基于ESP8266 的智能充电桩及其控制系统设计

陈庭威, 李亚飞, 李亚军, 赵冰飞

(1 郑州大学 信息工程学院, 郑州450000； 2 国网三门峡供电公司, 三门峡472001)

0 引 言

电动自行车已经成为人们短距离出行的首选。但是问题也随之而来,很多小区、学校以及单位的充电桩系统存在诸多问题,如设备更新换代不及时、数量严重供给不足、故障维修不及时、充电过程不易管理等。

因此,本文设计了一款新的智能充电桩及其控制系统,通过手机APP 来进行空闲充电桩的查询、完成预约和充电等功能,使数量较少的充电桩能够得到更为充分的利用。 从而满足人们充电需要,减少空闲设备资源浪费,提升经济效益。

1 系统总体设计

本系统采用C／S 架构,主要包含3 个部分：硬件电路设计、服务器设计以及手机APP 设计。 硬件部分主要是以ESP8266NodeMCU 开发板(以下简称NodeMCU)、继电器以及AD-DC 降压模块来构建的,通过NodeMCU 来完成继电器的控制和数据的发送与接收。 服务器部分主要用于接收NodeMCU 和APP 信息,进行相应的处理后再向NodeMCU 和APP 返回结果。 手机APP 主要用于实现查询、预约和充电功能,通过与服务器通信来获取充电桩状态和发送执行命令。 总体设计如图1 所示。

图1 系统总体结构图Fig. 1 Structure of the system diagram

2 硬件电路设计

硬件主要采用ESP8266NodeMCU 开发板,其核心部分是ESP8266WIFI 芯片,该芯片具有32 位CPU,且能够独立运行。 整个系统利用220 V 交流电作为输入电源,通过AC-DC 降压模块(220 V-5 V)将220 V 交流电转为5 V 的直流电,接入NodeMCU 的VIN 和GND 接口来进行供电,接入DC＋和DC-来为5 V 继电器供电。 NodeMCU 烧录程序之后,可以通过数字端口和5 V 继电器IN 口相连,控制继电器吸合。 充电桩火线分别经过5 V 继电器的常开端口NO 和公用接口COM,通过信号输入端口IN 输入的高低电平来控制通电与断电。 充电桩的零线与市电相连,火线经过5 V 继电器。 整个硬件的电路结构如图2 所示。

图2 硬件电路结构图Fig. 2 Hardware circuit structure diagram

3 服务器设计

云服务器是手机APP 与NodeMCU 进行无线通信必不可少的组成部分。 本系统的服务器使用Nodejs 开发,在腾讯云上架构了TCP Server、HTTP Server 以及MySQL 数据库。 其中,TCP Server 是为了完成服务器和NodeMCU 通信,读取NodeMCU 引脚信息并做相应处理,向NodeMCU 发送控制命令等［1］。 HTTP Server 实现了手机APP 和服务器的信息交互,使用户可以通过手机APP 向服务器发送命令。 本系统利用MySQL 数据库对用户信息和数据进行存储,将MySQL 数据库架设到服务器上,任何用户的APP 均可以通过JDBC 连接,从而获取个人的信息以及设备相关状态。 TCP Server 也可以通过数据库进行数据分析,将相应的控制命令发送给NodeMCU。 服务器的结构如图3 所示。

4 手机APP 设计

手机APP 使用Android Studio 来开发,用户可以通过APP 来完成相应的功能。 这些功能包括注册、查询、预约、充电、查看充电状态、提前结束充电、查询历史记录、故障报修等等。 用户先注册获得一个属于自己的账号,然后通过APP 执行查询功能,APP 根据指令去云服务器的数据库中查询到对应信息,用户可以根据显示的结果进行预约或者使用充电功能［2］。 充电开始后,用户可以在个人状态页看到充电状态,并可以提前结束充电。 在个人信息页面可以查询充电的历史记录,若是发现某个充电桩损坏还可以上报故障,提醒维修人员会维修。APP 功能图如图4 所示。

图3 服务器结构图Fig. 3 Server structure diagram

图4 APP 功能图Fig.4 APP function diagram

5 结束语

本文介绍了基于ESP8266 的智能充电桩及其控制系统的设计,采用C／S 架构,利用TCP 和HTTP通信协议,以服务器和数据库作为中间媒介,通过手机APP 即可完成对充电桩的查询、预约、充电灯功能。 该系统很大程度上解决了查找空闲充电桩难和空闲充电桩资源大量浪费的问题,提高了空闲资源利用率,促进经济效益增长,具有广阔的发展和应用前景。