电动汽车充电桩远程监控系统的设计方案

夏梦

摘要：针对现如今电动汽车充电站管理模式差，有人值守，运营成本高等问题，提出了一种电动汽车充电站（充电桩）远程监控系统并进行了方案设计及系统选型。主要完成以下工作：对国内外电动汽车充电桩远程监控系统的发展现状进行概述并确定总体设计方案。同时探讨底层硬件设备、嵌入式操作系统和无线通信方案的选型。采用 Tiny4412 开发板移植 Android 操作系统，实现站内监控子系统数据采集上传和设备指令下发的功能;借助 Zig Bee 无线通信组网灵活的优点，实现对充电站内设备的无线数据采集;通过 SIM5320E 3G 模块完成数据的网络转发工作。

关键词：远程监控;电动汽车;ZigBee

1引言

随着电动汽车在我国推广普及，电动汽车充电设备作为电动汽车产业链上的重要组成部分，也随之快速发展。但是随着充电桩个数的增加，如何实现对充电桩进行统一的远程管理对推进我国新能源汽车充电站的发展具有重要意义。同时，如今的电动汽车充电桩的内部结构设计越趋合理，功能越趋完善，智能化程度也越来越高。但由于各种因素的影响，充电桩投放后出现各种软故障，导致其慢慢降低或失去预定的功能，直至完全停止工作。因此，如何保障电动汽车充电桩的高效运行，也是电动汽车行业面临的一个十分迫切的技术问题。目前国内外电动汽车充电桩远程监控的研究存在以下问题：没有一个功能完善的监控系统在市面出现。现如今国内大部分充电站监控系统仅仅针对于太阳能充电站等大型充电站，没有针对小型的汽车充电桩。

2总体设计方案

电动汽车充电桩远程监控系统主要分为远程监测终端、服务器、客户端三部分。

2.1远程监测终端的设计

远程监测终端由充电桩采集与控制单元、储电监测单元、Zig Bee无线网络和4G通信模块组成。充电桩采集与控制单元负责实时采集充电电路的电气数据，同时可对开关设备进行控制，例如温控设备、电子锁设备等;储电监测单元实现对储电管理系统的电气数据和环境数据的采集，采集的内容主要包括电池电压、电流、温度、运行状态码、剩余电量等数据;Zig Bee无线网络负责上传采集到的数据和下发控制指令;数据传输单元完成和充电站远程监控中心数据交换的功能。

2.2服务器端的设计

服务器端主要是由数据库以及相关应用程序组成。其中MySql数据库主要的工作内容是对充电站运行时上传的数据进行过滤后，以特定的格式存储在数据库中。为了便于管理，数据库按照关系模型划分为多个子表，以提高数据库的查询效率。网络消息管理应用程序运行在服务器端，它完成的功能主要有2个：第一个功能是网络保持与数据写入功能，建立和保持與充电站数据传输单元的网络连接，并完成将上传的数据写入数据库的操作;第二个功能是消息处理功能，处理上传的消息与指令的下发。

2.3 Web后台管理平台与Android客户端设计

Web后台管理平台是面向管理人员开发的一套管理系统，便于管理人员通过Web浏览器实现对充电站的实时在线管理。其功能模块主要有：登录验证、用户管理、充电桩部署管理、充电桩在线监控。Android客户端是面向充电桩使用者的客户端系统，为用户提供便捷的在线服务。该客户端的主要功能有：用户登录、在线查找充电桩、在线预约。

3系统选型

3.1底层设备主控制器的选择。

三星公司研发的Cortex-A9处理器，是一款基于ARMv7架构的应用处理器，有丰富的驱动支持，十分适合嵌入式设备的开发。

因此，在本次设计中选ARM Cortex-A9 作为充电桩采集与控制单元的主控芯片。同时，为了加快开发进度，减少硬件开支，本次系统设计是Tiny4412 SDK1312 ARM开发板上开发所有的软件，待调试稳定后，再设计和定制生产系统所需的硬件。

此外，本文选用STM32系列F103RBT6单片机作为电压电流采样模块的核心控制器。这是一款增强型ARM系列单片机，采用低功32位Cortex-M3内核，时钟频率为72MHz，内置高速存储器，具有丰富的外设可存储大量数据，满足电压电流采样模块的硬件设计需求。

3.2嵌入式操作系统的选择

当系统越来越大、应用程序越来越多时，选择合适的操作系统将显得尤为重要。操作系统的作用有：对系统资源的统一管理，为用户提供访问硬件的接口，调度多个应用程序，管理文件系统等。相比其他移动终端操作系统Android 操作系统是一种真正开源的移动开发平台，规范的文档与活跃的社群使得开发人员能在该平台上快速构建所需要的应用程序。值得一提的是，Android操作系统由拥有强大的运营维护团体Google公司进行维护，其版本更新及时，拥有简洁易懂的开发API。因此，我们选择Android操作系统作为充电桩采集与控制单元的软件开发平台。

3.3无线通信方案选择

通信方式按照传输媒介大体可以分为有线通信和无线通信。根据课题应用背景，确定本文采用无线通信方式。无线通信方式主要包括无线局域网和无线广域网两种。目前，短距离无线局域网技术主要包括Bluetooth，Wi-Fi，ZigBee等。

对比得知，ZigBee在近距离无线通信技术中属于最优，它普遍应用在智能办公、智能家居、自动化车间、医学仪器等产业。具备很高的自组网能力，功耗极低和待机周期较长，并具有稳定可靠且价格低廉的优点，很符合数据量少的采集或者控制设备需求。所以，本系统中采用Zig Bee无线通信技术作为充电站内的无线通信方案。

随着移动通信技术的升级换代，3G（Third Generation）通信技术迅速展，它继承了2.5G通信的优点，并且数据传输速率相比2.5G有了大幅提升，高速移动下最高可达384Kbps、室内速率最高可达2Mbps，支持视频、流媒体等应用，很适合本设计中的远距离数据传输的需求。尽管4G通信技术数据传输速率更高，但3G通信以其开发成本更低、覆盖率更广的优势，得到更多开发者的青睐，因此目前远程数据传输技术广泛采用3G移动通信方式。综上所述，针对光伏应用系统分布离散且相互独立的特点，本文将结合Zig Bee与3G移动通信技术，建立系统专用的数据传输通道，实现充电站监控数据的远程双向传输。

4结语

随着现代社会和经济的全面发展，全球化石能源短缺、温室效应日益加剧，对人类的生产生活造成了严重的影响。本文就电动汽车充电站远程监控系统展开研究，针对无人值守的充电站，设计了一种远程监控系统，完成了太阳能充电站远程监控系统的软硬件设计和实现。叙述了太阳能充电站远程监控系统的总体设计，完成的主要工作有：（1）完成站内监控子系统的总体设计。将其划分为站内监控子系统、服务器、客户端三个部分，对各部分进行概要设计，给出其组成框图，并分模块介绍各部分的功能。（2）完成系统选型。针对各部分功能需求不同，分别对充电桩采集与控制单元和储电监测单元的主控进行选型;选择适合Tiny4412的嵌入式操作系统;对短距离无线局域网和远距离数据传输技术进行选型。

参考文献：

[1]林伯强.中国新能源发展战略思考[J].中国地质大学学报， 2018，18（2）：76-79.

[2]童飞.京津冀地区电动汽车充电设施规划的[D].硕士论文，华北电力大学，2016：3-4..