無人值守充電場站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)*

黃長偉，孫慶軒，文勵(lì)洪

無人值守充電場站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)*

黃長偉，孫慶軒，文勵(lì)洪

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

針對(duì)無人值守充電場站，開發(fā)設(shè)計(jì)了基于STM32、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫、VB界面的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）、VB上位機(jī)監(jiān)控程序及云服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等組成．通過安裝在充電樁內(nèi)部的RTU對(duì)CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，由DTU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并由上位機(jī)監(jiān)控程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示及上送云平臺(tái)．實(shí)際安裝了一套最小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了本地及遠(yuǎn)程對(duì)于充電樁的狀態(tài)監(jiān)控及異常報(bào)警．

STM32；遠(yuǎn)程監(jiān)控；充電樁；LORA；物聯(lián)網(wǎng)

隨著我國電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展，新能源汽車保有量越來越多，相應(yīng)的充電樁數(shù)量也逐步攀升，截止2020年10月，全國充電樁累計(jì)數(shù)量約為149.8萬臺(tái)，其安全隱患也引起更多人的關(guān)注與探討．對(duì)于充電樁的安全監(jiān)管，無論是政府主管部門，街道辦事處，小區(qū)物業(yè)公司，還是充電樁運(yùn)營企業(yè)都遇到了各種各樣的問題[1]．進(jìn)入高溫季節(jié)，充電場站的火災(zāi)事故也進(jìn)入了高發(fā)期，特別是在高溫高濕的南方城市，環(huán)境的特殊性更容易引起電纜絕緣問題進(jìn)而導(dǎo)致起火事件．當(dāng)前已建成的稍微大型的充電場站（50臺(tái)以上）均是有人值守，偶發(fā)的安全事故可得到及時(shí)處理；而對(duì)于那些遍布小區(qū)的小型、分散的充電場站，一般是采用無人值守模式，均是委托物業(yè)公司代管，一旦發(fā)生安全事故，會(huì)給小區(qū)物業(yè)公司、街道辦事處及政府主管部門帶來不利的影響．

目前充電場站的安全隱患主要有：

1）充電裝置電壓過高，有些能夠達(dá)到770 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出家用電壓，使用過程中危險(xiǎn)極大[2]；

2）充電樁接地不可靠，有些內(nèi)部金屬部件不能夠完全接地，存在觸電風(fēng)險(xiǎn)[2]；

3）充電槍插頭沒有可靠鎖緊，有些沒有電子鎖裝置，人們?cè)谀孟鲁潆姴孱^時(shí)，插頭仍帶電，極易發(fā)生危險(xiǎn)[2]；

4）充電樁防水、防銹、密封性能不好，內(nèi)部容易發(fā)生銹蝕，短路，導(dǎo)致人們?cè)谑褂眠^程中容易發(fā)生觸電事故[2]；

5）沒有有效的安全檢測、實(shí)時(shí)監(jiān)控手段防止事故的發(fā)生和擴(kuò)散．

針對(duì)以上問題及當(dāng)前充電場站的運(yùn)營管理，我們開發(fā)了一個(gè)基于CAN報(bào)文[3]的無人值守充電場站云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)的思路，在極少增加投資的基礎(chǔ)上有望解決這一瓶頸難題，幫助充電樁場站運(yùn)營企業(yè)、街道辦、政府主管部門及時(shí)了解所管轄產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)處理存在的安全隱患，進(jìn)而推進(jìn)電動(dòng)汽車充電樁產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于CAN報(bào)文的無人值守充電場站云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)分為場站級(jí)和管理級(jí)2個(gè)大的層級(jí)．場站級(jí)采用PC機(jī)和LORA無線組網(wǎng)模式，管理級(jí)采用互聯(lián)網(wǎng)通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上級(jí)管理層可以分層監(jiān)控下級(jí)管理層，且可直達(dá)最底層場站進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控管理．?dāng)?shù)據(jù)分層體系為：省、市、街道辦、場站，數(shù)據(jù)輪詢時(shí)間（從底層反序）分別為秒、分、10分、30分．系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示．

本次作為模型開發(fā)的最小系統(tǒng)為一個(gè)管理層級(jí)對(duì)10個(gè)場站級(jí)，每個(gè)場站級(jí)為10個(gè)充電樁，每個(gè)樁為2條充電槍的這樣一個(gè)系統(tǒng)．

1.1 場站級(jí)硬件架構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，小型充電站特別是社區(qū)型充電站，充電樁與管控室之間具有距離遠(yuǎn)、存在建筑物或樹木遮擋、電磁環(huán)境復(fù)雜等問題．在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要選擇合適的無線通訊技術(shù)．在常見的無線通訊技術(shù)中，藍(lán)牙、ZigBee只能用于短距離傳輸[4]，WiFi雖然架設(shè)成本低但容易受到DoS（Denial of Service）攻擊、存在密鑰破解等安全問題[5]．

LORA是一種低功耗、遠(yuǎn)距離的無線通訊技術(shù)，可以滿足廣域覆蓋和低功耗的M2M設(shè)備的應(yīng)用需求[6]，適合用于城市復(fù)雜環(huán)境中，中遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊希贑AN報(bào)文的無人值守充電場站云平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控場站級(jí)系統(tǒng)基于LORA技術(shù)，選用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括遠(yuǎn)程終端單元（RTU）和數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）．場站級(jí)監(jiān)控首先需要在現(xiàn)場各充電樁的控制箱內(nèi)增加RTU（單片機(jī)、CAN總線接口、無線模塊、現(xiàn)場控制模塊），RTU硬件架構(gòu)如圖2所示．

RTU采用模塊式架構(gòu)，其核心是控制模塊STM32F105R8T6和LORA無線模塊．本項(xiàng)目選用了具有無線透傳串口功能的LORA（正點(diǎn)原子：ATK-LORA-01）模塊，射頻頻率為410-441Mhz（10Mhz為一個(gè)頻段，可選32個(gè)頻段），發(fā)射功率可達(dá)100 mW（理想無遮擋理想環(huán)境下的通訊距離可以達(dá)到2km）[7]，只需簡單設(shè)置即可通過單片機(jī)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程收發(fā)，實(shí)現(xiàn)DTU與RTU之間的無線組網(wǎng)．

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖2 RTU硬件架構(gòu)

在國標(biāo)GB/T 27930中，規(guī)定了直流充電樁中，使用CAN總線作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口[8]，同時(shí)規(guī)定了數(shù)據(jù)鏈路層通訊的內(nèi)容．在本方案中，使用STM32F105R8T6芯片自帶的CAN總線接口橋接于充電樁的CAN總線上，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電機(jī)與汽車BMS（電池管理系統(tǒng)）之間的數(shù)據(jù)通訊內(nèi)容，對(duì)通訊報(bào)文進(jìn)行分析，提取有效數(shù)據(jù)，可適應(yīng)任何廠商的充電樁使用．該架構(gòu)的RTU編程簡單，配置方便．

RTU設(shè)計(jì)的基本原則是不能因?yàn)楸旧淼墓收隙鴶U(kuò)散至充電樁，為了不至于因?yàn)橥饨覴TU的電氣故障影響充電樁的正常工作，在電源及CAN數(shù)據(jù)接口上做了電氣隔離和防雷擊、防浪涌電壓沖擊的處理，可以實(shí)現(xiàn)RTU故障時(shí)，不影響充電樁的功能與安全．DTU數(shù)據(jù)采集單元完成多路RTU的數(shù)據(jù)采集、匯總，并將數(shù)據(jù)上報(bào)至PC機(jī)，DTU單元由STM32F103C8T6、LORA模塊、RS485模塊組成．作為ModBus主機(jī)通過LORA模塊與各RTU進(jìn)行通訊；作為ModBus從機(jī)通過RS485總線與PC機(jī)之間進(jìn)行通訊．DTU核心控制單元的硬件架構(gòu)如圖3所示．

RS485是一種采用屏蔽雙絞線，具有通訊距離長、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)方式簡單、支持一主多從等優(yōu)點(diǎn)的通訊方式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場通訊的場合．

場站級(jí)設(shè)置PC機(jī)，通過串口使用RS485與DTU相連，采集各DTU數(shù)據(jù)，并聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫；該模式不但適合于場站級(jí)監(jiān)控模式的應(yīng)用需求，還可同時(shí)滿足云端服務(wù)器的要求．當(dāng)前我們?cè)诂F(xiàn)場實(shí)際安裝的系統(tǒng)就是采用的這個(gè)模式，實(shí)際應(yīng)用證明這是一個(gè)比較好的方案．組網(wǎng)模式如圖4所示（僅示意一個(gè)DTU情況）．

1.2 管理級(jí)硬件架構(gòu)

管理級(jí)硬件基于建立在云端的服務(wù)器，硬件架構(gòu)簡單，只需一臺(tái)可連接互聯(lián)網(wǎng)的PC（或筆記本電腦）和網(wǎng)線或無線WiFi即可；使用筆記本電腦可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)監(jiān)控所需充電場站的實(shí)時(shí)工作狀況．

圖3 DTU硬件架構(gòu)

圖4 PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)上云模式

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含兩方面的設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)通信、儲(chǔ)存和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是后臺(tái)做好通訊和數(shù)據(jù)入庫，前臺(tái)在窗體界面上對(duì)于關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行顯示和查詢，并具備報(bào)表功能．在云端數(shù)據(jù)儲(chǔ)存上，采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、管理，前臺(tái)界面采用了VB6.0軟件開發(fā)．一個(gè)友好的人機(jī)界面是對(duì)于任何監(jiān)控系統(tǒng)的必配，無論是對(duì)于場站級(jí)還是管理層級(jí)VB都是比較適合的人機(jī)界面開發(fā)軟件．

在場站級(jí)層面，VB通過COMM（串口）控件連接DTU，實(shí)現(xiàn)收、發(fā)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，并直接利用ODBC（Open Database Connectivity）控件鏈接云端數(shù)據(jù)庫對(duì)MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作．在管理級(jí)層面，VB直接讀取云端MySQL數(shù)據(jù)庫，獲取滿意的數(shù)據(jù)管理（二次數(shù)據(jù)挖掘、報(bào)表）需求．實(shí)際開發(fā)研制的過程證明，采用VB6.0對(duì)軟件設(shè)計(jì)是一種強(qiáng)有力的支持與完善．

2.1 場站級(jí)軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)和DTU之間的通信、DTU與RTU之間的通訊均采用ModBus RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[9]，方便與其他軟件進(jìn)行兼容通訊．VB6.0開發(fā)的人機(jī)界面如圖5所示．DTU和RTU采用1對(duì)多的主從輪詢通信方式（每條槍/200 ms[10]），對(duì)于10個(gè)充電樁20個(gè)充電槍的情況下，每4秒可輪詢所有充電樁，滿足企業(yè)監(jiān)控5 s實(shí)時(shí)性的要求．如果充電場站的充電樁數(shù)大于10臺(tái)，則可以對(duì)其進(jìn)行分區(qū)處理，不同分區(qū)的DTU和RTU通過設(shè)置不同頻段通信而不會(huì)產(chǎn)生互相干擾，PC機(jī)即可采用1對(duì)多的主從通信模式擴(kuò)容．

PC對(duì)于收到的每幀數(shù)據(jù)，首先解析、拆分為20條槍的數(shù)據(jù)，分別實(shí)時(shí)更新各充電樁/槍的工作狀況，同時(shí)以槍數(shù)據(jù)為單位，去除容易變化的控制箱內(nèi)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)后，提取其他的數(shù)據(jù)的與其前條數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如有變化則分別記錄入當(dāng)天的原始數(shù)據(jù)文件中，并同時(shí)給云端數(shù)據(jù)庫添加一條記錄．場站數(shù)據(jù)是平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，記錄文件以日期為文件名，文件由記錄組成，每條記錄為各充電樁的電流、電壓、狀態(tài)（代碼）、以及溫度等信息，場站級(jí)原始記錄保存最新3年（1100天）內(nèi)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)更新．

2.2 管理級(jí)軟件設(shè)計(jì)

管理層級(jí)采用VB開發(fā)人機(jī)界面，管理層級(jí)對(duì)場站級(jí)數(shù)據(jù)的輪詢實(shí)際上就是對(duì)于數(shù)據(jù)庫內(nèi)對(duì)應(yīng)的場站的數(shù)據(jù)表查詢，數(shù)據(jù)表按照命名規(guī)則進(jìn)行命名，如圖6所示．

數(shù)據(jù)庫名稱（例）：DB_Charging

表名稱（例）：

圖5 人機(jī)界面

圖6 數(shù)據(jù)表命名規(guī)則

VB直接讀取MySQL數(shù)據(jù)庫，每5 s輪詢一個(gè)場站數(shù)據(jù)表，輪詢界面如圖7所示．

畫面左側(cè)指示當(dāng)前輪詢的場站和本輪已經(jīng)輪詢過的場站（綠色線條指示），右邊的畫面和下部的報(bào)警提示為當(dāng)前輪詢充電場站的實(shí)時(shí)工況及報(bào)警，對(duì)于10個(gè)場站的實(shí)時(shí)更新時(shí)間約為1 min．

圖7 數(shù)據(jù)庫輪詢界面

3 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行是否可靠，本次我們選取了深圳市內(nèi)某一民營充電場站，在現(xiàn)場的2個(gè)充電樁控制箱內(nèi)安裝了嵌入的RTU（PC版）．從2020年10月18日安裝、投入運(yùn)行實(shí)際運(yùn)行2個(gè)多月時(shí)間里，嵌入在充電樁控制箱內(nèi)的RTU在比較惡劣的電磁干擾環(huán)境下，工作一切正常（圖8）．RTU對(duì)于充電樁充電工況沒有絲毫影響，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以可靠傳輸，沒有數(shù)據(jù)丟失、遺漏的現(xiàn)象．

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場安裝情況

3.1 場站級(jí)運(yùn)行實(shí)例

3.1.1 日?qǐng)?bào)畫面

從運(yùn)行畫面，點(diǎn)擊“報(bào)表”即可進(jìn)入報(bào)表畫面，選擇“原始數(shù)據(jù)”->某日期數(shù)據(jù)后即可得到當(dāng)日的報(bào)表．如圖9所示．

3.1.2 月報(bào)畫面

在報(bào)表畫面選擇“月報(bào)數(shù)據(jù)”->選取某開始日期、結(jié)束日期后即可得到當(dāng)時(shí)間段的報(bào)表．如圖10所示．

場站級(jí)的報(bào)表系統(tǒng)為日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)等．可獲取各分場站界面表示與場站級(jí)界面類似．

3.2 管理級(jí)運(yùn)行實(shí)例

管理層的報(bào)表數(shù)據(jù)由所管理的下層區(qū)域的各報(bào)表數(shù)據(jù)組成，并能根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，例如總次數(shù)、總電能、單次電能（最大、最小及平均值）及金額等．日?qǐng)?bào)、月報(bào)界面表示與場站級(jí)界面類似．

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)日?qǐng)?bào)界面

圖10 監(jiān)控系統(tǒng)月報(bào)界面

4 展 望

本次只是在現(xiàn)場的2個(gè)充電樁安裝了嵌入的RTU（PC版）驗(yàn)證了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，RTU在充電樁控制箱內(nèi)比較惡劣的電磁干擾環(huán)境下能正常工作，對(duì)于充電工況沒有任何影響．后續(xù)可以考慮的是再加裝實(shí)際的控制裝置，在一旦發(fā)現(xiàn)有問題的情況下可直接斷電，杜絕安全事故的發(fā)生和擴(kuò)散．由于有了現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場RTU完全可以實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁的運(yùn)行過程．

對(duì)于故障處理，擬設(shè)置3級(jí)響應(yīng)機(jī)制：

第1級(jí)故障人機(jī)界面顯示提醒（目前已具備）；

第2級(jí)聲光報(bào)警（加裝聲光報(bào)警設(shè)備）；

第3級(jí)切斷電源（加裝控制繼電器）．

從數(shù)據(jù)分析來說，對(duì)于各類故障，可以分別設(shè)置閾值．RTU可以直接判斷電流、電壓、溫度的上升趨勢，一旦超過某個(gè)速率，進(jìn)入下級(jí)報(bào)警模式直至控制斷電；還可以設(shè)置極限點(diǎn)、極限閾值，不管是電流、電壓還是溫度，只要超過該極限閾值就直接斷電，這樣就能從根本上防止安全事故的發(fā)生．由于對(duì)象載體—充電樁的特殊性，不像其它載體一旦誤斷電會(huì)引發(fā)更大的次生災(zāi)害，是對(duì)于類似充電樁這樣的載體，即使誤判斷電也不會(huì)產(chǎn)生什么后續(xù)危害，也就是說“寧可錯(cuò)判一萬，不可漏判一個(gè)”！特別是對(duì)于充電場站安全的擔(dān)責(zé)部門（例如街道辦），安全事故是一票否決的問責(zé)制，這類安全故障，如果能將其撲滅在萌芽狀態(tài)中，杜絕事故的再生擴(kuò)散是有百利而無一害的，只是需要在加裝硬件的時(shí)候稍微增加一點(diǎn)投資（每個(gè)樁成本約幾百元人民幣）．如果要對(duì)于本文開頭所述的故障2）、3）、4）的防止，還需要增加新的模塊（接地檢測、絕緣電阻檢測，視頻模塊等），成本會(huì)稍多一些，可作為后續(xù)進(jìn)一步的研究方向．

[1] 魏星，陳永強(qiáng)，薛曄，等．電動(dòng)汽車充電樁現(xiàn)場安全問題的研究[J]．環(huán)境技術(shù)，2020，38（3）：212-215．

[2] 郭文佳．專家“會(huì)審”充電樁安全[N]．新能源汽車報(bào)，2019-09-02．

[3] 李為民．Windows平臺(tái)下CAN總線通信幾個(gè)軟件問題的探討[J]．電腦編程技巧與維護(hù)，2013，274（4）：4-5．

[4] 原羿，蘇鴻根．基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004（6）：89-91．

[5] 蘇智睿，金麗娜，劉鑫．WiFi安全挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)[C]//全國計(jì)算機(jī)安全學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集（第二十四卷）．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009：314-318．

[6] 劉琛，邵震，夏瑩瑩．低功耗廣域LORA技術(shù)分析與應(yīng)用建議[J]．電信技術(shù)，2016（5）：43-46，50．

[7] Alientek. ATK-LORA-01 無線串口模塊用戶手冊(cè)[EB]．

[8] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB／T27930-2015《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》：GB／T27930-2015[S]．2015．

[9] Sae. Surface Vehicle Recommended Practice: SAE- J1939-21[S]. 2001．

[10] 王小波．LabWindow/CVI在發(fā)電機(jī)組CAN協(xié)議報(bào)文測試中的應(yīng)用[J]．湖北農(nóng)機(jī)化，2019，221（8）：40-42．

Discussion and Development of Remote Monitoring System for Unattended Charging Station

HUANG Changwei, SUN Qingxuan, WEN Lihong

（）

For unattended charging station, this paper designed a remote monitoring system based on STM32, remote database and a VB computer monitoring program. The system is mainly composed of monitoring unit (RTU), data acquisition unit (DTU), VB computer monitoring program, cloud server and database. The CAN bus data is monitored by RTU installed in the charging pile, and the data is summarized by DTU, and the data is processed, displayed and sent to the cloud platform by the monitoring program of the local computer. A set of minimum system is actually installed to realize the local and remote monitoring and abnormal alarm for the state of charging pile.

STM32; remote monitoring; charging station; LORA; IoT

TP273

A

1672-0318（2021）05-0019-07

10.13899/j.cnki.szptxb.2021.05.004

2020-12-23

廣東省普通高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2020KCXTD060 ）資助．

黃長偉，男，山東人，碩士，工程師，研究方向?yàn)榍度胧郊拔锫?lián)網(wǎng)軟硬件系統(tǒng)開發(fā)．

（責(zé)任編輯：王璐）