基于4G通信的智能充電樁遠程控制系統設計*

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(西安工程大學 電子信息學院，西安 710048)

引 言

汽車尾氣含有大量的有害氣體，隨著汽車數量的劇增，汽車尾氣對環境造成了很大的污染，新能源代替傳統能源(石油等)勢在必行[1-4]。電動汽車與傳統汽車相比較，有著優越的環保性能，在行駛過程中不會產生二氧化碳和二氧化硫等造成環境污染的有害氣體。從一定程度上來說，電動汽車是未來汽車工業的主要發展方向。由于電動汽車具有無污染、性能好等優勢而被世界各國廣泛推廣，截至2017年10月末，我國電動汽車充電樁數量達到12.7萬個，較上一年增長128%，加上私人充電樁，充電樁總數已經超過19萬個，并形成了一定的充換電網絡。

目前我國現有的智能設備的控制系統基本上都是采用嵌入式系統[5-7]，充電樁設備控制多采用嵌入式系統，以單片機或AMR為控制核心，應用模塊化思想，對人機交互、充電控制、電費計量等按照模塊化獨立的原則進行軟件的層次設計和流程設計[8-12]。目前市場上的充電樁設備還不具備用戶網上提前預約充電、支持在線查看實時充電情況、實時了解附近區域的充電樁的使用情況等功能，造成了充電樁資源的浪費和車主時間的浪費；單一的刷卡結算方式，為用戶帶來不便的同時也造成了資源的浪費。

至今為止國內還沒有推出云服務器平臺、4G智能充電樁設備和APP客戶端應用軟件于一體的智能充電樁系統。在互聯網的大背景下，對于充電樁設備的研究，在國內也取得了較為豐碩的成果。馮星博[13]針對充電樁的設計以及充電樁群的構架提出了新的設計方案，運用WIFI功能實現了充電樁之間相互通信。徐嬌等[14]在傳統的充電樁設計模式下，設計了一款帶有智能充電導航功能的充電樁系統。馮星博和徐嬌等設計的充電樁系統雖然在某種程度上提高了充電樁的利用效率，但均是針對單一功能的改進，對充電樁利用效率的提高不夠顯著。

針對以上存在的問題，論文設計了具備4G通信功能的智能充電樁系統，通過手機 APP客戶端實現了用戶信息注冊、充電預約、充電樁設備狀態查詢等功能。通過云服務器完成手機APP客戶端和充電樁設備上傳數據的存儲、分析與處理。設計的充電樁系統功能更加完善，充電效率明顯提高，同時充分利用并合理分配了充電樁資源。

1 系統總體框架

設計的基于4G通信的智能充電樁系統包括智能手機 APP 客戶端、云服務器、充電樁運營管理站和分布式充電樁設備，系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

1.1 APP客戶端

APP客戶端主要有用戶注冊、位置定位、充電樁搜索、預約充電、充電模式選擇、實時查看充電信息、充電實時控制、賬單支付和信息查詢等功能。

① 用戶注冊。用戶通過手機號碼或者微信賬號完成注冊，生成用戶信息二維碼。

② 位置定位。APP客戶端可以向服務器發送實時位置。

③ 充電樁搜索。APP客戶端將實時位置發送到服務器，服務器根據用戶的實時位置將附近的充電樁位置及占用情況發送給用戶。

④ 預約充電。提前預約充電樁設備和充電時間，如果所有充電樁均占用，可查詢各個設備充電結束時間。

⑤ 充電樁模式選擇。充電樁支持定時充電、定量充電、自動充電和電量百分比充電四種充電模式。

⑥ 實時查看充電信息。服務器將實時充電信息實時發送到APP客戶端，包括充電時間、充電電量和充電金額等。

⑦ 充電實時控制?？梢酝ㄟ^APP客戶端取消預約充電或者停止充電等操作。

⑧ 賬單支付。充電完成，APP客戶端可使用支付寶、微信和銀聯等方式完成支付。

⑨ 查詢功能。用戶可查詢充電數據歷史詳情，包括充電時間、充電金額和充電次數等。

1.2 云服務器

云服務器是面向各類互聯網用戶提供綜合業務能力的服務平臺。平臺整合了傳統意義上的互聯網應用三大核心要素：計算、存儲和網絡，面向用戶提供公用化的互聯網基礎設施服務器，為滿足用戶全方位需求和運營商復雜的增值業務，要求具有高可靠性、廣泛適用性和可擴展性等特點。

① 數據計算處理。云服務器通過對海量充電信息進行深度挖掘，運用相應的數據挖掘算法和數據分析方式深度解析充電時間和地點以及用戶需求等數據，為充電樁運營管理部門提供一個標準、高效和快捷的數據后臺接口。

② 數據存儲。在大數據的背景下，利用云技術和計算機數據加工存儲功能，完成對來自終端的海量設備數據信息和APP客戶端數據信息的存儲。

③ 網絡通信。是充電樁和用戶之間的紐帶，為用戶獲取各類充電信息提供傳輸通道，實現了用戶通過手機APP對充電樁的實時控制。

2 充電樁硬件設計

充電樁復雜程度高，組成構件較多，包括人機交互控制板、底層控制板、4G模塊和智能電表等，具體硬件組成如圖 2所示。

圖2 硬件組成結構圖

直流充電樁的組成構件中，兩塊主控板是最核心的組成部分。人機交互主控板采用ARM335x，功能強大。底層控制核心板采用ARM1768，能夠對充電過程進行有效控制，而且可以利用多種通信方式將充電樁的工作數據進行傳輸。人機交互核心板連接的外設設備主要有觸摸屏、4G模塊、條碼掃描器、微型打印機和RFID射頻讀卡器等。底層控制板的BMS通信模塊通過CAN總線與車載BMS進行通信，連接的外設設備主要有溫度傳感器、智能電表等，安全檢測模塊、充電控制模塊和充電監控模塊等內嵌于底層控制核心板。安全檢測模塊在充電樁開始充電前對充電樁整體硬件設備進行安全檢測，以確保充電樁安全運行。充電監控模塊主要功能是實時監測充電樁的運行狀態。該模塊對充電樁的進線輸入電壓、充電輸出電壓電流、充電接口狀態、電池管理系統狀態和電池狀態等進行實時監控。

3 軟件設計

3.1 充電樁軟件設計

充電樁軟件部分的設計是其控制系統的靈魂所在，其主要實現自檢、人機交互、通信、電能計量、計費控制和保護控制等功能，充電控制系統主程序流程圖如圖3所示。

圖3 充電控制系統主程序流程圖

充電樁未占用時處于待機狀態，用戶點擊開始按鈕后，控制系統初始化，充電樁設備自檢安全后觸摸屏提示用戶選擇手機預約充電還是現場選擇充電，當用戶選擇手機預約充電時，掃描注冊生成的二維碼進入到信息確認界面，顯示當前賬號、預約信息等，用戶確認信息后進入到選擇充電槍界面。當用戶選擇現場選擇充電時，會提示選擇充電方式和結算方式，結算方式為刷卡結算和微信支付寶結算。如果選擇刷卡結算，刷卡后顯示卡信息，若卡內余額為不足，界面會提示用戶充值，充電樁再次自檢返回到首界面，卡余額正常則進入提示連接充電槍界面；選擇微信或支付寶結算時，需要掃描微信或支付寶二維碼名片，確認個人信息后進入選擇充電槍界面。選擇好充電槍后，觸摸屏界面提示電動汽車與充電樁的充電槍連接，如果電動汽車與充電槍連接不正常，則報警并提示請正常連接，連接無誤后，選擇開始充電，若充電樁設備無報警產生，則進入充電狀態，充電指示燈亮。

在充電過程中，通過觸摸屏可以看到當前的充電用戶、已充電量和充電時間等。如果用戶在充電過程中強行結束充電，界面進入結算界面，手機預約用戶在手機APP上完成確認結算，現場選擇用戶需要刷卡或者掃描微信或支付寶付款碼完成結算。正常充電完成后，充電樁提示充電完成并提示用戶結算，結算方式與強行結束充電結算方式相同；當用戶結算完成，確認充電信息后提示是否打印票據，本次充電完成。在軟件設計中，根據充電樁的硬件部分功能模塊，將軟件程序分為 ARM控制器主程序、讀卡程序、讀電表程序及觸摸屏組態程序等模塊，各個模塊之間相互獨立工作，互不影響。主程序能夠有效地協調各個模塊之間的工作，完成整個充電樁的充電過程。

3.2 手機APP設計

APP客戶端采用C/S 結構體系，按照視圖界面、業務邏輯、功能應用三層結構設計。視圖界面層主要用于與客戶進行人機交互，對用戶的請求作出響應，調用業務邏輯層的API接口。業務邏輯層主要是對視圖界面層所有請求進行業務邏輯支撐，包括手機APP客戶端需求的所有功能，功能應用層對業務邏輯層的請求進行功能響應，將所有功能請求上傳到云服務器。為滿足市場需求，分別設計了Android版手機APP和ios版手機APP。圖4所示為Android版手機APP登錄界面。

界面采用JavaScript、HTML、CSS進行渲染，運用HTML為頁面添加內容，CSS用來控制頁面樣式，JavaScript負責為頁面添加動效以及獲取用戶注冊、登錄以及使用信息，方便提交給后臺數據庫，這里我們采用Phpcms后臺框架，用戶通過點擊注冊和登錄按鈕，可以及時地將用戶信息提交給云服務器，方便數據存儲。

圖5所示為充電樁搜索界面，搜索功能借助高德地圖為API接口，對區域內的所有充電樁進行檢索，高德地圖強大的街景功能，讓用戶附近的所有充電樁一目了然地呈現在手機APP上，并且手機APP支持地圖和導航功能，用戶可以順利地到達充電現場。充電實時監控畫面如圖6所示，云服務器通信模塊與充電樁4G模塊實時通信，獲取充電實時信息，云服務器通信模塊將信息實時傳送到手機上，充電信息傳送到手機APP上可得到實時更新。

圖5 充電樁搜索界面

圖6 充電實時監控畫面

結 語