基于物聯網下的無線充電共享電動車立體車庫設計

王煜

（星微科技（天津）有限公司 天津市 300382）

隨著社會的不斷進步，便民措施、設備的不斷增加，為人們出行提供了便利。共享電動車亦是如此，以其便捷、快速、省力的優勢得到了大眾認可[1-3]。如今的共享電動車主要投放在人口密集處，如小區門口、學校門口、商場門口、車站門口等，為人們出行提供了極大便利。當然也滋生了亂停亂放問題，甚至有些區域共享電動車停放在馬路上，即影響了當地交通，又破壞了當地形象，所以共享電動車至今發展緩慢，甚至萌生倒退跡象[4-6]。為了解決這一問題，本文將在物聯網視域下，對無線充電共享電動車立體車庫進行設計研究，以更好解決該類問題，讓共享電動車發展回歸正軌，為人們出行提供真正便利。

1 物聯網概念及發展歷程

物聯網俗稱泛互聯，是互聯網延伸的一種產物，能夠將不同信息設備與網絡進行合理融合，使之成為一張覆蓋面積廣的矩網，為人、機、物之間的交互提供渠道，擺脫了以往的時間、地點束縛。在當下信息技術中，物聯網屬于核心技術之一，能夠進行萬物萬聯，這里有兩層意思：其一，互聯網是物聯網的基礎，所以一般定義其為互聯網延伸出來的一種網絡。其二，在用戶端上，不在局限于人與人、人與機之間的交互，而是延伸出了物與物之間的交互。故，物聯網在諸多信息傳感器設備（如紅外傳感器、射頻識別、激光掃描儀、全球定位系統）的作用下，根據協議約定，建立物聯網與所有物品之間的聯系，以實現物品的定位、識別、監控以及管理[7-8]。1995年，比爾蓋茨提出了物聯網的概念，但由于當時的網絡、設備較為落后，所以并沒有得到人們的重視。而后Auto-ID 在1999年提出了物聯網的概念，并進行了一定程度的實踐。同年，國內也進行了相關研究，取得了一定成果。雖然在這幾年里，物聯網的概念相繼有被提及，但是真正提出此概念則是在2005年的信息社會世界峰會上，隨著此峰會的結束，也意味著物聯網時代的正式到來。在后續的幾年中，物聯網逐漸走入人們的視野中，成為了人們生活中的一部分。有數據統計，2021年，國內物聯市場規模已達到了246294713356.4174 美元，人工市場規模已達到了43912898599.0177 美元，這種規模趨勢仍在不斷上升。可見，物聯網在國內市場已經占據一席之地，這種局勢勢必會不斷擴展，成為國內發展中的重要組成部分之一，實現國內產業的數字化轉型，推動國內各類產業的發展。

2 共享電動車發展問題

當下，共享電動車基本上都是沒有樁的，使用人員可通過手機掃碼的方式進行取車、存車，操作十分便捷，且沒有一定要到指定區間停車的要求，有利于使用人員的停放，但也正是這種便利性，導致了亂停亂放問題的發生。除此之外，共享電動車在發展上還存在以下幾點問題：

（1）共享電動車長期暴露在外，零部件容易出現老化問題，縮短了零部件的使用壽命。

（2）因為共享電動車并非私人物品，所以使用人員使用時并不會特別愛護，經常會出現磕磕碰碰問題，導致運行成本增加。

（3）車輛散落位置不一，公司在對共享電動車而進行維護保養時，需要投入較大的人力物力去尋找需要保養的電動車，加大了公司經營成本損耗。

（4）插件充電是電動車當下的主流充電方式之一，因為需要頻繁的使用接插頭，所以容易出現破損、老化問題，當這種問題未被發現解決時，極容易導致短路起火問題的發生。

所以，設計出一個無線充電共享電動車車庫是必要的。

3 設計理念

隨著5G 技術的不斷發展，為立體車庫的普及奠定了基礎。在物聯網下，立體車庫設計理念源自于綠色、經濟、安全、便捷等方面。究其根本，主要存在以下幾點優勢：

（1）立體車庫擁有更大的容量，能夠同時存放多輛共享電動車，減少或杜絕了車輛亂停亂放問題。

（2）通過這種集中停放方式，能夠讓充電更加集中化，減少了共享單車人在調回保養時的人力輸出。

（3）車庫頂層安裝了太陽能電池板，除了能夠為共享電動車車庫提供照明外，還能為共享電動車充電，即綠色又環保。

（4）在充電環節上，摒棄了以往的有線充電方式，選著了無線充電技術，因為這種充電方式無需使用到接插件，所以不會出現接觸不良、打火等不良問題的發生，確保了共享單車充電的安全性。

（5）為了提高共享電動車的監控能力，還將物聯網模塊添加到電動車當中，以對電動車運動軌跡、速度、電量等方面性能進行實時性監控，為駕駛人員保駕護航。

（6）在車庫中，所有系統都與云平臺對接，這里的所有系統指的是監控系統、控制系統以及報警系統，通過這種方式實時掌握車庫的車輛充電情況、數量情況、安全性能等車庫運行狀態。

4 結構設計

根據前文的設計理念，結合當下的技術水平，完成了立體車庫結構的設計工作。具體包括主框架、傳動系統、停車托盤、電源系統、照明系統以及控制系統這幾部分。車庫共兩層，每層都能夠放置共享電動車。在材質選著上，主框架以鋼材質材料搭建而成，這樣不會對周邊環境造成污染，成本損耗較低，同時，棄用后還可以回收利用。此外，當后期需要增加停放車輛數量時，也可以隨時擴建加層，不會對車庫的穩定性照成影響。因為立體車庫正面與后面都是敞開的，所以用戶即可以在前面存取車，也可以在后面存取車，具有較強的便利性。側邊是鋼支架結構，能夠安置廣告牌、燈箱等物件，能夠為公司帶來一定的經濟效益。在升降環節上，使用到了棘輪電機，能夠為托盤升降提供剎車能力。所有車位都配備了無線充電線圈、電磁鎖、光電傳感器。為了確保車庫運行的安全性，還在工作區加裝了報警系統、AS-20 人體感應開關。車庫頂端的太陽能電池板為車庫照明和系統運行供電。在充電環節上，通過電磁感應方式為共享電動車充電，放棄了以往的接插件式充電，杜絕了充電線老化而出現的短路起火問題，確保了共享電動車充電的安全性。所有共享電動車安裝了物聯網模塊，能夠通過手機等設備對共享電動車的運行狀態、性能、電量等信息進行實時性監測，同時，當駕駛人員駛向危險地段時，會通過語音方式提醒車輛使用者減速慢行，此外，還會對共享電動車的行車軌跡進行動態化監控，為車輛使用者的騎行保駕護航。物聯模塊還在車庫中進行了安裝，這樣能夠利于數據交互，實時掌握車庫運行狀態。這些能力的實現離不開云計算、5G 技術、大數據等技術的支持。在模型架構中，西門子PLC 主要負責的是立體車庫的控制，能夠進行數據采集、控制光伏電池板、控制報警系統、控制電源，并借助物聯網模塊實現與云平臺之間的數據交互。CAN 數據采集模塊為數據采集提供了便利，能夠將立體車庫所有數據信息進行采集整合，并借助物聯網模塊傳輸至后臺，為工作人員的決策提供數據依據。

5 過程設計

立體車庫共有兩層，第一層為A 層，第二層為B 層，其工作原理具體如圖1所示。

圖1：車庫工作原理

由圖1 可以看出，手機移動端首先與云服務連接，并在云服務模塊的作用下，實現售后服務監控。而后與PLC 物聯模塊、PLC、照明系統、光伏電池板、電機、無線充電線圈依次相連，借助這些功能模塊開展相關操作。其中，通過PLC 能夠調度光度傳感器、光電傳感器、紅外傳感器、控制按鈕，以實現對立體車庫的動態監測與控制，同時還能夠對無線充電線圈進行干預，為共享電動車充電與否做出判斷。而對PLC 物聯網模塊而言，則能夠對電機進行整體性控制，以確保電機的安全運轉。為了更加清楚了解立體車庫的工作原理，下文將通過舉例方式對車庫工作原理進行系統分析，假如電動車使用者在取車時，可借助手機設備對準車輛上的二維碼進行掃描，以進行開鎖，此時手機APP 上會顯示該車輛的性能數據，如可駕乘里程、電量等。假如A 層沒有共享電動車時，車輛使用者可以點擊取車按鍵，那么B 層車位托盤平臺則會緩慢降落，并且此時的紅外傳感器則會對周邊情況進行動態探測，以防止人員靠近，假如有人員靠近，那么系統則會發出報警信號，并停止降落，反之，則依照既定速度降落至指定位置，待車位托盤平臺下降穩定后，車輛使用人員便能進行取車操作。假如車輛使用者將車輛停入到指定車位時，光電傳感器首先會對車輛進行檢測，而后會將檢測得到的信息傳輸至PLC 中，最后，PLC 會向電磁鎖發出鎖車指令，電磁鎖在接收到該指令后會自主吸合固定共享電動車，并對電池電量進行檢測，為后續的充電與否提供數據依據。當共享電動車電池電量超過了80%，那么PLC 則不會將充電指令發給無線充電線圈，那么此時該車位則會顯示斷電有車狀態。車輛使用人員則可通過手機設備掃描其中二維碼進行取車，在PLC 與物聯網模塊作用下，車輛會即時解鎖，并啟動計時功能。假如共享電動車電池電量測得結果低于80%，那么PLC 則會將充電指令下發給無線充電線圈，無線充電線圈接受到該指令后，便會對該車輛進行充電。在電量充滿后，便會自動斷電，顯示有車斷電狀態。假如光電傳感器檢測該車位并未發現共享電動車時，那么該車為就會顯示空位斷電狀態，能夠隨時為共享電動車使用者存車處理。立體車庫充電控制情況具體如圖2所示。

圖2：立體車庫充電控制流程

由圖2 可以看出，車庫充電流程可分為三條線路：第一條則是在判斷無車位情況下，進行電量檢測，在電量不足情況下進行快速充電，直至充電完成。第二條則是在判斷有車位情況下，進行空位斷電，為用戶停車使用，在鎖車后進行結算。第三條線路則是車庫有車情況下，進行電量檢測，發現電量充足后，則斷開電源，為用戶提供車輛，用戶掃描后便能取車，并會自主進行計時。具體我們通過舉例的方式進行一一講解，假如B 層托盤無車位后，仍有用戶存車，那么則可以點擊存車按鍵，B 層托盤則會上升，A 層托盤則會出現在存車用戶面前，用戶可以將共享電動車存放至A 層托盤中。電源裝置為各種設施（PLC、照明熊、無線充電裝置等）提供電能，拱其正常運轉。為了確保立體車庫的正常通電，設計了兩條供配電線路：第一條線路電能源自于太陽能電池板，利用該條線路為立體車庫照明系統提供電能，假如電量還有富足，那么則會向其他設施設備供電。第二條線路時外接電源線路，在第一條供電線路供電不足情況下，這條線路則會啟動，給立體車庫設備供電。在整個車庫系統中，PLC 可以視為系統的中樞，負責信號（輸出信號、檢測信號等）控制。其中，檢測的信號包括以下幾種：

（1）光度傳感器，在夜晚時，該傳感器會對周邊環境的光亮程度進行檢測，當檢測結果認定為昏暗時，那么則會啟動車庫照明裝置，為車庫提供光照。

（2）人體感應開關，假如立體車庫B 層托盤降落時檢測到有生命體（人或小動物）在下降區域走動，那么則會立即停止降落，在生命體離開降落區域后再次自主降落。

（3）按鍵操作，通過該操作能夠對B 層升降進行控制，同時在必要情況下還能進行急停操作。具體而言，這種急停為硬件急停，當點擊該按鍵時，所有設備則會斷開供電，避免意外事故出現。光電傳感器安裝在每個車位當中，以實時更新車位的動態信息。對輸出信號而言，包括了電磁鐵的吸合情況、充電線圈工作狀態、電機運動情況、照明裝置接通情況等。在物聯網模塊的作用下，PLC 與云平臺之間形成數據交互渠道，完成數據交互工作，并借助云端構成大數據。后臺人員通過大數據分析，判定立體車庫的運行狀況。與此同時，在物聯網模塊的作用下，云平臺能夠對所有共享電動車的性能進行動態化監控，使車庫與共享電動車形成一個有機整體。

6 小結

本文首先就共享單車發展問題進行了分析，發現了其中的痛點。其次，提出了立體車庫的設計理念。最后，對立體車庫的結構、過程情況進行了細致化設計，給出相應的工作原理與控制流程，并進行了系統分析，明確了每項設備的功能與用法，為立體車庫的推廣奠定了基礎。雖然當下的共享電動車立體車庫較少，但是隨著時間推移，技術的不斷成熟，相信在未來物聯網下的共享電動車立體車庫勢必能夠大規模推廣，以更好迎合共享電動車的發展，減少亂停亂放問題發生，給城市形象加分而不是減分。