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浅谈电动自行车充电桩智能监测系统的设计与应用

发布时间:2020-07-22   点击次数:100次

摘要围绕基于物联网的电动自行车充电智能监测系统,介绍了该系统的软硬件组成、各部分之间的关联,以及该系统的工作原理、相应的设计技术主要包括电动车充电的智能控制方法、充电与手机的通信方法,手机与服务器的数据通信等内容。

关键词:充电;单片机;智能手机;物联网;互联网服务器

1 引言

电动自行车在中国有着巨大的使用量,但是电动车电池的寿命却不够理想,当然电池的寿命和很多因素有关。其中一个很重要的原因是充电器造成的,比如夏天过充,冬天欠充,旧电池充电不转灯等,普通充电只有几个简单的状态指示灯,无法完全了解充电状态。如果能了解充电过程,并将充电数据通过互联网上传到充电厂家服务器,厂家通过大数据分析,对充电进行改进,则会有效提高充电器质量。同时用户也可以通过手机详细了解充电状态,并通过服务器返回的充电参数调整用户充电的参数,则会让充电更加智能化。

2 系统架构

系统利用物联网、智能手机互联网三位一体,构造了一套完整的电动自行车充电智能监测系统,系统构造如图1所示。

 

图1 系统架构框图

如图1所示,充电中装有单片机,单片机负责测量电池电压电流以及环境温度等参数。单片机利用蓝牙串口模块与智能手机构成物联网,进行无线通信上传电池充放电数据,或者下载本电池的充电参数,智能手机再通过互联网与充电厂家的服务器进行通信上传本电池的充放电数据,或者从服务器数据库中下载针对本电池的新的充电参数。充电厂家的专家通过分析用户电池的充放电数据,研究出新的充电工作过程并提出针对不同电池的充电参数,并上传服务器,供用户下载。同时,厂家还可以根据用户电池的变化情况了解新的充电参数是否对电池有效。当然厂家也可以做很多事情比如充电的质量跟踪,电池的寿命跟踪等,为研究更好的充电提供实验数据。有了这个系统用户和企业就可以实现交流充电变得更加智能化,相当于把专家请回家,随时提供专业指导并提高充电效果,延长电池寿命,要完成这个系统,需要对充电智能手机服务器这3部分设计相应的软件另外充电内部还要有相应的硬件电路配合下面具体说明这些部分的设计。

3 充电桩相关电路

为了能实现与智能手机通信,充电在传统电路的基础上加入单片机,当然电路可以整体设计,也可以在原有的普通充电电路上进行改造这里以改造为例列出与单片机相关的电路,其他电路和原充电相同,具体电路如图2所示。

 

图2 充电单片机相关电路图

3.1电源电路

充电输出经过防倒灌二极管D1加到充电电池DC1上,电池上的48V电压经过MK1模块降压到直流2V,MK1 是开关模式的DC/DC降压模块效率高适用于较高的直流电压的降压12V电压一路加到运放IC2的电源上;另一路加到集成稳压电路IC3输入端,IC3是传统的线性稳压集成电路,型号为LM7805,输出5V直流电为单片机IC1供电,单片机型号为国产的STC15w408as,采用 DIP16脚封装,是增强型51系列单片机,有8路10位ADC模数转换功能有硬件PWM功能,还有串行口,定时器等功能,非常适合本电路使用。

3.2信号测量电路

电池电压经过R5,R7分压后加到单片机P1.0端口,利用单片机的ADC功能测量电池电压充电电流经过电流采样电阻 R1 后形成采样电压经过单电源运算放大器 LM358 的放大后加到单片机的 P1.1端口用来测量充电电流,7805输出的5V电压经过R6,RT分压后加到单片机P1.2端口,用于环境温度的测量,RT为负温度系数NTC热敏电阻,常温25摄氏度时的阻值为10k欧。

3.3充电控制电路

当服务器传回新的充电参数后,充电应该用新的充电参数来控制充电过程充电过程的控制主要以传统的三段式充电模式为主,该模式先恒流,后恒压,涓流充电是当今大多数充电的标准模式。 这种模式不用单片机也可以运行,单片机的作用是可以根据环境温度,电池的新旧状态以及充电过程中出现的各种情况做出微调,以使电池处在充电状态。微调的方法是单片机输出一个模拟电压去控制充电器稳压环节也就是控制稳压集成电路 TL431 的反馈引脚,从而调整恒压阶段的电压值。比如说环境温度低,则恒压值提高,环境温度高,则恒压值降低,若充电不转灯,则降低恒压值,使充电及时转灯。控制了恒压值即控制了充电过程,由于单片机没有DAC功能,所以利用单片机的硬件PWM功能,在P3.2引脚输出PWM波,经过R8,C2,R9,C3两级RC滤波后产生一个直流电压,通过R10电阻加到TL431的反馈引脚上,从而实现充电控制功能。

3.4物联网电路

为了能实现充电器连上互联网和企业服务器交换数据让单片机通过蓝牙串口模块和手机进行蓝牙组网, 图3中MK2即是蓝牙串口模块,该模块的 RXD,TXD分别连到单片机的 P3.0和 P3.1引脚,与单片机进行串口通信模块上的2.4G天线和手机蓝牙进行无线通信组成物联网,如果有多个充电器则多个充电器各自带有蓝牙模块用户可以操作手机软件去主动连接配对各个充电器,和他们通信要注意的是由于蓝牙串口模式是点对点组网,所以手机每次只能连接一个充电器。

4 单片机软件

单片机负责与手机进行串口通信,同时测量温度电流,电压等参数并将这些参数在用户的控制下传送到手机,并根据手机传来的充电参数进行充电控制,其主要流程如图3所示。

 

图3 单片机程序流程图

由图3可见程序主要分两部分一部分为主程序,主要负责测量电压、电流、温度等参数,以及进行充电控制,这个过程循环进行,直到关闭电源结束另一部分为串行口中断程序,当用户通过手机蓝牙连接电路中的蓝牙串口模块后,用户只要有数据发送到单片机,单片机就会产生串口接收中断单片机在中断函数中接收用户发来的数据并根据需要,将单片机中的参数送回到用户手机上单片机软件要完成3种事,测量、控制及通信,由于篇幅关系详细程序不再列出本软件利用keil C开发用C语言设计易读性及可移值性好,程序短小稳定性好。

5 手机软件

当前流行的智能手机主要以安卓系统苹果系统以及微软系统为主,根据需要可以设计不同平台的软件系统,虽然平台不同,但要完成的任务及流程是一样的下面以安卓系统为例本软件用Google公司开发的ADT Bundle开发工具设计,该工具基于Java开发,自带 Eclipes工具,并包括了Android开发库,安装使用都很方便手机部分的软件主要负责和单片机通信,以及通过互连网和远程服务器通信另外就是和用户的交互以及充电曲线及参数的显示,和单片机通信的方法是通过蓝牙串口的方式进行,和服务器通信的方法主要以B/S结构为主,就是服务器启动Web服务并启用asp脚本功能,手机客户端通过浏览器访问服务器上传下载充电数据这种结构开放性强软件开发难度低,技术成熟度高,软件流程如图4所示。

 

图4 手机端软件流程图

6 服务器软件

服务器端主要负责用户充电数据的存储专家设定的充电控制参数的保存以及用户的交互界面以提供数据的上传和下载本服务器安装Windows 2003 Server版操作系统安装 SQL Server 2000数据库,建立用户信息表,充电信息表,用ASP技术开发,可以方便用户交互上传下载充电数据,具体流程不再详述。

7 安科瑞电动自行车充电桩及充电桩监测系统

7.1电动自行车充电桩产品介绍

电动自行车智能充电桩是新一代电动自行车智能充电设备,具有交流输出电源远程通断控制、充电控制、电度计量、按时计费功能于一体的交流供电装置,该装置能通过电动自行车的车配充电器为电动自行车充电。支付方式可选择投币、刷卡、扫码使用,设备内部可引出10路出线至专用插座,通过电动自行车的车配充电器完成充电。可连接云平台给用户提供可靠及智能化的充电服务。

7.2电动自行车充电桩技术参数

 

7.3电动自行车充电桩选型表

 

7.4电动自行车充电桩监测系统功能

7.4.1资源管理

充电站档案管理,充电桩档案管理,用户档案管理,充电桩异常交易监测。

7.4.2交易结算

充电价格策略管理,预收费管理,账单管理,营收和财务相关报表。

7.4.3用户管理

用户注册,用户登录,用户账户管理

7.4.4充电服务

充电设施搜索,充电设施查看,地图寻址,在线自助支付充电,充电结算,导航等。

7.4.5小程序

扫码充电,账单支付等功能。

7.4.6数据服务

数据采集,短信提醒,数据存储和解析。

8 安装应用案例

 

 

电瓶车充电桩在江阴某小区的应用

9 业务模式 

9.1数据托管方式

安科瑞指导用户完成充电桩的安装,用户的充电桩将数据上传至安科瑞充电桩收费运营云平台,委托安科瑞管理,按约定收取托管费用。

9.2用户自建平台

平台建在用户监控室内(或指定地点),硬件客户可以按照我方推荐设备配置标准采购或者租用云服务器。安科瑞为客户完成平台的建设和运管队伍的培训。 

10 结语

本系统综合了充电技术,单片机技术、智能手机、计算机、物联网、互联网、各种系统的软件设计符合当今信息化,智能化社会的潮流为企业产品的持续改进,提高客户服务质量,自动化收集产品使用信息等方面起到了较好的作用,由于该系统能大范围收集充电器实际运行状态数据,以及电池工作状态数据,为企业对产品的分析改进提供了坚实的实验数据。

参考文献:

[1] 张飞,余涛,李洁,付皎.电动自行车三段式充电设计. 2014, 38(8).

[2] 倪建华,葛维军,基于物联网的电动车充电监测系统研究[J].

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11

[4]安科瑞电瓶车充电桩收费云平台.2019.11

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