充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)研究

摘要：目前，充電樁狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)主要有兩種類型：一種是基于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)；另一種是基于云平臺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)。這兩種技術(shù)都可以實現(xiàn)對充電樁狀態(tài)的實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程維護(hù)，但是，它們各自存在一些缺點。介紹了基于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。這些技術(shù)可以實現(xiàn)對充電樁的電壓、電流、溫度、電量等參數(shù)的實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_或物聯(lián)網(wǎng)平臺上；同時，這些技術(shù)還可以通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理來實現(xiàn)對充電樁的遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷。此外，為了提高監(jiān)測和維護(hù)的效率和準(zhǔn)確性，介紹了基于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)。這些技術(shù)可以實現(xiàn)對充電樁設(shè)備的實時監(jiān)控和故障診斷，并將診斷結(jié)果通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云平臺或物聯(lián)網(wǎng)平臺上。關(guān)鍵詞：充電樁""狀態(tài)監(jiān)測""遠(yuǎn)程維護(hù)""物聯(lián)網(wǎng)平臺

Research"on"State"Monitoring"and"Remote"Maintenance"Technology"of"Charging"Stations

WANG"Wei

（Beijing"Haidian"Power"Supply"Industrial"Development"Co.，"Ltd.，"Beijing，"，"100086"China）

Abstract："Currently，"there"are"two"main"types"of"status"monitoring"and"remote"maintenance"technologies"for"charging"stations："Oone"is"based"on"sensor，"communication"network，"and"other"technologies"for"status"monitoring;"Another"type"is"remote"maintenance"technology"based"on"cloud"platforms，"the"Internet"of"tThings（IOT），"and"other"technologies."Both"of"these"technologies"can"achieve"real-time"monitoring"and"remote"maintenance"of"the"charging"station"status，"but"they"each"have"some"drawbacks."In"this"article，"we"willIt"introduces"state"monitoring"technologies"based"on"sensors，"communication"networks，"and"other"technologies."These"technologies"can"achieve"real-time"monitoring"of"parameters"such"as"voltage，"current，"temperature，"and"power"of"charging"stations，"and"transmit"monitoring"data"to"cloud"platforms"or"IoT"platforms"through"communication"networks."Meanwhile，"these"technologies"can"also"achieve"remote"maintenance"and"fault"diagnosis"of"charging"stations"through"data"analysis"and"processing."In"addition，"in"order"to"improve"the"efficiency"and"accuracy"of"monitoring"and"maintenance，"it"also"introduces""we"will"also"introduce"remote"maintenance"technologies"based"on"sensors，"communication"networks，"and"other"technologiess."These"technologies"can"achieve"real-time"monitoring"and"fault"diagnosis"of"charging"pile"equipment，"and"send"the"diagnosis"results"to"cloud"platforms"or"IoT"platforms"through"communication"networks.

Key"Wwords："Charging"station;"Statetus"monitoring;"Remote"maintenance;"IoT"platform

充電樁是電動汽車的重要組成部分，充電樁的狀態(tài)監(jiān)測與遠(yuǎn)程維護(hù)對電動汽車的安全運行和充電樁的正常使用具有重要意義。充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)是一種集控制、管理、監(jiān)測于一體的充電樁狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，將信號采集模塊、控制器局域網(wǎng)（Controller"Area"Network，CAN）通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊結(jié)合起來，實現(xiàn)對電動汽車充電樁的集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，并通過通用分組無線業(yè)務(wù)（General"Packet"Radio"Service，GPRS）無線通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

1"系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1"CAN總線控制模塊

CAN總線控制模塊由數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對充電樁的運行參數(shù)進(jìn)行實時采集，并將各充電樁的狀態(tài)信息上傳至監(jiān)控中心。通信模塊負(fù)責(zé)與CAN總線控制模塊進(jìn)行通信，并將各充電樁的運行狀態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)控中心[1]。

CAN總線控制模塊有2個數(shù)據(jù)輸出端：一個為主端，連接充電樁；另一個為從端，連接監(jiān)控中心。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，由主、從兩端通過CAN通信線連接起來，對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收。CAN通信采用的是短幀結(jié)構(gòu)，總長度為32個字節(jié)（8"bit），主要有2種工作方式：波特率為9"600"bps時，為全雙工通信；波特率為1"156"bps時，為半雙工通信。在接收數(shù)據(jù)時，通過CAN總線接收控制器，將采集的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部發(fā)送或外部發(fā)送的方式發(fā)送至監(jiān)控中心，并將接收的數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控中心的人機(jī)界面上。

1.2"以太網(wǎng)通信模塊

以太網(wǎng)通信模塊負(fù)責(zé)將監(jiān)控中心下發(fā)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)至各充電樁，并在每一個充電樁上配置相應(yīng)的以太網(wǎng)通信模塊，便于監(jiān)控中心對各個充電樁的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。以太網(wǎng)通信模塊主要采用華為公司的CC2530芯片，該芯片是華為公司自主研發(fā)的一款以太網(wǎng)通信芯片，支持UDP、TCP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有極強的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力。在CC2530的硬件配置中，需要在其外部擴(kuò)展8路10/100"Mbps以太網(wǎng)物理接口和8路10/100"Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，同時還需要在CC2530外部擴(kuò)展一組RS485串行通信接口和一組UART通信接口，以滿足系統(tǒng)對以太網(wǎng)通信模塊的需求[2]。

2"系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1"服務(wù)器端應(yīng)用程序的開發(fā)

服務(wù)器端應(yīng)用程序是系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測與維護(hù)功能的核心，主要包括3部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)存儲程序和數(shù)據(jù)處理程序。數(shù)據(jù)采集程序主要負(fù)責(zé)通過CAN總線接收充電樁的相關(guān)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲程序負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；數(shù)據(jù)處理程序主要是對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理[3]。

2.2.1"權(quán)限管理

權(quán)限管理是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。針對不同的用戶，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶所處的權(quán)限級別來設(shè)置訪問控制策略，并且根據(jù)用戶所處的級別來控制用戶所能查看或操作的數(shù)據(jù)范圍，以實現(xiàn)不同權(quán)限級別用戶對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行不同程度的訪問。由于本系統(tǒng)中應(yīng)用程序與服務(wù)器端應(yīng)用程序之間采用TCP/IP通信方式進(jìn)行通信，因此，系統(tǒng)中需要實現(xiàn)對客戶端程序與服務(wù)器端應(yīng)用程序之間的訪問控制。在系統(tǒng)設(shè)計中，客戶端程序主要由客戶端和服務(wù)器端兩個部分組成。客戶端程序主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、保存和解析；服務(wù)器端應(yīng)用程序主要負(fù)責(zé)對客戶端發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并將分析結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸給客戶端。

2.2.2"訪問控制

訪問控制是指為了保證系統(tǒng)信息資源不被非法用戶利用或破壞，根據(jù)用戶的角色及其權(quán)限，對用戶訪問系統(tǒng)資源的授權(quán)、訪問權(quán)限和訪問時間等進(jìn)行的控制。在充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)中，對服務(wù)器端應(yīng)用程序的用戶進(jìn)行權(quán)限劃分，對用戶賬號進(jìn)行安全設(shè)置，以避免非授權(quán)用戶對系統(tǒng)資源的使用。針對充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)中不同用戶所具有的角色與相應(yīng)權(quán)限，可以進(jìn)行相應(yīng)的訪問控制。用戶在登錄到系統(tǒng)管理后臺時，服務(wù)器端應(yīng)用程序會根據(jù)用戶角色的不同賦予相應(yīng)的權(quán)限[4]。

2.2"數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，功能模塊劃分清晰，易于編程和調(diào)試。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、CAN通信模塊和GPRS通信模塊，其中，CAN通信模塊和GPRS通信模塊分別實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能。嵌入式充電樁如圖1所示。數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要包括權(quán)限管理、訪問控制等內(nèi)容。

3"通信協(xié)議的設(shè)計

3.1"主節(jié)點和從節(jié)點的數(shù)據(jù)域

CAN總線數(shù)據(jù)域定義了CAN總線控制器和從節(jié)點的地址及幀格式。CAN總線控制器的地址由網(wǎng)絡(luò)號（Node）和幀號（Frame）組成，主站和從節(jié)點的地址信息可以用來完成控制過程。

在CAN通信中，幀包括了不同的數(shù)據(jù)，每種數(shù)據(jù)都有自己對應(yīng)的幀號。當(dāng)數(shù)據(jù)幀開始時，CAN控制器首先檢查幀頭（Frame"Header）。如果發(fā)現(xiàn)幀格式不符合要求，則對幀頭進(jìn)行判斷；如果符合要求，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀發(fā)出后，CAN控制器首先檢查幀頭中的幀起始位（First）是否正確。如果是正確的，則可以繼續(xù)發(fā)送；如果是不正確的，則對幀頭進(jìn)行判斷。判斷方法為：若幀頭中含有幀起始位（First"Off）或校驗信息（Check"Information），則開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，否則等待下一個幀頭（First"Down）的到來[5]。

3.2"地址設(shè)置

CAN控制器從節(jié)點的地址格式由幀格式和CAN節(jié)點地址組成。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)幀長度為10位，每一位用來標(biāo)識一個CAN節(jié)點，將其分配到不同的總線段上。在CAN總線通信中，每個CAN節(jié)點都有一個唯一的標(biāo)識符（ID），即地址。因為在實際應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都是一個多種設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)，所以，我們采用了最小地址結(jié)構(gòu)來劃分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。不同設(shè)備之間采用這種地址結(jié)構(gòu)，可以保證數(shù)據(jù)幀的正確性。在主、從節(jié)點之間采用的是主站和從站地址分配格式，每個從站地址都有一個標(biāo)識符（ID），將從站地址和主節(jié)點地址相比較，就可以得到它們之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)主節(jié)點與從站通信時，主從節(jié)點都有一個唯一標(biāo)識符（ID）和一個校驗位來判斷該點是否為從站。如果是從站，則將其發(fā)送給主節(jié)點；如果不是從站，則將其發(fā)送給主節(jié)點。

4"系統(tǒng)功能

充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)的主要功能是對充電樁進(jìn)行實時監(jiān)測，通過采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對充電樁狀態(tài)的判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果對充電樁進(jìn)行控制或故障排除，避免因為充電樁出現(xiàn)異常情況而導(dǎo)致充電樁無法使用，進(jìn)而影響電動汽車的正常使用。其功能如下。

（1）對充電站內(nèi)部電路進(jìn)行實時監(jiān)控，保證充電樁電路的正常工作；（2）通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集終端的地址，實現(xiàn)對不同型號、不同電壓等級的充電站內(nèi)所有充電樁的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)模塊上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；（3）利用GPRS模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和現(xiàn)場智能終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，在客戶端，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控中心后，可以查看各個充電樁的實時運行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)[6]。

5"結(jié)語

綜上所述，隨著電動汽車的普及，充電樁在電動汽車行業(yè)中扮演著越來越重要的角色。然而，充電樁的使用需要定期進(jìn)行維護(hù)和更換，以確保其正常運行。在這一背景下，狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)的研究變得越來越重要。通過對充電樁進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程維護(hù)，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決故障，提高充電樁的使用壽命和可靠性。同時，遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)還可以減少人力物力成本，提高工作效率和服務(wù)質(zhì)量。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)將會更加智能化、高效化和便捷化。同時，也需要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，以滿足市場需求和用戶體驗。

參考文獻(xiàn)[1]"徐勝彬.交流充電樁的狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警[D].福州：福建工程學(xué)院，2023.

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[3]"張路.基于有限狀態(tài)機(jī)的直流充電樁檢測研究[D].銀川：北方民族大學(xué)，2023.

[4]"彭也.電動汽車共享充電樁系統(tǒng)設(shè)計[D].長沙：湖南大學(xué)，2022.

[5]"陳涵，鄭蔚蔚，葉必超.充電樁狀態(tài)監(jiān)測與遠(yuǎn)程維護(hù)技術(shù)探析[J].電力設(shè)備管理，2021（9）：221-223.

[6]"陸孟，楊朝磊.電動汽車充電樁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電子世界，2021（17）：91-93.