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摘要：圍繞基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)自行車充電樁智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的軟硬件組成、各部分之間的關(guān)聯(lián)，以及該系統(tǒng)的工作原理、相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，主要包括電動(dòng)車充電樁的智能控制方法、充電樁與手機(jī)的通信方法，手機(jī)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞:充電樁；單片機(jī)；智能手機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)；服務(wù)器

1 引言

電動(dòng)自行車在中國有著巨大的使用量，但是電動(dòng)車電池的壽命卻不夠理想，當(dāng)然電池的壽命和很多因素有關(guān)。其中一個(gè)很重要的原因是充電器造成的，比如夏天過充，冬天欠充，舊電池充電不轉(zhuǎn)燈等，普通充電樁只有幾個(gè)簡單的狀態(tài)指示燈，無法*了解充電狀態(tài)。如果能了解充電過程，并將充電數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到充電樁廠家服務(wù)器，廠家通過大數(shù)據(jù)分析，對(duì)充電樁進(jìn)行改進(jìn)，則會(huì)有效提高充電器質(zhì)量。同時(shí)用戶也可以通過手機(jī)詳細(xì)了解充電狀態(tài)，并通過服務(wù)器返回的充電參數(shù)調(diào)整用戶充電樁的參數(shù)，則會(huì)讓充電樁更加智能化。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)三位一體，構(gòu)造了一套完整的電動(dòng)自行車充電樁智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

如圖1所示，充電樁中裝有單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量電池電壓電流以及環(huán)境溫度等參數(shù)。單片機(jī)利用藍(lán)牙串口模塊與智能手機(jī)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行無線通信，上傳電池充放電數(shù)據(jù)，或者下載本電池的充電參數(shù)，智能手機(jī)再通過互聯(lián)網(wǎng)與充電樁廠家的服務(wù)器進(jìn)行通信，上傳本電池的充放電數(shù)據(jù)，或者從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中下載針對(duì)本電池的新的充電參數(shù)。充電樁廠家的專家通過分析用戶電池的充放電數(shù)據(jù)，研究出新的充電樁工作過程，并提出針對(duì)不同電池的充電參數(shù)，并上傳服務(wù)器，供用戶下載。同時(shí)，廠家還可以根據(jù)用戶電池的變化情況，了解新的充電參數(shù)是否對(duì)電池有效。當(dāng)然廠家也可以做很多事情，比如充電樁的質(zhì)量跟蹤，電池的壽命跟蹤等，為研究更好的充電樁提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。有了這個(gè)系統(tǒng)，用戶和企業(yè)就可以實(shí)現(xiàn)交流，充電樁變得更加智能化，相當(dāng)于把專家請(qǐng)回家，隨時(shí)提供專業(yè)指導(dǎo)，并提高充電效果，延長電池壽命，要完成這個(gè)系統(tǒng)，需要對(duì)充電樁，智能手機(jī)，服務(wù)器這3部分設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件，另外充電樁內(nèi)部還要有相應(yīng)的硬件電路配合，下面具體說明這些部分的設(shè)計(jì)。

3 充電樁相關(guān)電路

為了能實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)通信，充電樁在傳統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上加入單片機(jī)，當(dāng)然電路可以整體設(shè)計(jì)，也可以在原有的普通充電樁電路上進(jìn)行改造，這里以改造為例，列出與單片機(jī)相關(guān)的電路，其他電路和原充電樁相同，具體電路如圖2所示。

圖2 充電樁單片機(jī)相關(guān)電路圖

3.1電源電路

充電樁輸出經(jīng)過防倒灌二極管D1加到充電電池DC1上，電池上的48V電壓經(jīng)過MK1模塊降壓到直流2V，MK1 是開關(guān)模式的DC/DC降壓模塊，效率高，適用于較高的直流電壓的降壓，12V電壓一路加到運(yùn)放IC2的電源上；另一路加到集成穩(wěn)壓電路IC3輸入端，IC3是傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓集成電路，型號(hào)為LM7805,輸出5V直流電為單片機(jī)IC1供電，單片機(jī)型號(hào)為國產(chǎn)的STC15w408as，采用 DIP16腳封裝，是增強(qiáng)型51系列單片機(jī)，有8路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，有硬件PWM功能，還有串行口，定時(shí)器等功能，非常適合本電路使用。

3.2信號(hào)測(cè)量電路

電池電壓經(jīng)過R5，R7分壓后加到單片機(jī)P1.0端口，利用單片機(jī)的ADC功能測(cè)量電池電壓，充電電流經(jīng)過電流采樣電阻 R1 后形成采樣電壓經(jīng)過單電源運(yùn)算放大器 LM358 的放大后加到單片機(jī)的 P1.1端口，用來測(cè)量充電電流，7805輸出的5V電壓經(jīng)過R6,RT分壓后加到單片機(jī)P1.2端口，用于環(huán)境溫度的測(cè)量，RT為負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻，常溫25攝氏度時(shí)的阻值為10k歐。

3.3充電控制電路

當(dāng)服務(wù)器傳回新的充電參數(shù)后，充電樁應(yīng)該用新的充電參數(shù)來控制充電過程，充電過程的控制主要以傳統(tǒng)的三段式充電模式為主，該模式先恒流，后恒壓，涓流充電，是當(dāng)今大多數(shù)充電樁的標(biāo)準(zhǔn)模式。 這種模式不用單片機(jī)也可以運(yùn)行，單片機(jī)的作用是可以根據(jù)環(huán)境溫度，電池的新舊狀態(tài)，以及充電過程中出現(xiàn)的各種情況做出微調(diào)，以使電池處在充電狀態(tài)。微調(diào)的方法是單片機(jī)輸出一個(gè)模擬電壓去控制充電器穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，也就是控制穩(wěn)壓集成電路 TL431 的反饋引腳，從而調(diào)整恒壓階段的電壓值。比如說環(huán)境溫度低，則恒壓值提高，環(huán)境溫度高，則恒壓值降低，若充電不轉(zhuǎn)燈，則降低恒壓值，使充電樁及時(shí)轉(zhuǎn)燈。控制了恒壓值，即控制了充電過程，由于單片機(jī)沒有DAC功能，所以利用單片機(jī)的硬件PWM功能，在P3.2引腳輸出PWM波，經(jīng)過R8,C2,R9,C3兩級(jí)RC濾波后產(chǎn)生一個(gè)直流電壓，通過R10電阻加到TL431的反饋引腳上，從而實(shí)現(xiàn)充電控制功能。

3.4物聯(lián)網(wǎng)電路

為了能實(shí)現(xiàn)充電器連上互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，讓單片機(jī)通過藍(lán)牙串口模塊和手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙組網(wǎng)， 圖3中MK2即是藍(lán)牙串口模塊，該模塊的 RXD,TXD分別連到單片機(jī)的 P3.0和 P3.1引腳，與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，模塊上的2.4G天線和手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行無線通信，組成物聯(lián)網(wǎng)，如果有多個(gè)充電器，則多個(gè)充電器各自帶有藍(lán)牙模塊，用戶可以操作手機(jī)軟件去主動(dòng)連接配對(duì)各個(gè)充電器，和他們通信，要注意的是，由于藍(lán)牙串口模式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)，所以手機(jī)每次只能連接一個(gè)充電器。

4 單片機(jī)軟件

單片機(jī)負(fù)責(zé)與手機(jī)進(jìn)行串口通信，同時(shí)測(cè)量溫度，電流，電壓等參數(shù)，并將這些參數(shù)在用戶的控制下傳送到手機(jī)，并根據(jù)手機(jī)傳來的充電參數(shù)進(jìn)行充電控制，其主要流程如圖3所示。

圖3 單片機(jī)程序流程圖

由圖3可見，程序主要分兩部分，一部分為主程序，主要負(fù)責(zé)測(cè)量電壓、電流、溫度等參數(shù)，以及進(jìn)行充電控制，這個(gè)過程循環(huán)進(jìn)行，直到關(guān)閉電源結(jié)束，另一部分為串行口中斷程序，當(dāng)用戶通過手機(jī)藍(lán)牙連接電路中的藍(lán)牙串口模塊后，用戶只要有數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)就會(huì)產(chǎn)生串口接收中斷，單片機(jī)在中斷函數(shù)中接收用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要，將單片機(jī)中的參數(shù)送回到用戶手機(jī)上，單片機(jī)軟件要完成3種事，測(cè)量、控制及通信，由于篇幅關(guān)系，詳細(xì)程序不再列出，本軟件利用keil C開發(fā)，用C語言設(shè)計(jì)，易讀性及可移值性好，程序短小，穩(wěn)定性好。

5 手機(jī)軟件

當(dāng)前流行的智能手機(jī)主要以安卓系統(tǒng)，蘋果系統(tǒng)，以及微軟系統(tǒng)為主，根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)不同平臺(tái)的軟件系統(tǒng)，雖然平臺(tái)不同，但要完成的任務(wù)及流程是一樣的，下面以安卓系統(tǒng)為例，本軟件用Google公司開發(fā)的ADT Bundle開發(fā)工具設(shè)計(jì)，該工具基于Java開發(fā)，自帶 Eclipes工具，并包括了Android開發(fā)庫，安裝使用都很方便，手機(jī)部分的軟件主要負(fù)責(zé)和單片機(jī)通信，以及通過互連網(wǎng)和遠(yuǎn)程服務(wù)器通信，另外就是和用戶的交互，以及充電曲線及參數(shù)的顯示，和單片機(jī)通信的方法是通過藍(lán)牙串口的方式進(jìn)行，和服務(wù)器通信的方法主要以B/S結(jié)構(gòu)為主，就是服務(wù)器啟動(dòng)Web服務(wù)，并啟用asp腳本功能,手機(jī)客戶端通過瀏覽器訪問服務(wù)器，上傳下載充電數(shù)據(jù)，這種結(jié)構(gòu)開放性強(qiáng)，軟件開發(fā)難度低，技術(shù)成熟度高，軟件流程如圖4所示。

圖4 手機(jī)端軟件流程圖

6 服務(wù)器軟件

服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)用戶充電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，專家設(shè)定的充電控制參數(shù)的保存，以及用戶的交互界面，以提供數(shù)據(jù)的上傳和下載，本服務(wù)器安裝Windows 2003 Server版操作系統(tǒng)，安裝 SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，建立用戶信息表，充電信息表，用ASP技術(shù)開發(fā)，可以方便用戶交互，上傳下載充電數(shù)據(jù)，具體流程不再詳述。

7 安科瑞電動(dòng)自行車充電樁及充電樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

7.1電動(dòng)自行車充電樁產(chǎn)品介紹

電動(dòng)自行車智能充電樁是新一代電動(dòng)自行車智能充電設(shè)備，具有交流輸出電源遠(yuǎn)程通斷控制、充電控制、電度計(jì)量、按時(shí)計(jì)費(fèi)功能于一體的交流供電裝置，該裝置能通過電動(dòng)自行車的車配充電器為電動(dòng)自行車充電。支付方式可選擇投幣、刷卡、掃碼使用，設(shè)備內(nèi)部可引出10路出線至插座，通過電動(dòng)自行車的車配充電器完成充電?？蛇B接云平臺(tái)給用戶提供可靠及智能化的充電服務(wù)。

7.2電動(dòng)自行車充電樁技術(shù)參數(shù)

7.3電動(dòng)自行車充電樁選型表

7.4電動(dòng)自行車充電樁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

7.4.1資源管理

充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁異常交易監(jiān)測(cè)。

7.4.2交易結(jié)算

充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表。

7.4.3用戶管理

用戶注冊(cè)，用戶登錄，用戶賬戶管理

7.4.4充電服務(wù)

充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等。

7.4.5小程序

掃碼充電，賬單支付等功能。

7.4.6數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析。

8 安裝應(yīng)用案例

電瓶車充電樁在江陰某小區(qū)的應(yīng)用

9 業(yè)務(wù)模式 

9.1數(shù)據(jù)托管方式

安科瑞指導(dǎo)用戶完成充電樁的安裝，用戶的充電樁將數(shù)據(jù)上傳至安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)，委托安科瑞管理，按約定收取托管費(fèi)用。

9.2用戶自建平臺(tái)

平臺(tái)建在用戶監(jiān)控室內(nèi)（或地點(diǎn)），硬件客戶可以按照我方推薦設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)采購或者租用云服務(wù)器。安科瑞為客戶完成平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)管隊(duì)伍的培訓(xùn)。 

10 結(jié)語

本系統(tǒng)綜合了充電技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)、智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、各種系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，符合當(dāng)今信息化，智能化社會(huì)的潮流，為企業(yè)產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)，提高客戶服務(wù)質(zhì)量，自動(dòng)化收集產(chǎn)品使用信息等方面起到了較好的作用，由于該系統(tǒng)能大范圍收集充電器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及電池工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，為企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的分析改進(jìn)提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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