物聯網環境下換電柜控制系統的改進設計

沈 兵，向 軍，梁會軍，蒯楓翔

（湖北民族大學 智能科學與工程學院，湖北恩施 445000）

引言

電動自行車是人們生活中常見的代步工具，也是發展綠色經濟，提倡綠色出行的載體[1,2]。據統計，我國的電動自行車用戶近3億，并以驚人的速度逐年遞增，而隨著外賣業的迅速發展，大部分騎手平均每天騎行距離達到100 km至150 km，而續航里程為50 km 左右鋰電池遠不能支撐騎手一天的工作行程[3,4]。同時，在物聯網的技術和共享經濟環境下，共享電動自行車結合逐漸成熟的智能化終端技術已經出現在很多城市中，并越來越受到城市居民的喜愛和認可[3]。但目前共享電動自行車大多沒有固定充電樁，如何給電瓶充電已成為共享電動自行車接續發展的阻礙之一，而如果采用人為更換電池模式，會給中后期的運維工作和人力成本投入造成較大的壓力。幾乎每家每戶都有電動自行車，為了方便地給電瓶充電，用戶各顯神通的充電方式會誘發觸電、火災等問題[6-8]。

為此，結合“集中充電，自主換電”的思想，依托阿里云物聯網平臺設計了一套電瓶換電柜控制系統，自主研發一款電瓶換電柜，能滿足電動自行車智能換電柜技術要求及檢測標準。該系統融合物聯網思維，使電瓶充電更方便、更安全、更有序。

1 系統總體設計

換電柜作為電動自行車充電集成化的載體，為電瓶充電帶來了很大便捷。本設計初步設定一個換電柜擁有6 個電池充電箱，每個充電箱內配有控制電路板對充電過程進行實時監測、信息采集并建立通訊。1 號箱的電路板作為主控電路板與觸摸屏通過RS-232串口進行通訊，主控板與從控電路板建立RS-485通訊協議，以總線的方式進行通訊。換電柜通過ESP8266 無線通訊模塊與阿里云物聯網平臺按照MQTT 通信協議進行通訊[8]。用戶可通過手機上的APP 掃描觸摸屏上的二維碼驗證身份。身份驗證后發送指令給阿里云物聯網平臺，再由平臺發送指令給換電柜，解鎖觸摸屏跳轉至操作界面，讓用戶進行充電、取電的操作，控制系統整體框圖如圖1所示。

圖1 換電柜控制系統整體框圖

控制電路板采用STM32F103R8T6 單片機作為主控芯片。STM32F103R8T6單片機是ST旗下的一款常用的增強型系列微控制器，基于Cortex-M3?內核，主頻高達72 MHz，20 K 的靜態存儲，64 K 字節程序存儲空間[1],具有51個Ι/O引腳和7個定時器。

集成電路板包含電源模塊、通訊模塊、繼電器控制模塊、溫度煙霧報警模塊、撥碼開關、指示燈模塊、電壓反饋模塊等多個模塊，控制電路板整體結構如圖2 所示。據此，實現對每個充電箱充電過程的監測、控制以及信息傳遞。

圖2 控制電路板結構圖

2 硬件設計

2.1 電源模塊

控制電路板中不同模塊供電需求不同，例如STM32F103R8T6 芯片、通訊模塊和撥碼開關需以3.3 V 電壓供電，指示燈模塊、繼電器模塊和溫度模塊需以12 V電壓供電，煙霧模塊需以5 V電壓供電。因此，設計選擇以12 V 直流電壓源接入電源模塊，用以LM2576HVT-5.0 穩壓器為主的降壓電路將12 V 電壓轉換成5 V 電壓，再用以ASM1117-3.3 穩壓器為主的降壓電路將5 V 電壓轉換成3.3 V 電壓，為整個電路板和各模塊供電。

2.2 通訊模塊

通訊模塊是電動自行車電瓶換電柜控制系統極為重要的模塊，是觸摸屏與主控電路板、主控電路板與其他充電箱中的控制電路板建立通訊的基礎。主控電路板通過串口1 與觸摸屏進行RS-232串行通訊，接受、分析來自觸摸屏的信號。若接受到的信號目標對象不是1 號充電箱，主控芯片則將信號按照充電箱控制電路板間的自定義通訊協議進行轉換，再通過主控板上的串口2 傳輸到控制電路板間的通訊總線上。從控制電路板也是經由串口2接收傳遞控制信號和充電箱內實時數據。由于控制電路板間的通訊協議和觸摸屏與主控板間的通訊協議不同，主控板中的主控芯片將分析以兩種協議傳遞的信息。串口1 的通訊電路是以MAX232CSA 收發器為核心外連九針母頭，串口2的通訊電路以MAX1487CPA為核心，通過兩線端子與RS-485總線連接。

2.3 電壓反饋模塊

電壓反饋模塊主要作用是測量充電過程中的電池電壓，然后經過LM358芯片中的運算放大器處理后反饋給單片機進行分析。STM32 將設定三個閾值與接收到的電壓信號進行比較，當電壓信號小于最低閾值時，系統認為該充電箱內并無電池，當電壓信號大于最高閾值時，系統認為該充電箱內的電池已經充滿，在這兩種情況下，系統都會斷開充電繼電器以及執行相應操作。只有當電壓信號大于最低閾值，小于最高閾值時，系統才會認為充電箱內有需要充電的電池，而中間的閾值則是用于界定電池電量是否已經充過80%。同時，指示燈的亮滅也是通過電壓信號與閾值的比較進行變換。

2.4 其他模塊簡介

撥碼開關電路是用SW DΙP-4 撥碼按鍵構成的簡易電路，在系統初始化過程中，控制芯片通過讀取相應引腳的高低電平，識別撥碼開關提供的4 位二進制信息，以此確定本箱編號。

溫度模塊是結合DS18B20 傳感器將溫度信號傳給控制芯片。DS18B20 傳感器僅有三根連接線，分別是信號線、地線和電源線，信號線接入電路時需上拉4.7 kΩ 電阻。芯片在工作過程中定時讀取溫度信號，分別將溫度信號的整數部分和小數部分轉換成一字節的數據，發送給主控芯片。

煙霧模塊以MQ-2 多種氣體傳感器為主體，檢測充電箱內的煙霧信號后，信號經過ADC0832芯片轉化后傳給控制電路板。由于需以5 V 電壓給MQ-2 供電，信號傳遞給芯片時應光耦隔離，以保證芯片運行安全。

指示燈模塊、風扇控制模塊、電磁鎖模塊以及繼電器控制模塊都需要12 V 電壓供電，而STM32F103R8T6 控制芯片引腳僅接受3.3 V 信號，因此當信號輸出時都需經光耦隔離控制各模塊的運行。

3 軟件設計

3.1 APP程序設計

應用Android Studio開發環境設計安卓APP，用戶可下載并使用APP 掃描觸摸屏上的二維碼驗證身份并解鎖觸摸屏。

阿里云物聯網平臺與APP 和ESP8266 無線通訊模塊之間的通訊協議均為MQTT，用戶可采取如圖3 的操作流程注冊賬號、身份驗證和登陸賬號。登陸賬號后，可采用掃描觸摸屏上的二維碼或在APP 上選定換電柜的編號后向阿里云物聯網平臺發送允許操作指令，使用換電柜。

圖3 APP操作流程圖

點擊APP 中按鈕可觸發事件將控制命令以JSON 的ALΙNK 的格式傳輸給阿里云，再由阿里云以同樣的數據格式傳遞給ESP8266 無線通訊模塊，實現電動自行車終端用戶與換電柜之間的通訊。

3.2 人機交互界面設計

設計選用大彩科技有限公司旗下DC10768KM 150_1111_0C型號的15寸觸摸屏作為觸控屏。前期制作的人機交互界面如圖4 所示。六個區域中的“充電”、“取電”按鈕分別用來控制六個充電箱箱門的開啟。按下“充電”按鈕時，若充電箱內無電池，對應箱門開啟，否則界面會彈出“箱內有電池”的提示。按下“取電”按鈕時，若對應充電箱有電量超過80%的電池，充電箱箱門開啟，否則界面會彈出“箱內可取電池”的提示。

每個區域有三色燈，紅燈亮時表示對應箱內電池電量不足80%。黃燈亮時表示對應箱內電池電量大于80%。綠燈亮時表示箱內有電量充足的電池。當區域內三色燈全部熄滅時表示對應充電箱內無電池。

3.3 單片機程序設計

主程序運行流程圖如圖5所示，連接電路后，給控制電路板和觸摸屏上電，各控制電路板首先初始化各引腳功能配置，通過撥碼開關引腳上的電平識別自身編號，主控電路板編號為1 號。主程序進入循環后，主控板將本充電箱的基本信息通過串口1傳給觸摸屏，通過串口2 向其他控制電路板依次發送查詢指令。收到查詢指令后，各控制電路板讀取本充電箱內溫度、煙霧、箱門關合及電池電量信息，按自定義協議規則整合成數據，通過串口2 發送到RS-485 總線上。主控電路板通過識別數據內源地址和目的地址信息判斷數據來源，分析轉換后傳給觸摸屏顯示。當用戶通過觸摸屏按下“充電”和“取電”按鈕時，觸摸屏發送指令給主控板。主控板經分析轉換后或打開本充電箱箱門，或通過串口2 發送各控制板。

圖5 控制電路板主程序流程圖

3.4 自定義通訊協議簡介

電瓶換電柜內部具有兩種通訊協議，一種是DC10768KM150_1111_0C 觸摸屏默認通訊協議；大彩組態命令集。另一種是各控制電路板間自定義的一個協議，其協議結構如圖6 所示；數據共有13位，以FF FF 為幀頭，EE 為幀尾，第三位至第七位分別記錄數據的源地址、目標地址、功能指令、充電箱箱門的狀態和箱內電池電量的狀態。數據的第八位至第十一位記錄充電箱內的溫度和煙霧實時數據，及十二位代表充電箱內有無電池的信息。當控制電路板收到查詢信號，控制芯片將讀取箱內各信號整合到數據中，反饋給主控芯片。主控芯片對照目的地址接受分析收到的數據，將指示燈信號轉換成觸摸屏可以識別的指令傳給觸摸屏。

圖6 應答信號數據分析圖

4 測試

在測試初始階段，主控芯片只有向RS-485總線依次發送查詢信號，然后接受每個充電箱反饋而來的響應信號才可獲取其狀態信息。加入延時后，主控電路板每隔2 s 按順序向其中一個從控電路板發送查詢信號，但經測試發現，各個充電箱狀態信息需要等待一個12 s 查詢周期才能反饋至觸摸屏，極大地造成了信息傳輸的延遲。為了保證充電過中狀態信息能夠及時傳輸，對主控電路板的控制策略進行了調整，并改進了Keil 程序。經過改進后，各個充電箱內的狀態信息跳變后，從控電路板能在1 s內主動向主控電路板發送狀態信息，并通過觸摸屏及時顯示，消除了初始階段狀態信息延時反饋的弊端。

主控芯片和從控芯片共用一套程序，芯片通過初始化過程確定自身編號后執行不同的操作。控制電路板中撥碼開關被置為03，被定為主控電路板；右邊控制電路板中的撥碼開關被置為03，被定為從控電路板。它們能將充電過程中的狀態的信息反饋至觸摸屏，并在觸摸屏中的區域1 和區域3中顯示。程序經過多次調試和改進，已可使用手機APP 掃碼解鎖觸摸屏進入主界面進行充電、取電的操作。主從控制電路板中的各個模塊都能及時采集到實時數據并反饋給觸摸屏進行顯示，控制電路板間也能實現迅速可靠的通信。

5 結束語

為解決電動自行車充電難、充電過程存在不安全等問題，從硬件、軟件兩方面入手設計了一套換電柜控制系統。該系統以STM32F103R8T6 單片機為控制核心，應用ESP8266 無線通訊模塊與阿里云物聯網平臺根據MQTT 協議建立無線通訊，并在Android Studio 軟件中開發終端APP。用戶可通過APP 驗證身份，解鎖換電柜觸摸屏和結算金額。經過實物測試，該系統能極大程度地給電動車用戶帶來便利，提高電瓶充電過程的安全性。