基于Wi-Fi的充電弓無線數據通訊的設計

古茂兢 陳華春

摘 ?要：本文在介紹電動大巴車與充電弓充電的過程中，提出了一種無線充電數據通訊方案，方案基于CAN轉Wi-Fi的方式，實現電動大巴車的CAN數據與充電弓的CAN數據進行聯網，解決以往用戶需要人力拖拉充電槍，達到了增強大巴車的充電效率便捷性，提升用戶充電體驗的效果。

關鍵詞：充電弓;新能源大巴;CAN轉Wi-Fi技術;充電數據無線通信

中圖分類號：TN929.5 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0062-03

Abstract：The article introduces the electric bus charging and bow charging process，this paper proposes a wireless charging data communication scheme，scheme based on CAN turn Wi-Fi way，realizes the electric bus CAN data and charging of bow CAN data networking，to solve the problem that users need to drag charging guns by manpower in the past，it achieves the effect of enhancing the charging efficiency and convenience of buses and enhancing the charging experience of users.

Keywords：charging bow;new energy bus;CAN to Wi-Fi technology;wireless communication with charging data

0 ?引 ?言

近年來，新能源大巴車越來越普及，而新能源大巴車的充電體驗就會越來越重要了。現有的電動大巴充電主要利用雙槍直流快速充電，即充電樁引出兩條充電槍，同時對大巴車進行充電，如圖1所示。但是該充電模式具體會有幾個缺點：（1）充電槍、線重，不便于插拔，影響用戶體驗;（2）需要拖拉和調整充電樁槍頭，充電過程繁瑣。由于這種充電模式過于繁瑣、人工化嚴重，于是充電弓的方案就由此產生。

充電弓的出現，主要目的就是解決現有的雙充電槍在對大巴車充電時，由于需要拖拉充電槍線而導致的充電用戶任務重、體驗差的問題，增強大巴車的便捷性，提高大巴充電效率，提升用戶體驗。并且可以通過Wi-Fi方案，實現大巴車與充電弓數據聯網，達到控制充電弓下降，進行接觸式充電的效果。

1 ?實現充電弓無線通信方案原理

1.1 ?充電弓的工作原理

充電弓主要包括充電機電源模塊、控制模塊以及第一無線傳輸模塊，大巴車主要包括BMS（電池管理系統）以及第二無線傳輸模塊。與傳統充電樁充電的相同點在于，兩者都是通過充電機與BMS之間的充電握手配置等階段完成充電過程，而不同點在于，充電弓的第一無線通訊模塊與大巴車的第二無線通訊模塊可以配對進行無線通訊，完成充電配置，使充電弓下降并進行接觸式充電，不需要進行人工插拔干預等繁瑣過程，如圖2所示。

電動汽車傳感器多用CAN總線，因此CAN總線傳輸的信號與工業以太網信號不兼容，為了將電動汽車內傳輸的信號與充電弓的信號進行Wi-Fi通信，可用CAN轉Wi-Fi模塊使兩者建立無線通信橋梁，實現充電配對的建立，增強大巴車充電的便捷性，提高大巴車充電效率，提升用戶充電體驗。

1.2 ?充電弓實現Wi-Fi通信框架

在電動大巴的充電過程中，充電弓與電動大巴的通信主要利用CAN轉Wi-Fi模塊。

ZLG致遠電子的CANWiFi-200T是一款高性能工業級Wi-Fi與CAN-bus的數據轉換設備，它內部集成了2路CAN-bus接口、1路以太網接口以及1路Wi-Fi接口，自帶成熟的TCP/IP協議，用戶利用它可以輕松完成CAN-bus網絡和Wi-Fi網絡的互聯互通，進一步拓展CAN-bus網絡范圍。

在每個充電弓上配置一個CANWiFi作為AP熱點，每個充電站場中所有充電弓的AP熱點名稱以及密碼都不一樣，將充電弓獨立在一個網絡里面。當車需要充電時，將車停在空閑的充電弓下方，大巴車根據選擇的充電弓的Wi-Fi名稱和密碼，將大巴車上的CANWiFi（作為Station終端）里面的Wi-Fi名稱和密碼修改為充電弓的Wi-Fi名稱和密碼，如圖3所示。這個時候就可實現大巴車與充電弓的Wi-Fi連接，即可實現充電數據無線傳輸。在充電過程中，用戶可通過駕駛艙中的屏幕實時查看電池容量、電壓、電流等參數，并可對充電故障實時監控，保證充電安全。

2 ?充電系統無線網絡方案分析

Wi-Fi通訊只將物理通道連通，CANWiFi-200T里面使用的TCP/IP協議進行傳輸數據。其中使用的最多的是傳輸控制協議和用戶數據報協議這兩種方式。而針對這兩種方式哪種更適合充電弓和新能源大巴車，下面通過分析這兩種方式的原理去對比效果。

2.1 ?傳輸控制協議

傳輸控制協議（TCP，Transmission Control Protocol）是面向連接的協議，其主要內容是，在正常數據通訊的前提下，就需要跟對應的主機建立可靠的連接，一個TCP連接必須經過三次握手，才能建立正常通訊的鏈路。通過完成這三次握手，兩個主機就可以正常地進行數據傳輸。斷開TCP連接要進行四次握手。

通過以上分析，TCP使用面向連接的通信方式，為了提高數據通信的可靠性，額外在通訊有效數據之外添加了一套復雜的驗證流程，從而加大了網絡的負載和系統的開銷，降低了通訊的效率。

2.2 ?用戶數據報協議

用戶數據報協議（UDP，User Data Protocol）是一個非連接的協議，傳輸數據之前源端和終端不需要建立連接，當源端需要進行數據傳輸時，就直接抓取來自應用程序的數據，并以最快的速度將該數據上傳到網絡。

UDP吞吐量不受擁擠控制算法的調節，只受應用軟件生成數據的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機性能的限制。UDP在使用過程中盡最大努力交付，但發送端的鏈路層不保證可靠交付，因此發送主機不需要維持復雜的鏈接狀態表（表中有許多參數）。因此，UDP一般適用于實時性高的場合。

2.3 ?網絡方案結論

該套系統是基于國標協議的通訊系統，對數據實時性要求比較高（國標協議的物理層推薦使用的是有線的CAN線纜，并沒有考慮到在中間環節加入相對不穩定的無線物理連接）。具體體現在當前系統通訊過程中通訊雙方中的任意一方在發出數據后5s內未收到對方的應用應答數據，即判斷為整個流程失敗（即使5s后通訊恢復，也無法按正常流程繼續進行）。結合實際情況，使用UDP方案更符合這個項目的實際需求。

3 ?充電弓無線通訊的方案實現

根據以上的分析，該套系統中CANWiFi-200T實現的功能為將充電弓與電動大巴車的CAN報文通過Wi-Fi方式進行交互通訊。

將某一個充電弓站點的充電弓里面的CANWiFi-200T設置為AP（熱點），同一個充電弓的站點AP名稱和密碼都不一樣，實現每個弓都在自己獨立Wi-Fi網絡里。電動大巴車設置為Station（終端），當車停在某個充電弓下準備充電時，大巴車的系統通過CAN口發送某些特定報文去修改CANWiFi-200T中的Wi-Fi名稱和密碼，使其與該充電弓一致。Wi-Fi配對成功之后，說明該Wi-Fi鏈路已經建立成功了。

Wi-Fi鏈路成功，即該電動大巴車與充電弓的物理鏈接通道已經建立完成。傳輸數據，還是要根據TCP/IP協議進行的。根據上文的分析，建議使用UDP方式。使每個充電弓的CANWiFi-200T的IP地址和本地端口，以及目標IP和目標端口（電動大巴車的IP地址和本地端口）一致;每個電動大巴車的IP地址和本地端口，以及目標IP和目標端口（充電弓的IP地址和本地端口）一致。UDP的配對成功之后，電動大巴車和充電弓之間就可以實現報文傳輸。

由于報文能夠進行交互的前提是網絡鏈路的建立已經完成，因此，通過電動大巴車與充電弓CAN握手交互報文，可以判斷該網絡是否完成建立。

4 ?結 ?論

由于新能源公交車的應用越來越廣泛，用戶和生產商對充電方式以及充電體驗會越來越重視。本文提出了充電弓與新能源大巴車通過Wi-Fi方式將CAN網絡數據互聯的技術架構以及實現原理，通過該方案實現自動化充電，改善用戶的充電體驗。同時也可以通過將CAN報文鏈接云的方式，實時監控汽車所在位置以及車輛狀況（電池余量），并監控充電弓空閑狀態，使司機能夠更加快速地找到充電位置。

參考文獻：

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[2] 蘭少華，楊余旺，呂建勇.TCP/IP網絡協議 [M].北京：清華大出版社，2006.

[3] 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

作者簡介：古茂兢（1990-），男，漢族，廣東茂名人，技術支持工程師，本科，研究方向：嵌入式系統設計;陳華春（1989-），男，漢族，廣西玉林人，技術支持工程師，本科，研究方向：嵌入式系統設計。