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浅谈校园电动自行车充电管理系统的设计及应用

发布时间:2020-06-08   点击次数:202次

  摘 要

  针对目前大学园区电动自行车数量大量增加,且园区缺少安全可靠的充电设备的情况,本文设计了一个基于公众平台的电动自行车充电管理系统,能够很好的解决校园内电动自行车充电困难的问题,彻底消除私拉乱接电线的安全隐患。电动车充电管理系统分为充电站智能终端、服务器后台、客户端、 网页管理终端等。充电站智能终端采用 RS-485 总线实现与智能充电器的通信,实时掌握充电状态。后台服务器采用 MVC 架构,给客户端和网页版管理后台提供查询接口,实时监测充电状态。该管理系统还实现了多种支付功能,可以实现对充电的按时按量收费。实践证明,该充电管理系统能够很好的解决当前校园充电乱象,具有良好的市场前景。

  关键词:电动自行车;智能充电器;电动车充电桩;管理系统

  0引言

  近年来,电动自行车作为一种高效、便捷、价格低廉的 交通工具,越来越受到人们的欢迎,尤其是在大学校园,购买电动车也成为一种趋势。但是大学园区宿舍不同于普通居民宿舍,电动车充电设备并不齐全,在大学宿舍随意乱拉电线、私接电线给电动车充电的现象屡见不鲜。这种现象的长 期存在,具有很大的火灾隐患。根据消防部门的数据统计, 在所有的火灾事故中,电动车充电造成的事故占 10%,造成了巨大的损失。目前,有关城市已经开始筹建相应的电动自 行车充电棚以解决电动自行车充电困难的问题。大学校园作 为电动自行车新的市场,需要逐步完善充电设备的建设。本文意在设计一个电动自行车充电管理系统,按照充电时间以 及充电量进行计费,通过客户端实现对充电状态的实时监测,能很好的解决校园电动车充电困难的问题。

  1电池充电原理

  铅蓄电池充电主要有两种模式,恒压式充电和三段式充电。恒压式充电是指在充电时在蓄电池的两极施加恒定的电压,在充电过程中电压保持恒定,随着蓄电池两端电压的升高,充电电流逐渐降低,这种充电方式电解水很好,可以防止对电池的过充。现在市面上一些快速充电方案多采用这种方式。但是恒压充电在充电初期,由于蓄电池两端电动势较低,初始充电电流很大,会对电池的寿命产生很大影响,另外容易使蓄电池两端的极板弯曲,造成电池的报废。

  恒压充电的充电电压、电流曲线如图 1 所示。

  图 1 恒压充电电压电流曲线

  三段式充电包括恒流、恒压、降压浮动充电三个阶段。在恒流阶段,充电电流保持恒定,电池电压逐渐上升,充入电量也快速上升。当电池电压达到一定阈值时,充电装置进入恒压充电阶段,此时充电电压保持恒定,充电电流逐渐下降。当充电电流下降到浮充转换电流后,进入浮动充电阶段, 此时可认为电池已基本充满。三段式充电方式在充电初期采用恒流充电方式,避免了恒压充电在充电初期的大电流,能很好的保护电池。目前,市面上大多数的电动自行车充电模块多采用三段式充电方式。三段式充电的充电电压、电流曲线如图 2 所示。

  图 2 三段式充电电压电流曲线

  2充电模块硬件设计

  通过分析恒压式充电和三段式充电优缺点,本文的智能充电模块采用三段式充电方式。智能充电模块硬件结构图如图 3 所示。

  市电 220V 交流电经整流滤波电路变成直流,后经开关驱动电路斩成方波,再经过高频变压、滤波电路实现对铅蓄电池的充电。恒压控制电路和恒流控制电路通过对电压、电流的采样,控制脉宽调制电路实现对开关驱动电路的控制,使智能充电器对电池的充电工作在恒压、恒流、浮压充电模式。

  模块硬件主芯片采用意法半导体公司的 STM32F103C8T6 微控制器。该芯片可工作在 72MHz,具有三级流水线。该芯片具有 64KB 闪存程序存储器和 20KB 内部 SRAM。它带有3 个异步 URAT 通信接口,支持全双工通信,通过在芯片外围添加MAX485 芯片可以将智能充电器接入 485 总线,实现和智能控制终端的主从通信。

  图 3 智能充电模块硬件结构图

  STM32F103C8 芯片还带有 2 个 12 位 16 通道AD 转换模块, 能够满足对充电电压、电流的采样要求,不需要采用外接 AD 模块,降低了系统设计的复杂程度和设计成本。

  微控制器将采集的电压、电流信息经 RS485 总线实时输出给控制终端。控制终端根据电压、电流信息,分析电池充电状态,当电池电量充满时,控制终端发送关闭电源指令, 微控制器最终控制固态继电器关闭电源,防止对电池的过冲。

  3 通信协议

  本文采用 RS-485 总线通信接口实现智能充电器与数据终端的主从通信。RS485 总线通信标准是美国电子工业协会在 RS-422 标准基础上研究出的通信协议。RS485 采用差分信号逻辑,接口采用平衡驱动器和差分接收器组合,具有很强的抗干扰性能。RS-485 拥有多站能力,连接多达 128 个收发器,并且具备较远的传输距离,在通信速率不大于 100kbs 的条件下,有效传输距离不小于 1200m。

  数据链路层协议本文采用 Modbus 通信协议。Modbus 通信协议是 Modition 公司倡导的一种通信规约,它采用主从问答方式,是一种标准、开放的网络通信协议,目前在 RS232 和 RS485 通信过程中,广泛采用这种协议。Modbus 通信协议有两种传输方式,Modbus ASCII 和 Modbus RTU。ASCII 模式中的数据采用 ASCII 码表示,消息中的每 8 位字节作为两个 ASCII 发送,采用 LRC 数据校验方式。RTU 模式中数据采用非压缩 BCD 码方式,传输数据中每 8 位字节分为2 个 4 位BCD 码传输,相比于ASCII 模式有更高的传输密度, RTU 模式采用 CRC 进行数据校验 。目前市场上大多数通信仪表多采用Modbus RTU 方式,为保证硬件兼容性,本文采用

  RTU 通信模式。图 4 为 Modbus RTU 方式消息帧格式。

  图 4 Modbus RTU 方式消息帧格式

  4 智能充电器软件设计

  本系统智能充电器软件设计采用模块化设计方式,主要包括 AD 数据采集模块、数字滤波模块、RS-485 通信模块, 以及充电电源的开合控制。

  系统上电后,微控制器读取各种初始化参数,并启动 AD 转换采集电压、电流数据 , 并通过 RS485 总线将充电数据实时传送给控制终端。系统采用中断方式监测控制终端发送的控制数据,实现对充电电源的开合控制。

  本文采用平均滤波算法对采集电压电流数据进行数字滤波,能有效的滤除随机干扰和电网电压波动造成的影响。软件程序流程图如图 5 所示。

  图 5 智能充电器软件流程图

  5 控制终端

  本文的控制终端采用 H290-1900J 工控电脑。该控制器采用 Windows 7 系统,可方便编写程序实现和智能硬件的通信。H290-1900J 带有 300M 无线网卡,可以实现和后端服务器的网络通信。它还带有串口通信模块可以挂载RS-485 总线实现和智能硬件的主从通信。

  控制软件采用 C# 作为编程语言,C# 是微软推出的面向对象的编程语言,能十分方便的编写上位机控制软件。控制端软件分为 4 个功能模块:界面模块、控制模块、串口通信模块、网络通信模块。界面模块实现良好的用户界面,方便管理员进行信息输入以及相关参数的查看。串口通信模块通过RS-485 总线实现和总线上各个子模块的通信,并实现对从设备的控制。网络通信模块采用http 通信方式,调用后端服务器网络通信接口,实时传送充电状态参数并实现命令的收发。

  6服务器设计

  当前,APP应用已经成为人们日常生活中不可或缺的手机应用,用户量庞大。2012 年,腾讯公司推出公众平台, 宣传口号是“再小的个体,也有自己的品牌”。APP公众平台可以最大限度的帮助政府、媒体、企业、组织和个人进行品牌推广,减少运营成本。另外APP公众平台的开发和维护费用较之传统的手机应用有很大的优势,极大的降低了前期开发成本。

  公众账号分为订阅号和服务号两种类型,它们在功能和用途上有比较大的不同,订阅号主要是面向媒体和个人, 方便为用户提供资讯和信息;服务号主要是面向企业和组织, 为用户提供管理和业务服务。本文申请功能更加丰富的服务号进行公众平台的开发。

  公众号可以设置自定义菜单,使公众号成为一个轻量级的应用。自定义菜单提升了公众账号的交互属性,用户点击自定义菜单就可以获取相应的内容。另外对于 view 类型的菜单按钮,客户端会打开开发者在按钮中填写的URL,通过内置的浏览器与web app 进行交互,方便用户快速进入网页应用。图 6 为公众平台与开发者服务器信息交互流程图。

  本文基于公众平台开发了电动车智能充电系统客户端。用户通过该客户端可以查看系统中充电设备的状态, 并选择空闲设备进行充电。另外,借助APP平台提供的支付功能,本设计可以实现在线按时付费,较之传统的投币式和刷卡式付费方式,本设计极大的降低了硬件设计的成本和设计难度,具有很强的扩展性。

  为方便管理者对系统进行监控和管理,本文还实现了网页版管理后台。网页版管理后台采用前后端分离方式, 后端和公众平台共用一个 JAVA 服务器。服务器采用SpringMVC 框架。SpingMVC 是最近几年发展起来的一个 MVC 框架,很好的体现了分层的思想,即模型(Model)、视图(View)、控制器(Controller)。MVC 模式使软件很好的分层,使程序更加容易维护。MVC 模式各部分都有各自的作用,模型层控制数据的存储以及软件的业务逻辑。视图层用来提供用户界面。控制器是模型层和视图层的桥梁,用来控制数据在视图层的流动。图 7 是服务器后台架构图。

  前端采用 AngularJs 框架构建业务逻辑。AngularJs 是一个前端 MVVM 框架,借助它并与其它 Web 技术,如HTML、CSS、JavaScript 等配合使用,能够使 web 应用开发比以往更加简单,便捷。借助 AngularJs 双向数据绑定以及依赖注入的特性,极大的降低了构建前端应用的难度。网页版管理后台主要实现了用户管理、充电数据管理,充电状态监测和数据推送等功能。另外管理后台还对充电数据进行分析,生成充电状态曲线,便于管理者及时发现充电异常情况。图 8 是系统管理后台界面图。

 

  安科瑞电动自行车充电桩平台介绍(含选型)

  7.1 平台结构

 

  7.2平台主要功能

 

  7.3设备选型:

  ACX10A-YH 刷卡扫码充电,刷卡充电需要在管理处预存电费充值后进行刷卡充电,也可接入充电桩管理云平台通过扫码充电。

 

  7.4功能描述:

  ① 电瓶车智能充电桩最大可外接 10 路插座,每个插座只支持一台电瓶车通过车配充电器充电。

  ② 电瓶车智能充电桩可支持刷卡、扫码两种付费充电模式,具体设备支付功能以订货要求为准。扫

  码充电功能需与云平台联网后使用。

  ③ 电瓶车智能充电桩具备语音播报功能。

  ④ 电瓶车智能充电桩可以按时间或电量充电。

  ⑤ 功率识别,电瓶车智能充电桩具备检测大功率负载功能,可以设定功率报警值,达到报警值时会

  断开对应充电回路,防止用户私接插线板给多台电瓶车充电或大功率设备进行充电。出厂默认设

  定 300W。

  ⑥ 电瓶车智能充电桩支持多次刷卡或扫码后,再按键充电的功能,充电时间将自动累加。出厂默认

  设定 1 次,即刷卡或扫码 1 次按键后,才能再次刷卡或扫码。

  ⑦ 电瓶车智能充电桩可开启免费充电功能

  ⑧ 故障回路识别,电瓶车智能充电桩可判断继电器故障或计量故障导致的故障回路,显示该回路故

  障信息,断开回路。

  ⑨ 断电记忆,当出现电网停电时,来电恢复后可继续使用剩余的时间充电。

  ⑩ 空载保护,用户拔掉充电器或充电器插头未插紧,若还有剩余时间或电量,则会发出报警,同时

  在已设定的一定时间内关闭该回路供电。

  ⑪ 充满自停,电瓶车充满电量后,若还有剩余时间或电量,则会发出报警,同时在已设定的一定时

  间内关闭该回路供电。

  ⑫ 短路保护,电瓶车智能充电桩每个出线回路均设置有熔断器保护,在发生短路意外时,会使熔断

  器熔断。

  ⑬ 箱内过温保护,也可根据需求设置夜间禁止充电时间。

  8结束语:

  本文实现了一种基于云平台的电动车智能管理系统。通过 RS-485 接口总线将智能设备与智能网关设备进行联网,网关设备通过与后台服务器的通信将各个充电器节点接入公有云,实现智能硬件的联网化。借助公众平台实现对充电状态的监控,用户可以随时查看充电状态。服务器实时监测充电电压和电流,当充电负荷超过设定阈值时,可以及时关闭充电设备,防止危险情况的发生,另外对电流参数的监测可以及时关闭电源,防止过冲,延长电池使用寿命。实践证明,本设计稳定可靠,可解决校园内电动车充电困难的问题,并可将该设计向居民区扩展,具有良好的商业推广价值。

  【参考文献】

  [1] 安科瑞企业微电网设计与应用手册. 2019.11版

  [2] 陆灿楠 叶 桦 仰燕兰 阙宇翔校园电动自行车充电管理系统的设计

  [3] 张保增  , 潘泽阳 , 等 ,一种电动自行车充电桩的设计 [J]. 微型机与应用 , 2015, 34(6): 29-31

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