智能共享充電控制系統的設計與實現

陳海云， 潘 凱， 黃秋萍

(1.浙江師范大學 信息光學研究所，浙江 金華 321004;2.杭州師范大學 東城中學， 浙江 杭州 310000;3.浙江師范大學 物理與電子信息工程學院，浙江 金華 321004)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，電瓶車逐漸取代了傳統的人力自行車.電瓶車輕便、省力，因而成為很多學生在校園中首選的日常交通工具.為了滿足廣大校園用戶的充電需求，校園內設置了大量的充電樁，但在使用過程中發現很多問題，以浙江師范大學為例，目前的充電樁采用刷卡定時充電方式，實際僅提供一個交流電插座，定額扣費，一次充電時間固定，功能單一，共享效率低.歸納起來主要問題有：1)充電時間固定，不能按照實際情況改變充電時間；2)充電過程中容易被他人拔除盜用；3)缺少信息交互，用戶無法實時了解充電進程.文獻[1]設計了一款針對校園電瓶車的智能充電控制系統，可以調整充電電壓和電流，充電結束后能通過藍牙提醒用戶,但并未實現對充電過程的實時監測，未能防止或降低中途被拔除的可能性，藍牙通信有效距離過短，不利于遠距離的信息交互.

針對校園電瓶車充電中的實際問題，筆者設計了一款智能共享充電控制系統，將傳統充電樁與充電器整合在一起，增加智能控制模塊,以實現對充電過程的實時監測，并通過GPRS(general packet radio service)模塊實現與用戶之間的信息互動，真正實現智能化充電，并大大提高公共充電裝置的共享效率.

1 設計原理

本文設計的智能共享充電控制系統將通用充電器包含在內，智能控制基于對充電過程中充電電流的實時監測.為了掌握充電過程中的電流變化數據，筆者實際測量了一個充電周期中電壓與電流隨時間(t)的變化關系，如圖1所示.充電過程電壓信號雖有波動，但基本保持穩定；然而電流信號會隨著充電過程的進行而逐漸減小，充電完成后趨于穩定的一個小電流值(約為0.4 A).因而充電過程的電流值可以作為充電進程的指示信號，通過對電流信號進行監測可以估算充電的進度，同時作為狀態判斷的依據，電流穩定為0.4 A即為正常終止狀態，而如果電流值瞬間降為0，那么可判定為異常終止狀態，即在充電過程中被人為拔除.

(a)電壓 (b)電流

充電控制器要實現的功能要點：1)當電流從大電流逐漸降低到小電流的穩定變化時，充電狀態正常，繼電器閉合持續充電，他人無法刷卡干擾；2)穩定在小電流(約0.4 A)時為正常終止，充電結束后繼電器斷開，發短信至用戶提醒，同時釋放權限，供下一用戶使用；3)若中途將充電器拔除，電流會瞬間降到0 A，即為異常終止，繼電器斷開，并向當前用戶發短信警報.異常狀態時，充電器功能權限被鎖定，其他用戶無法使用，只有當前用戶或管理員方可重新激活使用，從而最大限度地降低被中途拔除盜用的可能性；4)在充電過程中用戶可以主動發短信查詢狀態，系統將當前電量的百分比和剩余時間發送到用戶手機.

2 系統結構和控制流程

2.1 充電控制系統結構

智能共享充電控制系統的模塊結構如圖2所示.圖2中，主芯片采用Arduino Uno單片機，Arduino Uno單片機有開源的硬件資源和軟件庫函數[2-3]，硬件連接和軟件編程相對容易，與常用模塊間的接口有庫函數供調用.刷卡模塊采用基于射頻識別技術RFID(radio frequency identification)的MF-RC522，通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據[4]；短信模塊采用GPRS-GA6，Arduino Uno單片機通過串行口控制GPRS模塊實現與用戶間的短信互動[5]；顯示模塊采用OLED-12 864，為128×64行點陣的OLED單色、字符和圖形顯示模塊，具有4位并行數據接口，可與Arduino Uno直接相連；電流檢測模塊采用ACS712LCH-20A-T，檢測電流范圍為-20～20 A，輸出電壓(Vout)與檢測電流(Ip)的對應關系如圖3所示，電源電壓(VCC)為5 V、溫度(T)為25 ℃時，電壓與電流的關系式為Vout=2.5+0.1×Ip，精度為100 mV/A[6].

圖2 系統模塊結構圖

圖3 電流傳感器ACS712的電壓與電流關系

2.2 充電控制工作流程

充電控制工作流程如圖4所示.用戶首次刷卡時系統將自動記錄并保存用戶IC卡的信息及綁定的手機號碼.電瓶車充電正常結束時，系統發送充電完成短信到用戶手機.

圖4 充電控制工作流程圖

若在充電過程中被他人拔除，在拔除的一瞬間系統將停止輸出供電，并鎖定權限，其他用戶無法使用此系統進行充電，只有當前用戶本人或管理員的IC卡才能再次開啟系統，同時系統給用戶發出一條短信，通知用戶充電被中斷，請及時處理并重新充電，或聯系管理員繼續充電.在充電過程中，用戶可以主動發短信查詢充電狀態，系統接到短信后將當前充電狀態信息以短信方式反饋給用戶，反饋信息包括當前充電進度完成的百分比及估算的剩余時間.

3 結果分析

設計完成的智能共享充電控制系統樣機如圖5所示.

圖5 智能充電控制系統實物圖

圖5中，封裝內下層為電瓶車充電器，上層為由各模塊組成的智能控制系統.表1所示為一個充電周期的測試結果，包括在不同充電狀態下的充電電流、顯示內容、繼電器狀態及短信交互內容.記錄結果顯示，系統能夠實時有效檢測到充電電流信號，并能根據電流信號的狀態和變化來決定繼電器的狀態；系統能與用戶之間進行準確有效的短信交互，不同狀態下用戶收到的短信內容如圖6所示.測試結果表明，該系統能夠實現智能共享充電控制系統的各項功能要求.

表1 1個充電周期的實測記錄

(a)狀態查詢 (b)異常終止 (c)充電結束

4 結 論

本文設計并實現了一款智能共享型充電控制系統，通過實時監測充電電流來判斷充電狀態，并通過短信方式與用戶之間實現信息互動，在正常結束和異常終止時通過短信提醒用戶，用戶亦可主動發送短信獲取當前的充電狀態信息，實現了充電控制智能化.該系統將充電器集成于一體，并能在正常充電結束時及時釋放權限，大大提高了共享的效率.而在異常終止時系統自動鎖定，其他用戶無法充電，從而從行為動機層面最大限度地降低了正常充電過程中被拔除盜用的可能性.近年來，校園智能充電系統的應用需求量大幅度地增長，在共享經濟不斷發展的時代背景下，智能共享充電樁的建設速度仍會不斷加快，本文的研發成果有望得到更好的應用和推廣.