新型電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

李 玲

(江蘇省鹽城技師學(xué)院，江蘇 鹽城 224000)

為了改善傳統(tǒng)電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)存在的不足，提出以藍(lán)牙作為通信工具，設(shè)計(jì)新的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是充電樁控制模塊、云服務(wù)器、用戶APP客服端，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall framework structure of the system

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)充電樁控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信體系，選取藍(lán)牙作為充電樁與用戶手機(jī)之間的通信工具，以此滿足復(fù)雜環(huán)境下的通信需求。地下室車庫等環(huán)境中，用戶打開手機(jī)藍(lán)牙，向充電樁發(fā)送充電命令，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電控制。對(duì)于充電相關(guān)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)請(qǐng)求等，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用戶手機(jī)將自動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送信息，經(jīng)過4G/5G/wifi，創(chuàng)建服務(wù)器與移動(dòng)終端之間的通信。與此同時(shí)，服務(wù)器與充電樁管控中心計(jì)算機(jī)之間利用wifi/光纖進(jìn)行通信，服務(wù)器與用戶手機(jī)之間則選取4G/5G/wifi作為通信渠道。

1.3 數(shù)據(jù)加密與解密設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的藍(lán)牙通信作業(yè)需要用戶登陸充電樁APP，通過登陸客服端，從客服端掃描充電樁二維碼，或采用手動(dòng)識(shí)別的方式，將充電樁的設(shè)備號(hào)輸入客服端，從而創(chuàng)建藍(lán)牙通信連接。當(dāng)充電連接請(qǐng)求發(fā)送至服務(wù)器后，得到藍(lán)牙密鑰[1]。采用混合加密算法，對(duì)藍(lán)牙通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，從而提高藍(lán)牙通信安全性。關(guān)于數(shù)據(jù)加密與解密設(shè)計(jì)，通過RSA加密與解密、RC4加密與解密，創(chuàng)建藍(lán)牙通信安全體系。其中，數(shù)據(jù)加密設(shè)計(jì)利用RSA對(duì)RC4秘匙加密，生成RC4秘匙；利用RC4對(duì)數(shù)據(jù)信息加密，生成加密原文。將加密原文與RC4秘匙融合到一起，形成復(fù)合信息，通過藍(lán)牙得以發(fā)送，數(shù)據(jù)接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。關(guān)于數(shù)據(jù)解密設(shè)計(jì)，將復(fù)合信息拆分為加密秘匙、加密原文，前者利用RSA解密，生成RC4秘匙，后者利用RC4解密，生成數(shù)據(jù)信息。用戶或充電樁獲取RC4秘匙、數(shù)據(jù)信息后，按照充電請(qǐng)求開始作業(yè)，同時(shí)向用戶展示充電樁作業(yè)狀態(tài)信息。

如果不法分子竊取通信數(shù)據(jù)，由于沒有拿到RC4秘匙，無法獲取正確的充電樁控制及消費(fèi)等信息，不會(huì)給用戶使用安全帶來威脅。

2 充電樁控制電路與程序開發(fā)流程設(shè)計(jì)

2.1 控制電路硬件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選取STM32F407ZET6作為處理器，利用E2PROM、藍(lán)牙模塊、充電機(jī)控制接口、控制器，搭建系統(tǒng)控制電路。如圖2所示為系統(tǒng)硬件電路框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖2 系統(tǒng)硬件電路框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of system hardware circuit frame structure

該設(shè)計(jì)方案采用CAN總線通信，為充電機(jī)接口與控制器之間創(chuàng)建通信連接。將型號(hào)為TJA1050收發(fā)器連接在系統(tǒng)控制電路中，實(shí)現(xiàn)充電樁控制信號(hào)的接收與充電作業(yè)狀態(tài)的發(fā)送。控制電路各個(gè)模塊之間的通信設(shè)計(jì)采用串口通信方式，創(chuàng)建核心控制器的串口2與藍(lán)牙模塊之間的通信；采用I2C通信模式，創(chuàng)建I/O口與E2PROM之間的通信。

本控制電路選取核心處理器STM32F407ZET6支持串口IAP，處理功能較為強(qiáng)大，根據(jù)充電樁控制需求，通過APP客服端升級(jí)固件。控制器與充電機(jī)之間的通信，利用充電機(jī)控制接口交換信息，設(shè)置J1939為通信協(xié)議。按照此通信協(xié)議，編輯信息報(bào)文，實(shí)現(xiàn)各個(gè)訪問端口之間數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。關(guān)于藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)，選取低功耗型號(hào)NRF51822作為藍(lán)牙通信工具，通過發(fā)送串口AT指令，完成藍(lán)牙通信。目前，藍(lán)牙通信模塊運(yùn)行較為穩(wěn)定，可以作為本系統(tǒng)通信工具。另外，電路中的E2PROM作為信息存儲(chǔ)工具，除了記錄充電樁輸出信息、用戶信息以外，還可以用來記錄充電樁故障日志。由于該模塊具有較好的容錯(cuò)能力，且掉電后信息不容易丟失，所以可以為系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)的記錄提供保障。

2.2 充電樁控制程序開發(fā)流程設(shè)計(jì)

充電樁控制程序開發(fā)選取μC/OS-ⅡV2.91軟件，按照優(yōu)先級(jí)不同，先后執(zhí)行充電控制命令。其中，優(yōu)先級(jí)的設(shè)計(jì)設(shè)定了5個(gè)控制命令層級(jí)：用戶APP向充電機(jī)發(fā)送汽車充電控制命令，此任務(wù)的優(yōu)先級(jí)最高；充電控制系統(tǒng)異常檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)看門狗情況，該任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)整體狀況進(jìn)行檢驗(yàn)，從而降低系統(tǒng)故障問題發(fā)生頻率；查詢充電機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)加以處理；查詢藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)加以處理；向藍(lán)牙通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)。

按照上述順序執(zhí)行充電控制命令，為了有效控制充電機(jī)的啟/停，將開啟/停止充電控制命令的執(zhí)行設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，超出上述最高層級(jí)運(yùn)行順序。如果發(fā)現(xiàn)充電樁作業(yè)發(fā)生異常，則立即停止該裝置作業(yè)。本系統(tǒng)為用戶設(shè)置了3種充電控制模式，分別是定時(shí)充電、定量充電、自動(dòng)充電(直至汽車電池充滿)。其中，定時(shí)充電在地下車庫應(yīng)用，圖3所示為定時(shí)充電控制程序主要流程。

圖3 充電樁控制程序開發(fā)流程Fig.3 Development process of charging pile control program

第一步：讀取充電控制信息，判斷當(dāng)前用戶下達(dá)充電控制模式；第二步：從所有控制信息中識(shí)別定時(shí)充電控制命令；第三步：判斷當(dāng)前充電槍是否連接，如果連接成功，則執(zhí)行第四步，反之則返回第一步并檢驗(yàn)充電槍連接操作是否執(zhí)行；第四步：向充電樁發(fā)送充電指令；第五步：鎖定當(dāng)前為汽車充電的充電槍；第六步：開啟充電機(jī)作業(yè)模式，為汽車充電，該過程支持強(qiáng)行停止充電控制，如果發(fā)現(xiàn)充電機(jī)發(fā)生異常故障，系統(tǒng)將記錄相關(guān)信息，并跳轉(zhuǎn)至第十步；第七步：判斷汽車電池當(dāng)前是否處于充滿狀態(tài)，如果達(dá)到了充滿狀態(tài)，則執(zhí)行第十步，反之，則執(zhí)行第八步；第八步：系統(tǒng)向藍(lán)牙模塊發(fā)送消息，利用該模塊返回充電控制時(shí)間信息；第九步：對(duì)比藍(lán)牙模塊返回的充電控制時(shí)間與預(yù)設(shè)的充電時(shí)間是否相符，如果相符，則執(zhí)行第十步，反之，返回第六步；第十步：充電機(jī)的充電作業(yè)狀態(tài)切換到停止充電狀態(tài)；第十一步：結(jié)算本次充電費(fèi)用，向用戶發(fā)送金額消息；第十二步：解除充電槍。

3 用戶APP服務(wù)端設(shè)計(jì)

用戶APP服務(wù)端主要用于處理信息，并搭建用戶與服務(wù)器、用戶與控制電路之間的通信連接，起到人機(jī)交互作用。按照系統(tǒng)開發(fā)功能需求，將用戶APP服務(wù)端拆分為8個(gè)功能模塊。一是用戶個(gè)人信息管理。用戶按照APP使用要求，注冊(cè)個(gè)人信息。完成注冊(cè)后，系統(tǒng)將對(duì)用戶的個(gè)人信息加以保護(hù)，避免信息泄露。二是充電樁搜索。每一個(gè)充電樁都有唯一的標(biāo)識(shí)身份，用戶通過掃碼或直接輸入標(biāo)識(shí)號(hào)碼，搜索到充電樁，如果該充電樁處于空閑狀態(tài)，則可以為用戶提供充電服務(wù)。三是人機(jī)交互。在APP操作界面為用戶提供充電樁操作信息查詢服務(wù)，也可以在此界面發(fā)送充電控制命令。四是智能預(yù)約排隊(duì)充電。本系統(tǒng)設(shè)置了預(yù)約排隊(duì)功能，按照設(shè)定的充電時(shí)間開始排隊(duì)，用戶不需要到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，等待充電機(jī)空閑時(shí)，可以自動(dòng)連接充電槍，為該用戶電動(dòng)汽車充電。五是充電樁故障日志發(fā)送。APP接收到充電樁故障消息后，立即在消息界面通知用戶。六是充電模式選取。本系統(tǒng)支持3種充電模式，根據(jù)用戶需求選擇相應(yīng)的充電模式即可。七是賬單支付。完成一次充電后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算本次充電需要支付的費(fèi)用，用戶可以根據(jù)需求選擇支付方式，通過APP客服端完成支付。八是用戶反饋。設(shè)計(jì)用戶反饋功能模塊，用戶在互動(dòng)平臺(tái)可以將問題反饋給管控中心，通過服務(wù)器將此消息發(fā)送給管控中心計(jì)算機(jī)。

4 云服務(wù)器設(shè)計(jì)

云服務(wù)器主要由平臺(tái)軟件、大型信息存儲(chǔ)模塊、計(jì)算機(jī)等組成。根據(jù)系統(tǒng)控制需求開發(fā)3項(xiàng)功能，作為APP客服端、現(xiàn)場(chǎng)控制終端作業(yè)輔助工具。

數(shù)據(jù)處理。為了滿足多級(jí)客戶的充電需求，云服務(wù)器模塊增加了數(shù)據(jù)處理功能，由后臺(tái)管理員與計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理模塊共同完成數(shù)據(jù)加工與處理，以提高充電服務(wù)管控效率，降低多用戶充電命令并發(fā)問題的發(fā)生頻率，緩解數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器的作業(yè)壓力。

數(shù)據(jù)分析。采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)充電控制的海量數(shù)據(jù)加以分析。通過應(yīng)用深度數(shù)據(jù)挖掘算法，獲取充電地點(diǎn)、充電時(shí)間、充電模式選取等信息，將其作為數(shù)據(jù)后臺(tái)接口創(chuàng)建的依據(jù)。按照層級(jí)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，排列充電服務(wù)先后順序，并為用戶展示服務(wù)信息。

資源共享。借助互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)資源共享模塊，按照資源類型不同，將其拆分為多個(gè)資源板塊，用戶可以通過訪問資源共享板塊，從眾多資源板塊中找到自己所需的資源信息，實(shí)現(xiàn)資源共享。

5 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試分析

5.1 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試內(nèi)容與方法

按照系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法搭建系統(tǒng)，對(duì)充電樁的服務(wù)情況進(jìn)行測(cè)試。應(yīng)用測(cè)試以預(yù)約充電服務(wù)為例，對(duì)充電樁是否能夠按照設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)進(jìn)行測(cè)試，并觀察系統(tǒng)是否可以按照預(yù)約充電先后順序?yàn)橛脩籼峁┏潆姺?wù)。當(dāng)充電樁結(jié)束對(duì)汽車的充電服務(wù)后，轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)，此時(shí)為下一個(gè)等待用戶提供充電服務(wù)，通過藍(lán)牙連接，將該充電樁的充電槍與此用戶的電動(dòng)汽車充電接口連接，為其提供充電服務(wù)。觀察充電樁是否按照用戶預(yù)約充電的先后順序?qū)ζ囘M(jìn)行充電，記錄充電先后順序、開始充電時(shí)間、藍(lán)牙是否成功連接、充電槍是否連接、是否按照要求充電、前方排隊(duì)情況、預(yù)約充電時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

5.2 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試結(jié)果分析

按照系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容與方法搭建系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的充電樁服務(wù)功能進(jìn)行測(cè)試。表1所示為充電樁服務(wù)功能測(cè)試結(jié)果。

表1 充電樁服務(wù)功能應(yīng)用測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of charging pile service function application

表1中，本系統(tǒng)能夠有序控制充電樁為用戶提供電動(dòng)汽車充電服務(wù)，按照預(yù)約先后順序安排充電，能夠根據(jù)設(shè)定的充電服務(wù)要求為電動(dòng)汽車按時(shí)充電/某時(shí)段充電。測(cè)試中，5臺(tái)電動(dòng)汽車用戶的藍(lán)牙設(shè)備均得以連接，待前方排隊(duì)數(shù)量為0時(shí)，能夠?yàn)楫?dāng)前排在第一位的汽車提供充電服務(wù)，成功連接充電槍開始充電。從用戶反饋的充電效果來看，本系統(tǒng)能夠按照用戶設(shè)定的充電服務(wù)需求為其汽車充電。