基于桩联网的智能充电监测装置设计与研究充电桩

摘要：在国家相关政策的大力支持下，我国电动汽车保有量持续高速增长，同时与之配套的充电服务运营市场也正蓬勃兴起，因此针对分布式充电桩的数据采集、信号传输及其网络化统一管理变得迫在眉睫。本文以充电桩的智能监测与互联互通技术为研究对象，设计开发了基于桩联网的智能充电监测装置，并在装置完成充电数据采集与充电状态监控的基础上，针对不同的应用场景，研制出串口、TCP/IP、蓝牙、窄带物联网等多种的通信传输模式。应用情况表明，该装置管理方便，能有效提高分布式充电桩使用率，具有较好的实用性与一定的前瞻性。

关键词：充电桩；智能监测；互联互通；窄带物联网；TCP/IP

引言

       随着人们环保意识的提高以及绿色能源理念的不断深入，电动汽车的快速发展已成必然的趋势。充电桩，作为电动汽车所需要的配套基础充电设施，在电动汽车高速发展和政策扶持的背景下，普及速度异常迅猛。

       传统充电桩强调硬件设施，数据监测方面大部分通过有线方式实现，不能将采集的数据实时传送至用户与后台，具有很大局限性。针对上述问题，本文设计与研制了基于桩联网的智能充电监测装置。装置在实时监测设备相关性能信息的基础上，实现多通信传输方式的信号传输与储存，以适应各个场景的需求。

一、总体设计与实现原理

       基于桩联网的智能充电监测装置由状态控制与信息采集传输模块、互联通信模块构成。状态控制与信息采集传输模块使用硬件模块和嵌入式模块实现充电相关性能信息采集与充电状态控制；互联通信模块实现数据传输、计算、储存等功能。通过有线途径（串口、TCP/IP）与上位机通信。当需要短距离直接获取数据时，可用串口通信方式直接传输相应数据到PC端；当需要多台设备从远端获取数据时，可用TCP/IP将数据传输到局域网，PC端通过局域网获取相应数据；上位机建立了数据库，可对两种方式传输的数据进行计算、储存。同时，TCP/IP可将数据传输至云平台分析、储存。此外，通过无线途径（蓝牙与窄带物联网）与B/S管理系统或APP通信，可实时了解充电信息，控制充电状态，完成账单支付等功能。智能充电监测装置通过窄带物联网模块将充电信息经过物联网链接云平台，用户可使用APP或进入B/S管理系统链接云平台获取相应的充电信息，并在充电结束后完成账单支付等功能；当充电桩所处地区信号不好无法使用网络方式时，用户可通过带蓝牙功能的设备连接装置蓝牙获取相应充电信息，并在充电结束后完成账单支付等功能。智能充电监测装置框图如图1所示。

图1智能充电监测装置框图

二、充电状态控制与信息采集传输模块

基于桩联网的智能充电监测装置使用电压/电流互感器实

时采集充电电压、电流等相关状态信息，并将采集的信息传输至嵌入式模块，嵌入式模块对采集的电气信息进行计算优化，如计算充电量、显示充电时长、计算实时电价等。通过与外部设备联合处理控制继电器开断，进而控制电动汽车是否开始充电。原理如图2所示。

图2状态控制/信息采集传输原理图

三、互联通信模块

1、有线传输方式

       有线传输方式主要采用串口通信与TCP/IP通信方式。当充电桩所处位置网络信号不好且与后台系统相距不远需要直接通信时，采用串口通信方式传输数据至PC端；当充电桩通信距离较远且需多台设备从云平台或PC端获取数据时，采用TCP/IP通信方式传输数据至云平台与PC端。有线传输方式实现针对不同场景，定制化有效的进行数据传输、储存、计算。传输流程如图3所示。

图3有线传输方式传输流程图

       串口通信。在实际运用中为方便实时监控充电状态信息，将控制系统与PC端上位机系统直接相连。上位机系统使用LABVIEW进行程序设计，控制系统使用I/O模拟数字信号直接对上位机进行操作。

       两者采用RS232串口通信协议与异步半双工模式进行通信。通信使用VISA节点，实现配置串口，串口写入，串口读取，关闭串口等功能[2]。串口通信节点具有使用方法简单、成本低、数据传输速率高等特点。

TCP/IP通信。将装置中网络接口与局域网连接，通过局域网传输至云平台，同时通过TCP/IP协议与上位机通信。网络接口采用ENC28J60芯片，该芯片符合以太网IEE8023标准，可作为任何配备有SPI控制器的以太网接口。支持全双工和半双工模式，较高传输速率可达10MB/S的SPI接口。

       充电数据通过嵌入式模块与网络接口模块之间的连接传输，同时使用双绞线连接网卡和以太网交换机进行数据的发送、接收。

       可实时监控和存储充电桩的充电电压、电流、时间、电量等数据。

2、无线传输方式

       无线传输方式主要采用窄带物联网与蓝牙通信方式。窄带物联网可通过无线传输方式实时将充电数据传输至云平台，具有链接能力强、传输速度快、覆盖率高、功耗小等特点；当充电桩所处地区信号不好无法使用网络方式时，采用蓝牙通信方式传输数据至终端APP。无线传输方式实现快速、便捷的监测与控制充电过程。传输流程如图4所示。

图4无线传输方式传输流程图

       窄带物联网云平台。物联网云平台可实现传感网络层与传输网络层的连接，达到数据监测和远程管理控制的目的。针对目前广域物联网在电动汽车信号传输系统应用中存在能耗大、穿透能力弱、覆盖范围小等问题，设计了基于窄带物联网（NarrowBandInternetofThings，NB?IOT）的智能传输系统。窄带物联网是基于3GPP的技术，具有强链接、高覆盖、低功耗的特点。

       每一个通信终端都与云平台关联，使其准确定位每一个充电桩。窄带物联网技术可将整个系统分为3层，分别是数据采集层、通信网络层、管理平台层。数据采集层可获取环境信息、用户信息、以及电能消耗信息，为充电桩的监管提供准确、较多的数据。通信网络层采用窄带物联网技术作为通信技术。管理平台层作为充电桩远程管理平台，可实现对充电桩的历史数据的查询、存储等功能。

       充电桩数据通过嵌入式模块传送到窄带物联网模块，经过物联网链接云平台。可使用B/S管理系统或APP实时查询充电情况。

       蓝牙通信。蓝牙通信采用HC-05嵌入式蓝牙通信模块，可与各种带蓝牙功能的手机、电脑、PDA等智能终端配对。智能终端蓝牙与装置蓝牙模块连接后，本地控制端APP实现对蓝牙模块搜索、匹配和通信。通过该APP发送针对充电桩的控制指令，如开断指令。同时接收充电桩返回的数据，实现数据的双向传输，传输内容主要包括：充电时长、充电量、实时电价、总费用、历史查询、支付方式等。

四、安科瑞充电桩运营管理平台

1、系统架构

       安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。

       充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：

资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。

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

用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理

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

小程序：扫码充电，账单支付等功能

数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析

变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。

2、平台功能

2.1平台登录

       在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

2.2平台首页

       平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。

2.3实时监控

充电站监控

       充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。

充电枪监控

       充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。

2.4小程序

搜索与使用

       小程序可以通过扫描二维码和文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示

授权登录界面

       用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示：

主功能页

       初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。

充电

       扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。

个人信息

       个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能

3、硬件配置

3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。

推荐硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）

若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：

3.2现场推荐硬件配置清单：

五、结束语

       基于桩联网的智能充电监测装置由状态控制与信息采集传输模块和互联通信模块构成。状态控制与信息采集传输模块可实现充电相关性能信息采集与充电状态控制。互联通信模块通过有线途径（串口、TCP/IP）与上位机通信，通过无线途径（蓝牙与窄带物联网）与B/S管理系统或APP通信，实现数据传输、计算、储存等功能。做到了让用户随时随地知晓充电状态，掌控充电过程，完成充电并支付相关费用。整套装置成本较为低廉，数据传输有效稳定，人机交互界面智能化，实用性强。

参考文献

[1]冯星博.基于Wi-Fi的充电桩群的监测与控制系统设计[D]大连：大连理工大学,2016

[2]王澄睿，蒙怡帆，周禧龙，刘凯文，刘哲宇，陈韵含.基于桩联网的智能充电监测装置设计与研制

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册202006版