淮亚利
安科瑞电气股份有限公司 上海 201801
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，*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；平台；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，应用已经成为人们日常生活中*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”。公众平台可以大限度的帮助、媒体、企业、组织和个人进行品牌推广，减少运营成本。另外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。
7. 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 , 李鹏 , 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
