王孟春
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201800
摘要:介绍一种基于微信支付和ID卡支付的公用电动自行车充电系统,系统包括充电终端、云服务器、手机客户端。充电终端以STM32为控制核心,通过控制继电器通断实现对电动车的充电;利用HLW8012功率芯片测量充电电路功率;采用微信支付和ID卡两种支付方式进行结算;通过IAP功能实现远程升级功能;充电终端与云服务器通过4G通信模块进行数据传输。系统测试结果表明,该系统能够实现远程控制,测试充电功率测量准确,充电时间计算误差小,控制系统性能稳定可靠。
关键词：电动自行车；电瓶车充电桩；安全智能；手机APP
0引言
作为节能、便捷、价格低廉的交通工具,电动自行车受到了越来越多人的青睐,尤其是在学校、居民小区,电动自行车已经成为多数人使用的代步工具。由于充电设备的不足,且电池重量较大,随意私拉电线为电动自行车充电的现象越来越多,给小区带来了巨大的安全隐患。根据国务院安委会办公室关于开展电动自行车消防安全综合治理工作的通知,政府鼓励新建住宅小区同步设置集中停放场和具有定时充电、自动断电、故障报警等功能的智能充电控制设备。为此,本文设计了一种基于微信平台的充电控制系统,该充电系统能够建立充电桩、手机客户端、云服务器之间的数据通信,手机用户可以通过微信平台远程完成打开充电桩、支付等功能,同时能在手机客户端上实时查看到电车充电状态、剩余充电时间等信息。
1系统架构
充电桩系统由充电终端、云服务器、手机客户端组成,图1充电桩系统组成该系统如图1所示。充电终端用于为用户充电并将充电设备的信息上报云服务器,用户通过微信客户端发出指令,充电终端执行相应的操作,同时将充电状态通过云服务器反馈给客户端,使用户实时掌握充电状态。手机客户端以微信为平台,通过微信公众号将用户与服务器连接,用户可以通过微信完成支付,查询充电状态、充电时间、消费记录等信息。云服务器负责接收数据、保存数据、发布等功能,为用户和运营者提供业务请求。用户手机客户端通过手机的4G、WiFi等方式与云服务器建立连接;充电终端用4G模块与云服务器建立连接。用户通过手机微信扫描二维码,登录微信公众平台选择该充电桩,并选择某个充电口进行充电。
图1 充电桩系统组成
2充电桩终端控制系统设计
2.1硬件电路设计
硬件控制电路由主控制器、电源电路、HLW8012功率测量电路、ULN2008达林顿驱动电路、4G模块、EEP-ROM、ID卡模块、按键模块等部分组成。充电桩终端控制系统机构如图2所示。其中主控制器采用意法半导体公司的STM32F103VET6处理器,采用ULN2008驱动继电器控制充电桩桩口的通断,采用XW12A电容按键为按键模块。
图2 终端控制系统结构图
2.1.1电源电路设计
电源模块分为控制系统电源模块和功率测量电源模块。控制系统电源模块为(外部提供)12V电源,电源电路将12V转为5V和3.3V供控制系统使用,该部分电源电路如图3所示。
图3 控制系统电源电路
功率测量电源模块为ACDC非隔离电源,输入为220V交流电,输出为5V直流电为功率测量电路供电,该部分电源电路如图4所示。
图4 功率测量电源电路
2.1.2功率测量电路设计
本次设计采用的功率测量芯片为HLW8012,该款芯片为单相电能计量芯片,可以测量有用功率、电量、电压有效值、电流有效值等。其芯片输出高频脉冲CF,指示有用功率,在1000:1的范围内可达±0.3%的精度,可精确测量充电桩损耗功率。充电桩口的正极通过LIN与LOUT端与测量芯片功率连接,测量芯片通过比较V1P与V1N两端的电压差计算出通过电阻R1的电流。电压信号通过电阻网络分压由V2P采集电路电压值,所测得的采样电压值为输入电压的1/1881。功率测量电路如图5所示。
图5 功率测量电路
2.1.3EEPROM模块
EEPROM模块采用的芯片为AT24C512,该芯片连接MCU的I2C接口。模块记录的内容包括设备编号、充电时间、升级标志位以及充电输出状态等。当充电桩与服务器断开连接或者充电桩短时间断电,设备可以断电续充,保证系统有良好的容错能力。
2.1.44G通信模块
通信模块采用有人物联网公司的USRLTE7S4模块,这是一款功能丰富的M2M产品。以“透传”作为功能核心,可以方便快捷地集成于开发系统中。4G模块与MCU的UART2串口连接,用于实现充电桩与服务器之间的数据传输。充电桩与服务器通过4G以心跳包方式进行数据通信,每次发送的数据包由帧头、功能码、数据信息、校验码和帧尾组成。协议分为服务器主动下发和设备主动上报两种,各部分数据包及数据内容如表1所列。
2.2软件流程设计
在硬件电路设计基础上,进行智能充电桩控制系统开发。软件设计采用C语言在Keil平台上进行系统开发。Keil软件平台提供在线仿真和硬件仿真两种调试模式,在编写程序时可以有效调试程序。
2.2.1程序流程设计
该系统的流程分为注册流程图、充电流程图和停止充电流程图。充电桩系统打开后先进行硬件初始化(包括功率模块、时钟、串口、中断和GPRS),之后通过GPRS向服务器发送注册包,收到服务器回复的报文后确认注册成功,服务器获取设备状态并向下位机设置功率参数。注册流程图如图6所示。
图6 注册流程图
充电桩设计有2种充电方式:刷卡方式和微信方式。用户选择充电方式之后,根据服务器发送的数据包作出相应的判断,打开相应的充电桩口以及上报相应的信息。服务器通过上报的功率以及充电金额计算出充电时间,并下发给充电桩,充电桩记录充电时间并开始充电。充电流程图如图7所示。
图7 充电流程图
在充电过程中,充电桩将实时监控充电功率、充电时间是否结束以及服务器是否发送主动断电指令。充电停止分为两种情况,一种是充电时间到达,充电桩自动关闭充电桩口,上报设备信息,服务器通知用户充电结束。另一种是异常断电,其中包括功率过大或过小、服务器主动断电。充电桩断电后将断电信息上报服务器,并通知用户设备断电。该流程图如图8所示。
图8 断电流程图
2.2.2功率测量
软件设计功率测量模块主要测量打开的充电桩口功率,功率测量正常工作需要进行初始化,初始化包括I/O口配置、时钟配置、中断配置等。在初始化完毕后,依次查询正在充电的充电桩口。若MCU捕捉到相应I/O口的脉冲沿变化,定时器开启定时,MCU统计在1s内的脉冲沿个数,MCU根据捕捉到的脉冲个数计算功率值。功率测量流程如图9所示。
图9 功率测量流程图
根据捕捉到的脉冲个数,可以计算出负载的有用功率。有用功率频率的理论值计算如下:F=V1·V2·48VREF·fosc128其中,F为有用功率对应的输出脉冲频率值;V1为电流通道的电压信号;V2为电压通道上的电压信号;VREF为内部基准电压,典型电压是2.43V;fosc是内置晶振,频率为3.579MHz。由于V1和V2与负载的电流电压均为线性关系,因此有用功率与频率F呈线性关系,因此测量功率计算公式如下:FCalF=PCalP其中,PCal和FCal分别为校准功率值和校准功率值实测的频率值,本次设计所用的校准功率为1kW;P和F分别为实际负载的功率和测量到的频率值。经验证,测量的得到的精度为±3%。
2.2.3远程升级软件设计
STM32支持IAP(InApplicationProgramming)功能,实现在线升级功能。该功能的实现需要两个项目的代码:一项为Bootloader,该项目不执行项目功能操作,而是通过UART2连接的4G模块接收服务器传送过来的程序包,将新的APP程序写入到FLASH中,并完成跳转功能;二项是升级的APP程序包。下位机需要升级时,服务器将下发指令,修改EEPROM中的升级状态标志位,下位机读取到升级标志位后,重启并上报服务器准备接收APP程序,同时地址偏移后的APP程序的中断向量表也需同等偏移,使得中断程序能够正常响应。
3客户端
微信客户端主要为用户提供充电桩下位机和服务器的信息处理平台,用户在客户端上对充电桩进行操作。客户端分为用户充电页面、正在充电页面和账户管理页面。用户充电页面使用操作如下:
①用户使用手机登录并关注充电桩公司提供的微信公众号,微信客户端通过微信号作为用户ID,完成信息注册。
②用微信公众号扫描充电设备上的二维码或手动输入设备编号,选取该充电桩。
③选择此时空闲的充电桩口,并将充电设备连接在相应的充电位置,输入需要充电的金额,并点击“开始充电”。
④客户端将显示出用电功率以及充电时间,并在充电结束时断开电路并提示用户取走充电设备。正在充电页面显示该用户正在使用的充电设备信息,包括充电桩编号、充电设备的功率、充电费率、剩余时长和开始时间等信息。在此页面可提前关闭充电,结束充电任务。账户管理页面供用户查询账户余额、绑定手机号、优惠卡、账单等用户信息。
4测试与结论
4.1测试
将负载插入充电终端,打开微信公众号,选取测试充电桩和充电桩口,选择充电金额并打开充电。用功率计量插座测得负载的实时功率,计算出实际功率与读取的功率之间的差值。在客户端选择打开充电,继电器闭合,功率计量插座显示的实时功率为596W,客户端显示功率为614W,符合设计需求。充电时间为充电金额与充电功率的商值,本设计中设置的充电价格为600W·h/元,客户端显示充电时间为1小时,符合设计需求。充电过程中分别将负载换为1000W和10W,充电终端在3s内关断充电桩口,并且客户端上显示断电原因,实时性符合设计需求。
5 安科瑞电动自行车平台及选型介绍
安科瑞电动自行车充电桩通过GPRS模块与云端进行通信和数据交互。系统能够对电动自行车充电桩的日常状态、充电过程进行监控；实现充电支付对接：支持投币、刷卡、微信支付等多种支付方式，保证支付交易过程的完整性，对充电过程中的异常情况进行有效预警；实现对下游站级平台的清算、对账功能。平台可对接消防物联网平台、小程序等，提供相关异常数据，实现电动车充电安全管理的网络化、可视化。
① 安全预警
对平台连接的所有充电桩状态进行监视，充电桩发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号，及时消除火灾隐患。
② 交易结算管理
平台为运营方提供充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表等，支持投币、刷卡和扫码充电。
③ 充电服务
可通过软件搜索附近充电桩，并查看充电桩状态，并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电。
④ 运营分析
对订单进行数据化分析，通过柱状图、报表方式直观展示数据，并支持和第三方平台对接。
⑤ 微信小程序
可通过微信小程序扫码充电，充电账单支付。运营商和物业管理人员均可通过小程序管理，监测充电桩状态和充电交易情况。
⑥产品选型
A款的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；
B款的ACX10B-TYH全功能型在A款的ACX10A-YH基础上增加投币功能，ACX10B-YH与A款的功能接近，但是B款产品均支持在不需要云平台下的项目中单独使用。
6 结束语
本文实现了一种基于微信的公用电动自行车充电桩设计。系统包括充电桩终端、手机客户端和云服务器三部 分。本文主要介绍充电终端设计,首先对充电桩的整体结 构设计描述,然后进行硬件电路设计,包括主控电路、电源 电路、功率计量电路、4G通信模块的软硬件实现。实际测 试证明,本文的设计方案能够控制多路桩口通断,用户可 以使用微信客户端进行操作。
参考文献：
[1][1]王佳佳,孙玉涛.蚌埠市电动自行车充电站的现状和前景的 调研[J].高新技术产业发展,2012(7):28 29.
[2]陈富安,白超杰 微信与ID卡支付的公用电动自行车充电桩
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
作者简介：王孟春，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电瓶车充电平台研发与应用，邮箱: 2885061386@qq.com；手机：13524471462（同微信）； QQ:2885061386
