智慧校園建設方案之基于RS-485總線的充電樁設計方案

（作者： 陸燦楠 葉樺 仰燕蘭 闕宇翔 在此特別鳴謝）摘 要 ：針對目前大學園區(qū)電動自行車數(shù)量大量增加，且園區(qū)缺少安全可靠的充電設備的情況，本文設計了一個基于微信公眾平臺的電動自行車充電管理系統(tǒng)，能夠很好的解決校園內電動自行車充電困難的問題，機電消除私拉亂接電線的安全隱患。電動車充電管理系統(tǒng)分為充電站智能終端、服務器后臺、微信客戶端、 網(wǎng)頁管理終端等。充電站智能終端采用 RS-485 總線實現(xiàn)與智能充電器的通信，實時掌握充電狀態(tài)。后臺服務器采用 MVC 架構，給微信客戶端和網(wǎng)頁版管理后臺提供查詢接口，實時監(jiān)測充電狀態(tài)。該管理系 統(tǒng)還實現(xiàn)了微信支付功能，可以實現(xiàn)對充電的按時按量收費。實踐證明，該充電管理系統(tǒng)能夠很好的解決當前校園充電亂象，具有良好的市場前景。

關鍵詞 ：電動自行車；智能充電器；微信平臺；管理系統(tǒng)

0引言

近年來，電動自行車作為一種高效、便捷、價格低廉的交通工具，越來越受到人們的歡迎，尤其是在大學校園，購買電動車也成為一種趨勢。但是大學園區(qū)宿舍不同于普通居民宿舍，電動車充電設備并不齊全，在大學宿舍隨意亂拉電線、私接電線給電動車充電的現(xiàn)象屢見不鮮。這種現(xiàn)象的長期存在，具有很大的火災隱患。根據(jù)消防部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在所有的火災事故中，電動車充電造成的事故占10%，造成了巨大的損失。目前，有關城市已經(jīng)開始籌建相應的電動自行車充電棚以解決電動自行車充電困難的問題。大學校園作為電動自行車新的市場，需要逐步完善充電設備的建設。本文意在設計一個電動自行車充電管理系統(tǒng)，按照充電時間以及充電量進行計費，通過微信客戶端實現(xiàn)對充電狀態(tài)的實時監(jiān)測，能很好的解決校園電動車充電困難的問題。

1電池充電原理

鉛蓄電池充電主要有兩種模式，恒壓式充電和三段式充電。恒壓式充電是指在充電時在蓄電池的兩極施加恒定的電壓，在充電過程中電壓保持恒定，隨著蓄電池兩端電壓的升高，充電電流逐漸降低，這種充電方式電解水很好，可以防止對電池的過充?，F(xiàn)在市面上一些快速充電方案多采用這種方式。但是恒壓充電在充電初期，由于蓄電池兩端電動勢較低，初始充電電流很大，會對電池的壽命產(chǎn)生很大影響，另外容易使蓄電池兩端的極板彎曲，造成電池的永久報廢。

恒壓充電的充電電壓、電流曲線如圖 1 所示。

圖 1 恒壓充電電壓電流曲線

三段式充電包括恒流、恒壓、降壓浮動充電三個階段。在恒流階段，充電電流保持恒定，電池電壓逐漸上升，充入電量也快速上升。當電池電壓達到一定閾值時，充電裝置進入恒壓充電階段，此時充電電壓保持恒定，充電電流逐漸下降。當充電電流下降到浮充轉換電流后，進入浮動充電階段， 此時可認為電池已基本充滿。三段式充電方式在充電初期采用恒流充電方式，避免了恒壓充電在充電初期的大電流，能很好的保護電池。目前，市面上大多數(shù)的電動自行車充電模塊多采用三段式充電方式。三段式充電的充電電壓、電流曲線如圖 2 所示。

圖 2 三段式充電電壓電流曲線

2充電模塊硬件設計

通過分析恒壓式充電和三段式充電優(yōu)缺點，本文的智能充電模塊采用三段式充電方式。智能充電模塊硬件結構圖如圖 3 所示。

市電220V交流電經(jīng)整流濾波電路變成直流，后經(jīng)開關驅動電路斬成方波，再經(jīng)過高頻變壓、濾波電路實現(xiàn)對鉛蓄電池的充電。恒壓控制電路和恒流控制電路通過對電壓、電流的采樣，控制脈寬調制電路實現(xiàn)對開關驅動電路的控制，使智能充電器對電池的充電工作在恒壓、恒流、浮壓充電模式。

模塊硬件主芯片采用意法半導體公司的STM32F103C8T6微控制器。該芯片最高可工作在 72MHz，具有三級流水線。該芯片具有64KB閃存程序存儲器和20KB 內部 SRAM。它帶有3個異步URAT通信接口，支持全雙工通信，通過在芯片外圍添加MAX485芯片可以將智能充電器接入485總線，實現(xiàn)和智能控制終端的主從通信。

圖 3 智能充電模塊硬件結構圖

STM32F103C8 芯片還帶有2個12位16通道AD 轉換模塊，能夠滿足對充電電壓、電流的采樣要求，不需要采用外接AD模塊，降低了系統(tǒng)設計的復雜程度和設計成本。

微控制器將采集的電壓、電流信息經(jīng) RS485 總線實時輸出給控制終端?？刂平K端根據(jù)電壓、電流信息，分析電池充電狀態(tài)，當電池電量充滿時，控制終端發(fā)送關閉電源指令，微控制器最終控制固態(tài)繼電器關閉電源，防止對電池的過沖。

3 通信協(xié)議

本文采用 RS-485 總線通信接口實現(xiàn)智能充電器與數(shù)據(jù)終端的主從通信。RS485 總線通信標準是美國電子工業(yè)協(xié)會在 RS-422 標準基礎上研究出的通信協(xié)議。RS485 采用差分信號邏輯，接口采用平衡驅動器和差分接收器組合，具有很強的抗干擾性能。RS-485 擁有多站能力，連接多達128個收發(fā)器，并且具備較遠的傳輸距離，在通信速率不大于 100kbs 的條件下，有效傳輸距離不小于1200m。

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議本文采用 Modbus 通信協(xié)議。Modbus 通信協(xié)議是 Modition 公司倡導的一種通信規(guī)約，它采用主從問答方式，是一種標準、開放的網(wǎng)絡通信協(xié)議，目前在RS232和 RS485 通信過程中，廣泛采用這種協(xié)議。Modbus 通信協(xié)議有兩種傳輸方式，Modbus ASCII 和 Modbus RTU。ASCII 模式中的數(shù)據(jù)采用 ASCII 碼表示，消息中的每 8 位字節(jié)作為兩個 ASCII 發(fā)送，采用 LRC 數(shù)據(jù)校驗方式。RTU 模式中數(shù)據(jù)采用非壓縮 BCD 碼方式，傳輸數(shù)據(jù)中每 8 位字節(jié)分為2 個 4 位BCD 碼傳輸，相比于ASCII 模式有更高的傳輸密度， RTU 模式采用 CRC 進行數(shù)據(jù)校驗 。目前市場上大多數(shù)通信儀表多采用Modbus RTU 方式，為保證硬件兼容性，本文采用RTU 通信模式。圖 4 為 Modbus RTU 方式消息幀格式。

圖 4 Modbus RTU 方式消息幀格式

4 智能充電器軟件設計

本系統(tǒng)智能充電器軟件設計采用模塊化設計方式，主要包括 AD 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字濾波模塊、RS-485 通信模塊， 以及充電電源的開合控制。

系統(tǒng)上電后，微控制器讀取各種初始化參數(shù)，并啟動 AD 轉換采集電壓、電流數(shù)據(jù) , 并通過 RS485 總線將充電數(shù)據(jù)實時傳送給控制終端。系統(tǒng)采用中斷方式監(jiān)測控制終端發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對充電電源的開合控制。

本文采用平均濾波算法對采集電壓電流數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，能有效的濾除隨機干擾和電網(wǎng)電壓波動造成的影響。軟件程序流程圖如圖 5 所示。

圖 5 智能充電器軟件流程圖

5 控制終端

本文的控制終端采用 H290-1900J 工控電腦。該控制器采用 Windows 7 系統(tǒng)，可方便編寫程序實現(xiàn)和智能硬件的通信。H290-1900J 帶有 300M 無線網(wǎng)卡，可以實現(xiàn)和后端服務器的網(wǎng)絡通信。它還帶有串口通信模塊可以掛載RS-485 總線實現(xiàn)和智能硬件的主從通信。

控制軟件采用 C# 作為編程語言，C# 是微軟推出的面向對象的編程語言，能十分方便的編寫上位機控制軟件?？刂贫塑浖譃?4 個功能模塊：界面模塊、控制模塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡通信模塊。界面模塊實現(xiàn)良好的用戶界面，方便管理員進行信息輸入以及相關參數(shù)的查看。串口通信模塊通過RS-485 總線實現(xiàn)和總線上各個子模塊的通信，并實現(xiàn)對從設備的控制。網(wǎng)絡通信模塊采用http 通信方式，調用后端服務器網(wǎng)絡通信接口，實時傳送充電狀態(tài)參數(shù)并實現(xiàn)命令的收發(fā)。

6服務器設計

當前，微信應用已經(jīng)成為人們日常生活中不可或缺的手機應用，用戶量龐大。2012 年，騰訊公司推出微信公眾平臺， 宣傳口號是“再小的個體，也有自己的品牌”。微信公眾平臺可以幫助政府、媒體、企業(yè)、組織和個人進行品牌推廣，減少運營成本。另外微信公眾平臺的開發(fā)和維護費用較之傳統(tǒng)的手機應用有很大的優(yōu)勢，降低了前期開發(fā)成本。

微信公眾賬號分為訂閱號和服務號兩種類型，它們在功能和用途上有比較大的不同，訂閱號主要是面向媒體和個人， 方便為用戶提供資訊和信息；服務號主要是面向企業(yè)和組織， 為用戶提供管理和業(yè)務服務。本文申請功能更加豐富的服務號進行微信公眾平臺的開發(fā)。

微信公眾號可以設置自定義菜單，使公眾號成為一個輕量級的應用。自定義菜單提升了公眾賬號的交互屬性，用戶點擊自定義菜單就可以獲取相應的內容。另外對于 view 類型的菜單按鈕，微信客戶端會打開開發(fā)者在按鈕中填寫的URL，通過微信內置的瀏覽器與web app 進行交互，方便用戶快速進入網(wǎng)頁應用。

本文基于微信公眾平臺開發(fā)了電動車智能充電系統(tǒng)微信客戶端。用戶通過該客戶端可以查看系統(tǒng)中充電設備的狀態(tài)， 并選擇空閑設備進行充電。另外，借助微信平臺提供的微信支付功能，本設計可以實現(xiàn)在線按時付費，較之傳統(tǒng)的投幣式和刷卡式付費方式，本設計降低了硬件設計的成本和設計難度，具有很強的擴展性。

為方便管理者對系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理，本文還實現(xiàn)了網(wǎng)頁版管理后臺。網(wǎng)頁版管理后臺采用前后端分離方式， 后端和微信公眾平臺共用一個 JAVA 服務器。服務器采用SpringMVC 框架。SpingMVC 是最近幾年發(fā)展起來的一個 MVC 框架，很好的體現(xiàn)了分層的思想，即模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller）。MVC 模式使軟件很好的分層，使程序更加容易維護。MVC 模式各部分都有各自的作用，模型層控制數(shù)據(jù)的存儲以及軟件的業(yè)務邏輯。視圖層用來提供用戶界面。控制器是模型層和視圖層的橋梁，用來控制數(shù)據(jù)在視圖層的流動。

前端采用 AngularJs 框架構建業(yè)務邏輯。AngularJs 是一個前端 MVVM 框架，借助它并與其它 Web 技術，如HTML、CSS、JavaScript 等配合使用，能夠使 web 應用開發(fā)比以往更加簡單，便捷。借助 AngularJs 雙向數(shù)據(jù)綁定以及依賴注入的特性，降低了構建前端應用的難度。網(wǎng)頁版管理后臺主要實現(xiàn)了用戶管理、充電數(shù)據(jù)管理，充電狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)推送等功能。另外管理后臺還對充電數(shù)據(jù)進行分析，生成充電狀態(tài)曲線，便于管理者及時發(fā)現(xiàn)充電異常情況。

7.安科瑞電動自行車充電樁平臺介紹（含選型）

7.1平臺結構

7.2設備選型：

ACX10A-YH 刷卡掃碼充電，刷卡充電需要在管理處預存電費充值后進行刷卡充電，也可接入充電樁管理云平臺通過掃碼充電。

7.3功能描述：

① 電瓶車智能充電樁最大可外接 10 路插座，每個插座只支持一臺電瓶車通過車配充電器充電。

② 電瓶車智能充電樁可支持刷卡、掃碼兩種付費充電模式，具體設備支付功能以訂貨要求為準。掃碼充電功能需與云平臺聯(lián)網(wǎng)后使用。

③ 電瓶車智能充電樁具備語音播報功能。

④ 電瓶車智能充電樁可以按時間或電量充電。

⑤ 功率識別，電瓶車智能充電樁具備檢測大功率負載功能，可以設定功率報警值，達到報警值時會斷開對應充電回路，防止用戶私接插線板給多臺電瓶車充電或大功率設備進行充電。出廠默認設定300W。

⑥ 電瓶車智能充電樁支持多次刷卡或掃碼后，再按鍵充電的功能，充電時間將自動累加。出廠默認設定 1 次，即刷卡或掃碼1次按鍵后，才能再次刷卡或掃碼。

⑦ 電瓶車智能充電樁可開啟免費充電功能

⑧ 故障回路識別，電瓶車智能充電樁可判斷繼電器故障或計量故障導致的故障回路，顯示該回路故障信息，斷開回路。

⑨ 斷電記憶，當出現(xiàn)電網(wǎng)停電時，來電恢復后可繼續(xù)使用剩余的時間充電。

⑩ 空載保護，用戶拔掉充電器或充電器插頭未插緊，若還有剩余時間或電量，則會發(fā)出報警，同時在已設定的一定時間內關閉該回路供電。

? 充滿自停，電瓶車充滿電量后，若還有剩余時間或電量，則會發(fā)出報警，同時在已設定的一定時間內關閉該回路供電。

? 短路保護，電瓶車智能充電樁每個出線回路均設置有熔斷器保護，在發(fā)生短路意外時，會使熔斷器熔斷。

? 箱內過溫保護，也可根據(jù)需求設置夜間禁止充電時間。

8結束語：

本文實現(xiàn)了一種基于云平臺的電動車智能管理系統(tǒng)。通過 RS-485 接口總線將智能設備與智能網(wǎng)關設備進行聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關設備通過與后臺服務器的通信將各個充電器節(jié)點接入公有云，實現(xiàn)智能硬件的聯(lián)網(wǎng)化。借助微信公眾平臺實現(xiàn)對充電狀態(tài)的監(jiān)控，用戶可以隨時查看充電狀態(tài)。服務器實時監(jiān)測充電電壓和電流，當充電負荷超過設定閾值時，可以及時關閉充電設備，防止危險情況的發(fā)生，另外對電流參數(shù)的監(jiān)測可以及時關閉電源，防止過沖，延長電池使用壽命。實踐證明，本設計穩(wěn)定可靠，具有良好的商業(yè)推廣價值。