基于4G通信的智能充电桩远程控制系统设计*

，,

(西安工程大学 电子信息学院，西安 710048)

引 言

汽车尾气含有大量的有害气体，随着汽车数量的剧增，汽车尾气对环境造成了很大的污染，新能源代替传统能源(石油等)势在必行[1-4]。电动汽车与传统汽车相比较，有着优越的环保性能，在行驶过程中不会产生二氧化碳和二氧化硫等造成环境污染的有害气体。从一定程度上来说，电动汽车是未来汽车工业的主要发展方向。由于电动汽车具有无污染、性能好等优势而被世界各国广泛推广，截至2017年10月末，我国电动汽车充电桩数量达到12.7万个，较上一年增长128%，加上私人充电桩，充电桩总数已经超过19万个，并形成了一定的充换电网络。

目前我国现有的智能设备的控制系统基本上都是采用嵌入式系统[5-7]，充电桩设备控制多采用嵌入式系统，以单片机或AMR为控制核心，应用模块化思想，对人机交互、充电控制、电费计量等按照模块化独立的原则进行软件的层次设计和流程设计[8-12]。目前市场上的充电桩设备还不具备用户网上提前预约充电、支持在线查看实时充电情况、实时了解附近区域的充电桩的使用情况等功能，造成了充电桩资源的浪费和车主时间的浪费；单一的刷卡结算方式，为用户带来不便的同时也造成了资源的浪费。

至今为止国内还没有推出云服务器平台、4G智能充电桩设备和APP客户端应用软件于一体的智能充电桩系统。在互联网的大背景下，对于充电桩设备的研究，在国内也取得了较为丰硕的成果。冯星博[13]针对充电桩的设计以及充电桩群的构架提出了新的设计方案，运用WIFI功能实现了充电桩之间相互通信。徐娇等[14]在传统的充电桩设计模式下，设计了一款带有智能充电导航功能的充电桩系统。冯星博和徐娇等设计的充电桩系统虽然在某种程度上提高了充电桩的利用效率，但均是针对单一功能的改进，对充电桩利用效率的提高不够显著。

针对以上存在的问题，论文设计了具备4G通信功能的智能充电桩系统，通过手机 APP客户端实现了用户信息注册、充电预约、充电桩设备状态查询等功能。通过云服务器完成手机APP客户端和充电桩设备上传数据的存储、分析与处理。设计的充电桩系统功能更加完善，充电效率明显提高，同时充分利用并合理分配了充电桩资源。

1 系统总体框架

设计的基于4G通信的智能充电桩系统包括智能手机 APP 客户端、云服务器、充电桩运营管理站和分布式充电桩设备，系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架图

1.1 APP客户端

APP客户端主要有用户注册、位置定位、充电桩搜索、预约充电、充电模式选择、实时查看充电信息、充电实时控制、账单支付和信息查询等功能。

① 用户注册。用户通过手机号码或者微信账号完成注册，生成用户信息二维码。

② 位置定位。APP客户端可以向服务器发送实时位置。

③ 充电桩搜索。APP客户端将实时位置发送到服务器，服务器根据用户的实时位置将附近的充电桩位置及占用情况发送给用户。

④ 预约充电。提前预约充电桩设备和充电时间，如果所有充电桩均占用，可查询各个设备充电结束时间。

⑤ 充电桩模式选择。充电桩支持定时充电、定量充电、自动充电和电量百分比充电四种充电模式。

⑥ 实时查看充电信息。服务器将实时充电信息实时发送到APP客户端，包括充电时间、充电电量和充电金额等。

⑦ 充电实时控制。可以通过APP客户端取消预约充电或者停止充电等操作。

⑧ 账单支付。充电完成，APP客户端可使用支付宝、微信和银联等方式完成支付。

⑨ 查询功能。用户可查询充电数据历史详情，包括充电时间、充电金额和充电次数等。

1.2 云服务器

云服务器是面向各类互联网用户提供综合业务能力的服务平台。平台整合了传统意义上的互联网应用三大核心要素：计算、存储和网络，面向用户提供公用化的互联网基础设施服务器，为满足用户全方位需求和运营商复杂的增值业务，要求具有高可靠性、广泛适用性和可扩展性等特点。

① 数据计算处理。云服务器通过对海量充电信息进行深度挖掘，运用相应的数据挖掘算法和数据分析方式深度解析充电时间和地点以及用户需求等数据，为充电桩运营管理部门提供一个标准、高效和快捷的数据后台接口。

② 数据存储。在大数据的背景下，利用云技术和计算机数据加工存储功能，完成对来自终端的海量设备数据信息和APP客户端数据信息的存储。

③ 网络通信。是充电桩和用户之间的纽带，为用户获取各类充电信息提供传输通道，实现了用户通过手机APP对充电桩的实时控制。

2 充电桩硬件设计

充电桩复杂程度高，组成构件较多，包括人机交互控制板、底层控制板、4G模块和智能电表等，具体硬件组成如图 2所示。

图2 硬件组成结构图

直流充电桩的组成构件中，两块主控板是最核心的组成部分。人机交互主控板采用ARM335x，功能强大。底层控制核心板采用ARM1768，能够对充电过程进行有效控制，而且可以利用多种通信方式将充电桩的工作数据进行传输。人机交互核心板连接的外设设备主要有触摸屏、4G模块、条码扫描器、微型打印机和RFID射频读卡器等。底层控制板的BMS通信模块通过CAN总线与车载BMS进行通信，连接的外设设备主要有温度传感器、智能电表等，安全检测模块、充电控制模块和充电监控模块等内嵌于底层控制核心板。安全检测模块在充电桩开始充电前对充电桩整体硬件设备进行安全检测，以确保充电桩安全运行。充电监控模块主要功能是实时监测充电桩的运行状态。该模块对充电桩的进线输入电压、充电输出电压电流、充电接口状态、电池管理系统状态和电池状态等进行实时监控。

3 软件设计

3.1 充电桩软件设计

充电桩软件部分的设计是其控制系统的灵魂所在，其主要实现自检、人机交互、通信、电能计量、计费控制和保护控制等功能，充电控制系统主程序流程图如图3所示。

图3 充电控制系统主程序流程图

充电桩未占用时处于待机状态，用户点击开始按钮后，控制系统初始化，充电桩设备自检安全后触摸屏提示用户选择手机预约充电还是现场选择充电，当用户选择手机预约充电时，扫描注册生成的二维码进入到信息确认界面，显示当前账号、预约信息等，用户确认信息后进入到选择充电枪界面。当用户选择现场选择充电时，会提示选择充电方式和结算方式，结算方式为刷卡结算和微信支付宝结算。如果选择刷卡结算，刷卡后显示卡信息，若卡内余额为不足，界面会提示用户充值，充电桩再次自检返回到首界面，卡余额正常则进入提示连接充电枪界面；选择微信或支付宝结算时，需要扫描微信或支付宝二维码名片，确认个人信息后进入选择充电枪界面。选择好充电枪后，触摸屏界面提示电动汽车与充电桩的充电枪连接，如果电动汽车与充电枪连接不正常，则报警并提示请正常连接，连接无误后，选择开始充电，若充电桩设备无报警产生，则进入充电状态，充电指示灯亮。

在充电过程中，通过触摸屏可以看到当前的充电用户、已充电量和充电时间等。如果用户在充电过程中强行结束充电，界面进入结算界面，手机预约用户在手机APP上完成确认结算，现场选择用户需要刷卡或者扫描微信或支付宝付款码完成结算。正常充电完成后，充电桩提示充电完成并提示用户结算，结算方式与强行结束充电结算方式相同；当用户结算完成，确认充电信息后提示是否打印票据，本次充电完成。在软件设计中，根据充电桩的硬件部分功能模块，将软件程序分为 ARM控制器主程序、读卡程序、读电表程序及触摸屏组态程序等模块，各个模块之间相互独立工作，互不影响。主程序能够有效地协调各个模块之间的工作，完成整个充电桩的充电过程。

3.2 手机APP设计

APP客户端采用C/S 结构体系，按照视图界面、业务逻辑、功能应用三层结构设计。视图界面层主要用于与客户进行人机交互，对用户的请求作出响应，调用业务逻辑层的API接口。业务逻辑层主要是对视图界面层所有请求进行业务逻辑支撑，包括手机APP客户端需求的所有功能，功能应用层对业务逻辑层的请求进行功能响应，将所有功能请求上传到云服务器。为满足市场需求，分别设计了Android版手机APP和ios版手机APP。图4所示为Android版手机APP登录界面。

界面采用JavaScript、HTML、CSS进行渲染，运用HTML为页面添加内容，CSS用来控制页面样式，JavaScript负责为页面添加动效以及获取用户注册、登录以及使用信息，方便提交给后台数据库，这里我们采用Phpcms后台框架，用户通过点击注册和登录按钮，可以及时地将用户信息提交给云服务器，方便数据存储。

图5所示为充电桩搜索界面，搜索功能借助高德地图为API接口，对区域内的所有充电桩进行检索，高德地图强大的街景功能，让用户附近的所有充电桩一目了然地呈现在手机APP上，并且手机APP支持地图和导航功能，用户可以顺利地到达充电现场。充电实时监控画面如图6所示，云服务器通信模块与充电桩4G模块实时通信，获取充电实时信息，云服务器通信模块将信息实时传送到手机上，充电信息传送到手机APP上可得到实时更新。

图5 充电桩搜索界面

图6 充电实时监控画面

结 语