電動(dòng)汽車充電樁電量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

(衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 衢州 324000)

0 引言

電動(dòng)汽車充電樁是專門用于為電動(dòng)汽車充電的設(shè)備,類似于傳統(tǒng)汽車加油站中的油槍。可以將交流電或直流電轉(zhuǎn)換為適合電動(dòng)汽車電池充電的電能。充電樁通常由充電頭、控制器、計(jì)量裝置和安全保護(hù)系統(tǒng)等組成[1-2]。電動(dòng)汽車充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控是指通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)等遠(yuǎn)程通訊技術(shù),對(duì)電動(dòng)汽車充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理,可以實(shí)時(shí)了解充電樁的運(yùn)行狀態(tài)、充電量、充電速度等信息,對(duì)充電樁進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和故障排除,以提高充電樁的可靠性和穩(wěn)定性,同時(shí)也為電動(dòng)汽車用戶提供更加便利和高效的充電服務(wù)[3]。

本研究基于GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),旨在研究一套電動(dòng)汽車充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)闡述,并提出未來(lái)電動(dòng)汽車充電樁電量監(jiān)控系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。研究結(jié)果可以為用戶提供便捷、高效的充電服務(wù),促進(jìn)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和普及。

1 電動(dòng)汽車充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)汽車充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示,選擇 GPRS 模塊作為充電樁控制器與監(jiān)控中心之間的通信方案,GPRS模塊可以提供移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的連接,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。GPRS模塊通信速度較快,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠,適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制[4]。采用 STM32嵌入式系統(tǒng)作為充電樁控制器,STM32嵌入式系統(tǒng)是一種高性能、低功耗的芯片,具有豐富的接口資源和強(qiáng)大的計(jì)算能力,可以滿足充電樁控制器的需求[5]。同時(shí),STM32嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)比較完善,可以降低開(kāi)發(fā)難度和成本。選擇GPRS模塊作為通信方案需要考慮到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋范圍和穩(wěn)定性,同時(shí)還需要考慮到通信安全性和數(shù)據(jù)隱私保護(hù)[6]。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中,需要進(jìn)行充分的測(cè)試和驗(yàn)證,確保通信和控制的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成

電動(dòng)汽車充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通常包括以下組成部分。

1)充電樁硬件。包括充電頭、計(jì)量裝置、控制器等,用于將交流電或直流電轉(zhuǎn)換為適合電動(dòng)汽車電池充電的電能,并將電能輸送到電動(dòng)汽車的電池中。

2)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理充電樁,包括充電樁的運(yùn)行狀態(tài)、充電量、充電速度等信息,同時(shí)也可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和故障排除。

3)通信技術(shù)。用于將充電樁的信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),通常采用無(wú)線通訊技術(shù),如GPRS、3G、4G等[7]。

1.2 充電樁電量數(shù)據(jù)監(jiān)控中心功能

電動(dòng)汽車充電樁電量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心是一個(gè)負(fù)責(zé)管理和監(jiān)控電動(dòng)汽車充電樁電量的中心系統(tǒng),通常由監(jiān)控軟件、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等組成(圖2),主要功能如下[8]。

圖2 充電樁電量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1)充電樁管理。對(duì)電動(dòng)汽車充電樁進(jìn)行管理和維護(hù),包括充電樁的注冊(cè)、授權(quán)、故障處理、升級(jí)等操作。

2)充電樁監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁的運(yùn)行狀態(tài)、充電情況、故障信息等,并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警處理。

3)充電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。收集充電樁的使用數(shù)據(jù),包括充電電量、充電時(shí)間、充電費(fèi)用等,并進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

4)用戶管理。管理用戶信息和充電記錄,支持用戶查詢和充值等操作。

5)數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)充電數(shù)據(jù)的分析和挖掘,提供電動(dòng)汽車的使用情況、充電樁的使用率等數(shù)據(jù),幫助企業(yè)和政府進(jìn)行決策和規(guī)劃。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電樁的全面管理和監(jiān)控,電動(dòng)汽車充電樁數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通常需要與充電樁控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,收集充電樁的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息,并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的智能化管理和優(yōu)化。

1.3 監(jiān)控中心服務(wù)器的設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電樁數(shù)據(jù)監(jiān)控中心服務(wù)器通常是一臺(tái)專門的服務(wù)器設(shè)備,可以連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)或其他互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),以便于充電樁控制器和用戶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和管理[9]。該服務(wù)器可以通過(guò)云端平臺(tái)或其他方式提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等服務(wù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。除了上述功能和組成部分外,還可以進(jìn)一步擴(kuò)展和完善,如可以支持其他通信協(xié)議,如4G、5G、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT等,以滿足不同場(chǎng)景和需求下的數(shù)據(jù)傳輸和通信,并且可以支持多種支付方式,如刷卡、支付寶、微信等,以滿足用戶的支付需求和提高用戶的使用體驗(yàn)。

2 充電樁系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制器的設(shè)計(jì)

ARM Cortex-M3是一種常見(jiàn)的嵌入式處理器架構(gòu),STM32F103是一種使用該架構(gòu)的微處理器,常用于開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)。本研究選擇使用STM32F103微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),作為主要的控制和計(jì)算單元,來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。ARM開(kāi)發(fā)板的GPIO 配置如表1所示。

表1 ARM開(kāi)發(fā)板的GPIO 配置

2.2 充電樁GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)

GPRS通信是一種基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),通常用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用場(chǎng)景[9]。在電動(dòng)汽車充電樁控制器與監(jiān)控中心之間的通信中,本研究選擇采用GPRS通信技術(shù)。通過(guò)GPRS通信,充電樁控制器可以實(shí)時(shí)向監(jiān)控中心傳輸充電數(shù)據(jù)、異常報(bào)警等信息,同時(shí)監(jiān)控中心也可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)指令,控制充電樁的開(kāi)啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)充電電流等操作。與傳統(tǒng)的有線通信相比,GPRS通信具有無(wú)線傳輸、覆蓋范圍廣、成本低等優(yōu)勢(shì),因此被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

本研究采用的 GPRS 通信模塊最終選取使用的是基于SIM800C芯片的模塊,SIM800C芯片是一款由SIMCOM公司推出的GSM/GPRS模塊芯片,主要用于支持移動(dòng)通信、短信、數(shù)據(jù)傳輸和GPS等功能。該芯片支持全球四頻段GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò),提供了多種接口和協(xié)議,包括UART串口、USB、SPI、I2C、TCP/IP和HTTP等。此外,SIM800C芯片還支持語(yǔ)音和FAX數(shù)據(jù)傳輸功能,并且集成了GPS模塊,能夠支持GPS和GLONASS定位服務(wù)。

GPRS 模塊是由多個(gè)部分所共同組成的,這些模塊具備不同的功能,如閃存、射頻模塊等。SIM800C 的功能框圖如圖3所示。

圖3 GPRS 模塊的功能框圖

2.3 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

電動(dòng)汽車充電樁電量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序運(yùn)行環(huán)境使用文本編輯器進(jìn)行,編程語(yǔ)言使用Python,電動(dòng)汽車充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使用多種通信協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制,連接云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制,電動(dòng)汽車充電樁電量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序代碼如下:

#include

#include

#include

#include

#include

// 定義電動(dòng)汽車充電樁結(jié)構(gòu)體

typedef struct {

int id; // 充電樁ID

float power; // 充電樁電量

bool status; // 充電樁狀態(tài)(開(kāi)/關(guān))

time_t last_time; // 上次更新時(shí)間

} ChargingPile;

// 定義電動(dòng)汽車充電樁數(shù)組

ChargingPile charging_piles[] = {

{1, 90.5, true, 0},

{2, 80.3, false, 0},

{3, 75.0, true, 0},

{4, 68.2, true, 0},

{5, 60.1, false, 0},

{6, 50.7, true, 0},

{7, 45.9, true, 0},

{8, 30.8, false, 0}

};

// 獲取當(dāng)前時(shí)間

time_t get_current_time()

{

time_t current_time;

time(¤t_time);

return current_time;

}

// 獲取兩個(gè)時(shí)間之間的時(shí)間差(秒)

int get_time_diff(time_t start_time, time_t end_time)

{

return difftime(end_time, start_time);

}

// 更新充電樁電量和狀態(tài)

void update_charging_pile(int id, float power, bool status)

{

// 查找充電樁

for(int i = 0; i

if(charging_piles[i].id == id) {

// 更新充電樁電量和狀態(tài)

charging_piles[i].power = power;

charging_piles[i].status = status;

charging_piles[i].last_time = get_current_time();

printf("充電樁 %d 電量更新為 %.2f kWh,狀態(tài)為 %s ", id, power, status ? "開(kāi)" : "關(guān)");

break;

}

}

}

// 模擬更新充電樁電量和狀態(tài)

void simulate_update_charging_pile()

{

// 隨機(jī)更新一個(gè)充電樁

int index = rand() % (sizeof(charging_piles) / sizeof(ChargingPile));

float power = (float)(rand() % 100) + 1;

bool status = rand() % 2 == 0 ? true : false;

update_charging_pile(charging_piles[index].id, power, status);

}

int main()

{

// 初始化隨機(jī)數(shù)種子

srand((unsigned)time(NULL));

// 模擬更新充電樁電量和狀態(tài)

for(int i = 0; i <10; i++) {

simulate_update_charging_pile();

}

// 循環(huán)更新充電樁電量和狀態(tài)

while(true) {

// 模擬更新充電樁電量和狀態(tài)

simulate_update_charging_pile();

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車充電樁電量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要得出以下結(jié)論。

本研究選擇采用GPRS通信技術(shù),充電樁控制器可以實(shí)時(shí)向監(jiān)控中心傳輸充電數(shù)據(jù)、異常報(bào)警等信息,同時(shí)也可以下發(fā)指令,控制充電樁的開(kāi)閉、調(diào)節(jié)充電電流等操作。

電動(dòng)汽車充電樁電量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可以實(shí)現(xiàn)充電樁管理、充電樁監(jiān)控、充電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、用戶管理和數(shù)據(jù)分析等功能。