本設計采用網絡的方式，硬件上通過交換機連接，在程序設計上采用TCP/IP通信。數據庫部分本設計采用Access。

充電樁部分的功能主要由單片機來實現，包括與管理平臺PC的網絡通信、與插座的通信與控制。在整體設計中，多個充電樁的設計是為了便于在小區范圍內不同的樓棟、車棚或片區內進行集中的模塊化管理。

插座部分包括單片機、射頻卡讀寫、繼電器控制、功率計算、防盜用、防過充等。在與充電樁的通信部分，硬件上從技術考慮，可以采用的方式很多，包括有線方式、無線方式等，在本設計中采用有線方式。

■2.2 管理平臺的設計

如圖2所示，管理平臺包括PC、單片機和射頻卡讀寫模塊，PC通過串口與單片機通信，單片機通過I2C與射頻卡讀寫模塊通信。其中單片機與射頻卡讀寫模塊用于管理平臺進行電子賬戶注冊、注銷、查詢、充值等操作。

圖2 管理平臺框圖與管理平臺硬件電路框圖

管理平臺硬件電路如圖2所示，管理平臺PC通過USB轉TTL數據線連接到電路板上的單片機，單片機與射頻卡讀寫模塊通過I2C總線方式連接。電路的供電通過管理平臺PC的USB接口實現，USB接口的5V可直接給232轉串口模塊和單片機供電。射頻卡讀寫模塊的工作電壓為3.0V，所以需要通過穩壓電路將USB接口輸出的5V降壓為3.0V。

■2.3 充電樁的設計

在本設計中，充電樁連接管理平臺PC和插座，用于管理插座并向管理平臺發送相關的信息，插座受充電樁控制，并可用于用戶射頻卡的讀取。

充電樁部分的功能主要由單片機來實現，包括與管理平臺PC的網絡通信、與插座的通信與控制。在整體設計中，多個充電樁的設計是為了便于在小區范圍內不同的樓棟、車棚或片區內進行集中的模塊化管理。

圖3 充電樁硬件框圖與程序設計主流程

充電樁硬件框圖和程序設計主流程如圖3所示，以單片機STM32F103RB為核心，通過網絡模塊YIXIN_W5500與管理平臺PC通信，以CAN總線方式通過NiRen-MCP2515_CAN模塊與插座通信獲取插座的信息并進行控制[2]。鍵盤模塊用于用戶輸入，串口屏用于向用戶顯示信息。語音模塊用于語音播報和語音提示，在本設計中選用BY8001-16P語音模塊。

■2.4 插座的設計

在本設計中，插座受充電樁控制，并可用于用戶射頻卡的讀取。插座部分包括單片機、射頻卡讀寫、繼電器控制、功率計算、防盜用、防過充等。插座部分硬件框圖如圖4所示，主要模塊包括單片機最小系統、蜂鳴器、雙色LED、功率計、CAN總線模塊、射頻卡讀寫模塊。

圖4 插座硬件框圖與程序設計主流程圖

插座通過MF RC500射頻讀寫器讀取射頻卡[3]，將卡信息通過CAN模塊發送到充電樁，并根據充電樁返回的指令控制繼電器的通斷來實現充電的開關控制。單片機通過功率計記錄充電用電量，并將數據發給充電樁。同時的，通過功率計記錄充電功率，結合蓄電池充電特性曲線，判斷電池的充電狀態，以及時切斷防止電池過充發生意外。指示燈與蜂鳴器用于聲光指示。

3 總結

本文討論了小區環境下的電動自行車充電管理系統的功能需求，介紹了電動自行車充電管理系統的研究意義、市場和技術調查情況，依此基于物聯網技術，設計了一種可管理賬戶信息、能同時控制多個充電插座的智能充電系統，構建出適用于居民小區、學校等公共場所的智能化充電系統，為改善電動自行車的充電現狀提供解決方案。本設計包括三大部分：管理平臺PC部分、充電樁部分和插座部分。管理平臺PC以基于windows下的軟件和數據庫，對用戶的賬戶和數據進行管理，并管理充電樁。充電樁用于管理插座并向管理平臺發送相關的信息。插座受充電樁控制，并可用于用戶射頻卡的讀取。充電樁部分的功能主要由單片機來實現，包括與管理平臺PC的網絡通信、與插座的通信與控制。插座部分包括單片機、射頻卡讀寫、繼電器控制、功率計算、防盜用、防過充等。