“云充电”实验系统设计与教学实施研究

李元熙

（1． 江苏省无线传感系统应用工程技术研究开发中心， 江苏 无锡 214000；2． 无锡商业职业技术学院 物联网技术学院， 江苏 无锡 214153）

江苏地区电瓶车的保有量较高，其充电设备维修及人员培训备受业内关注[1]。随着职业教育与各产业的融合发展，产教融合实训平台建设需求旺盛，尤其是在高校教学中如何将实验平台与行业应用结合起来，成为亟待解决的问题。针对此情况设计了一种基于云平台的网络充电控制系统，该系统满足“互联网+”充电需求，适用于电瓶车充电桩行业的技术升级和培训，也为中高职院校的物联网、电子信息、软件技术、计算机网络等专业提供相关教学实验平台。

1 系统组成与原理

“云充电”实验系统使用了网络通信、数据库、嵌入式电气控制、传感器检测等相关技术。系统结构可分为网络充电控制器、路由及通信网、应用云服务器三部分，如图1 所示。其中：网络充电控制器是硬件核心，具备电流检测功能，通过Internet连接到云服务器，当出现过充、盗拔、短路等异常情况时，能够实现本地提醒并向云平台发送异常数据包；网络部分为有线连接，使用TCP 协议栈接入Internet；应用云服务器是构建在阿里云上的应用程序，包含数据库与控制台，可实现数据存储与查询，是系统运行的控制主体。运行时，用户通过RFID 或移动端APP 申请启动充电控制器[2]，数据传入云平台服务器后，通过业务控制逻辑将运行指令反馈给硬件并执行动作，同时在平台上完成数据更新维护。

图1 “云充电”实验系统结构

2 硬件设计与实现方法

2．1 硬件总体结构

系统硬件是以Cortex-M4 为核心的嵌入式控制器设备，主要由ARM 控制器、网络接口、RFID电路、电流检测与滤波电路、充电控制电路和电源电路等模块组成，见图2。其中：ARM 控制器实现与其他模块的接口驱动[3]、数据解析和流程控制；网络接口是设备连接因特网的通道，使用嵌入式协议栈实现网络接入；RFID 电路由标准Mifare 系列的读卡IC 构成，通过SPI 接口与ARM 相连；电流检测使用霍尔传感器实现，经放大、低通滤波电路后送入AD 采样通道；充电控制电路是具有电气隔离的继电器控制驱动电路。

图2 硬件总体结构

2．2 网络接口电路

标准的以太网硬件接口包含MAC 控制器、PHY 驱动器、网络变压器和RJ45 接头等[4]。由于STM32F407 芯片在内部集成了以太网控制器，因而在电路上只需外接一块PHY 驱动芯片DP83848 即可实现网络数据收发。考虑硬件系统小型化要求，连接时采用了RMII 方式以减少信号线数量。电路中DP83848 的收发线路采用差分信号线走线，时钟信号由外部25 MHz 有源晶振提供，并在电源端串联磁珠、对地并联高频电容以改善信号特性。

2．3 电流检测与滤波

充电电流检测是系统获取充电状态和触发异常处理的基础。在电瓶充电过程中恒流充电阶段电流较大，进入恒压充电后电流逐渐下降直至涓流充电，且在涓流期电流多采用微小脉冲方式充电[5]，不易捕捉。因此，对这种电流动态范围大的场合使用霍尔传感的方法更为合适。ACS712 传感器内置放大、滤波、斩波与修正电路，可输出正比于电流的电压信号[6]。考虑充电时电流易受污染，存在大量谐波分量影响采样精度的情况，故在霍尔输出端使用运放构建放大和二阶有源低通滤波电路，提高输入ADC 的电压准确度。

3 软件组成与实现方法

3．1 软件结构与分层

系统软件分为控制器嵌入式软件和云平台服务器软件两部分。控制器嵌入式软件主要实现硬件驱动、IC 读卡、电流采样和计算等底层操作，以及TCP 数据收发等网络层操作。云平台的服务器程序为应用层软件，由控制台和数据库组成，主要实现基于Socket 的数据通信、数据格式解析以及与数据库操作等，其架构如图3 所示。

图3 系统软件架构

3．2 TCP 传输控制程序设计

基于TCP 的数据传输是网络功能的核心，为应用层提供了一种面向连接的、可靠的字节流服务[7]。图3 中的网络传输层程序分为嵌入式TCP传输和云平台的Socket 通信两大部分。设备的网络传输由LwIP 协议栈完成，这是一套用于嵌入式系统的开源TCP/IP 协议栈，能较好地解决网络协议栈在使用效率和分层之间的问题[8]。设计时在ARM 上运行UCOS-II，并开启定时、数据发送、数据接收等任务。定时任务实现网络心跳和采样定时；数据发送任务使用LwIP 中的TCP 和IP 层函数将数据送网络接口层发送；数据接收任务采用中断方式启动，并在回调函数中进行数据解析，将有效字段存入Flash 存储器。TCP 控制程序流程如图4。

图4 嵌入式TCP 控制程序流程

控制台软件使用Socket 与设备连接，当侦听到有连接请求时，控制台创建一个Socket 并开辟循环缓冲区用于保存接收的数据。当数据接收完成后开始解析步骤，获取数据帧中的运行参数或指令，并写入后台数据库或按指令进行比对查询，操作流程见图5。

实际使用时，由于服务器构建在云平台上，存在大量来自不同地域设备的并发连接请求。因此，每个连接都需要一个新的线程来处理。服务器控制台通过维护一张设备哈希表来区分当前连接绑定至相应的控制器设备。

3．3 数据库设计

系统在云平台上使用MYSQL 构建关系型数据库。由于涉及充电设备和用户两种对象，因此在设计时创建了“设备云”和“用户云”两个不同的数据表单。考虑使用网络服务商提供的动态IP 分配，系统在数据库中设计一张“中间表”来保存两者间IP 的对应关系，利用心跳包实时更新中间表的IP 对应关系，一次通过这三张表就可完成设备和用户的对应查找。

图5 服务器端TCP 控制程序流程

4 教学实施设计

4.1 课程体系设计

为实现产教融合，更好地将系统应用于教学和技术培训，面向物联网、电子信息、计算机网络、软件技术等专业设计了实验课程体系。将平台分解成硬件设计、网络传输、云平台搭建、数据库运维等部分，融入对应的专业实践课程，同时结合考证需求，将平台纳入考证实操要求，其课程体系设计如图6。

图6 中“云充电”系统的硬件设备层面向物联网应用技术、电子信息技术、电气自动化等专业开设，主要为硬件电路设计和嵌入式程序设计，衔接电工、仪器仪表装配工和CAD 绘图员等考证科目；网络层部分面向物联网和计算机网络专业开设，主要关注学员的网络配置和排故能力培养，衔接计算机网络管理员工种的培训；系统应用层平台面向软件技术、网络技术、云计算等专业开设，主要是WEB 前端技术和后台数据库运维的训练，衔接计算机程序设计员工种。

4.2 技能点设计

为满足行业从业人员和学生技能培训需求，针对系统结构，设计分层训练技能点见表1，以指导教学和培训的开展。其中：硬件部分主要面向一线安装调试人员，设置了读图、安装规范、设备检修等技能点；网络部分设置了网络配置、连接测试、网络故障修复等技能点；应用层则包括平台系统配置、设备接入工序、数据维护等技能点。

5 系统测试与应用效果

5.1 系统运行测试

图6 实验课程体系设计

表1 “云充电”系统教学培训技能点分解表

测试时，控制器硬件通过路由器以有线方式接入布置在“阿里云”平台上的服务系统，采用DHCP 方式获取本地IP。充电控制器通过“心跳包”每隔30 秒向服务器注册设备，控制台接收设备和用户的接入请求，记录接收的数据并转发控制指令。平台管理站点使用PHP+MySQL 方式布置。通过50 台设备随机接入实验，结果表明，云平台充电控制系统能有效实现充电桩的动态接入并实现统一管控，通过数据库可将设备、用户以及充电状态显示在管理页面，实现了网络技术、嵌入式技术与数据库技术的结合。

5．2 应用效果

“云充电”教学实验系统为传感器技术、智能硬件设计、电气控制、计算机网络运维、web 前后端技术、数据库技术等课程提供了实验平台支撑，并嵌入物联网应用技术专业群的实验培训体系。从2018—2019 年的实际使用情况看，系统各功能层在电子类、网络类和软件类专业实训中实现了全覆盖。系统设备层的知识与技能点在电子仪器仪表装配工考证教学中占60 %以上，在电子CAD 考证中占80 %；系统的网络层和应用层知识与技能点也在对应的计算机网络管理员、程序设计员考证中具有50 %左右的试题量；系统在相关课程中的平均使用率超过七成，且借助该教学实验系统，学生的技能考证平均通过率均在92 %以上，较好地为课证融通的实施提供了保障。

同时，针对无锡及周边城市的电瓶车充电从业人员开展相关技术培训，系统自2019 年上线运行至今，累计教学培训超5000 人次，系统已接入4 市15 个辖区80 多个社区，服务使用人数超过 5 万。

6 结 语

针对产教融合需求，结合行业应用提出的“云充电”教学实验系统涵盖了物联网各层技术，实现了电瓶车充电桩的动态接入和在线监管，扩展了物联网技术在居民生活中的应用，同时也为高职院校相关课程的教学提供了实验平台和项目化案例，有效实现了产学研联动，具有较好的推广价值。