淺談校園電動自行車充電管理系統(tǒng)的設(shè)計及應用

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(shè)備的情況，本文設(shè)計了一個基于微*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(nèi)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*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(gòu)，給微*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*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(guān)鍵詞 ：電動自行車；智能充電器；微*平臺；管理系統(tǒng)

0、引言

近年來，電動自行車作為一種便捷、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(shè)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(guān)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(shè)備的建設(shè)。本文意在設(shè)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*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。現(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*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(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)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(guān)驅(qū)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(diào)制電路實現(xiàn)對開關(guān)驅(qū)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(nèi)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(jié)構(gòu)圖

STM32F103C8 芯片還帶有 2 個 12 位 16 通道AD 轉(zhuǎn)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(shè)計的復雜程度和設(shè)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。控制終端根據(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(guān)閉電源指令， 微控制器終控制固態(tài)繼電器關(guān)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(chǔ)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(qū)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，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(luò)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(shè)計

本系統(tǒng)智能充電器軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)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(zhuǎn)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?qū)崿F(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(luò)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?qū)ο蟮木幊陶Z言，能十分方便的編寫上位機控制軟件。控制端軟件分為 4 個功能模塊：界面模塊、控制模塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(shè)備的控制。網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用http 通信方式，調(diào)用后端服務器網(wǎng)絡(luò)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(shè)計

當前，微*應用已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪?的手*應用，用戶量龐大。2012 年，騰*公司推出微*公眾平臺， 宣傳口號是“再小的個體，也有自己的品牌”。微*公眾平臺可以幫助政*、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*公眾平臺的開發(fā)和維護費用較之傳統(tǒng)的手*應用有很大的優(yōu)勢，降低了前期開發(fā)成本。

微*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*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*公眾平臺的開發(fā)。

微*公眾號可以設(shè)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(nèi)容。另外對于 view 類型的菜單按鈕，微*客戶端會打開開發(fā)者在按鈕中填寫的URL，通過微*內(nèi)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。圖 6 為微*公眾平臺與開發(fā)者服務器信息交互流程圖。

本文基于微*公眾平臺開發(fā)了電動車智能充電系統(tǒng)微*客戶端。用戶通過該客戶端可以查看系統(tǒng)中充電設(shè)備的狀態(tài)， 并選擇空閑設(shè)備進行充電。另外，借助微*平臺提供的微*支付功能，本設(shè)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(shè)計降低了硬件設(shè)計的成本和設(shè)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*公眾平臺共用一個 JAVA 服務器。服務器采用SpringMVC 框架。SpingMVC 是近幾年發(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。圖 7 是服務器后臺架構(gòu)圖。

前端采用 AngularJs 框架構(gòu)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(shù)，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(gòu)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。圖 8 是系統(tǒng)管理后臺界面圖。

7.安科瑞電動自行車充電樁平臺介紹（含選型）

7.1平臺結(jié)構(gòu)

7.2平臺主要功能

7.3設(shè)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。

7.4功能描述： 

① 電瓶車智能充電樁大可外接 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(shè)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(shè)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(shè)備進行充電。出廠默認設(shè)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(shè)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(shè)定的一定時間內(nèi)關(guān)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(shè)定的一定時間內(nèi)關(guān)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(shè)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(nèi)過溫保護，也可根據(jù)需求設(shè)置夜間禁止充電時間。

8、結(jié)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(shè)備與智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)設(shè)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*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(shè)定閾值時，可以及時關(guān)閉充電設(shè)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(guān)閉電源，防止過沖，延長電池使用壽命。實踐證明，本設(shè)計穩(wěn)定可靠，可解決校園內(nèi)電動車充電困難的問題，并可將該設(shè)計向居民區(qū)擴展，具有良好的商業(yè)推廣價值。