智能共享充电控制系统的设计与实现

陈海云， 潘 凯， 黄秋萍

(1.浙江师范大学 信息光学研究所，浙江 金华 321004;2.杭州师范大学 东城中学， 浙江 杭州 310000;3.浙江师范大学 物理与电子信息工程学院，浙江 金华 321004)

0 引 言

随着人们生活水平的提高，电瓶车逐渐取代了传统的人力自行车.电瓶车轻便、省力，因而成为很多学生在校园中首选的日常交通工具.为了满足广大校园用户的充电需求，校园内设置了大量的充电桩，但在使用过程中发现很多问题，以浙江师范大学为例，目前的充电桩采用刷卡定时充电方式，实际仅提供一个交流电插座，定额扣费，一次充电时间固定，功能单一，共享效率低.归纳起来主要问题有：1)充电时间固定，不能按照实际情况改变充电时间；2)充电过程中容易被他人拔除盗用；3)缺少信息交互，用户无法实时了解充电进程.文献[1]设计了一款针对校园电瓶车的智能充电控制系统，可以调整充电电压和电流，充电结束后能通过蓝牙提醒用户,但并未实现对充电过程的实时监测，未能防止或降低中途被拔除的可能性，蓝牙通信有效距离过短，不利于远距离的信息交互.

针对校园电瓶车充电中的实际问题，笔者设计了一款智能共享充电控制系统，将传统充电桩与充电器整合在一起，增加智能控制模块,以实现对充电过程的实时监测，并通过GPRS(general packet radio service)模块实现与用户之间的信息互动，真正实现智能化充电，并大大提高公共充电装置的共享效率.

1 设计原理

本文设计的智能共享充电控制系统将通用充电器包含在内，智能控制基于对充电过程中充电电流的实时监测.为了掌握充电过程中的电流变化数据，笔者实际测量了一个充电周期中电压与电流随时间(t)的变化关系，如图1所示.充电过程电压信号虽有波动，但基本保持稳定；然而电流信号会随着充电过程的进行而逐渐减小，充电完成后趋于稳定的一个小电流值(约为0.4 A).因而充电过程的电流值可以作为充电进程的指示信号，通过对电流信号进行监测可以估算充电的进度，同时作为状态判断的依据，电流稳定为0.4 A即为正常终止状态，而如果电流值瞬间降为0，那么可判定为异常终止状态，即在充电过程中被人为拔除.

(a)电压 (b)电流

充电控制器要实现的功能要点：1)当电流从大电流逐渐降低到小电流的稳定变化时，充电状态正常，继电器闭合持续充电，他人无法刷卡干扰；2)稳定在小电流(约0.4 A)时为正常终止，充电结束后继电器断开，发短信至用户提醒，同时释放权限，供下一用户使用；3)若中途将充电器拔除，电流会瞬间降到0 A，即为异常终止，继电器断开，并向当前用户发短信警报.异常状态时，充电器功能权限被锁定，其他用户无法使用，只有当前用户或管理员方可重新激活使用，从而最大限度地降低被中途拔除盗用的可能性；4)在充电过程中用户可以主动发短信查询状态，系统将当前电量的百分比和剩余时间发送到用户手机.

2 系统结构和控制流程

2.1 充电控制系统结构

智能共享充电控制系统的模块结构如图2所示.图2中，主芯片采用Arduino Uno单片机，Arduino Uno单片机有开源的硬件资源和软件库函数[2-3]，硬件连接和软件编程相对容易，与常用模块间的接口有库函数供调用.刷卡模块采用基于射频识别技术RFID(radio frequency identification)的MF-RC522，通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据[4]；短信模块采用GPRS-GA6，Arduino Uno单片机通过串行口控制GPRS模块实现与用户间的短信互动[5]；显示模块采用OLED-12 864，为128×64行点阵的OLED单色、字符和图形显示模块，具有4位并行数据接口，可与Arduino Uno直接相连；电流检测模块采用ACS712LCH-20A-T，检测电流范围为-20～20 A，输出电压(Vout)与检测电流(Ip)的对应关系如图3所示，电源电压(VCC)为5 V、温度(T)为25 ℃时，电压与电流的关系式为Vout=2.5+0.1×Ip，精度为100 mV/A[6].

图2 系统模块结构图

图3 电流传感器ACS712的电压与电流关系

2.2 充电控制工作流程

充电控制工作流程如图4所示.用户首次刷卡时系统将自动记录并保存用户IC卡的信息及绑定的手机号码.电瓶车充电正常结束时，系统发送充电完成短信到用户手机.

图4 充电控制工作流程图

若在充电过程中被他人拔除，在拔除的一瞬间系统将停止输出供电，并锁定权限，其他用户无法使用此系统进行充电，只有当前用户本人或管理员的IC卡才能再次开启系统，同时系统给用户发出一条短信，通知用户充电被中断，请及时处理并重新充电，或联系管理员继续充电.在充电过程中，用户可以主动发短信查询充电状态，系统接到短信后将当前充电状态信息以短信方式反馈给用户，反馈信息包括当前充电进度完成的百分比及估算的剩余时间.

3 结果分析

设计完成的智能共享充电控制系统样机如图5所示.

图5 智能充电控制系统实物图

图5中，封装内下层为电瓶车充电器，上层为由各模块组成的智能控制系统.表1所示为一个充电周期的测试结果，包括在不同充电状态下的充电电流、显示内容、继电器状态及短信交互内容.记录结果显示，系统能够实时有效检测到充电电流信号，并能根据电流信号的状态和变化来决定继电器的状态；系统能与用户之间进行准确有效的短信交互，不同状态下用户收到的短信内容如图6所示.测试结果表明，该系统能够实现智能共享充电控制系统的各项功能要求.

表1 1个充电周期的实测记录

(a)状态查询 (b)异常终止 (c)充电结束

4 结 论

本文设计并实现了一款智能共享型充电控制系统，通过实时监测充电电流来判断充电状态，并通过短信方式与用户之间实现信息互动，在正常结束和异常终止时通过短信提醒用户，用户亦可主动发送短信获取当前的充电状态信息，实现了充电控制智能化.该系统将充电器集成于一体，并能在正常充电结束时及时释放权限，大大提高了共享的效率.而在异常终止时系统自动锁定，其他用户无法充电，从而从行为动机层面最大限度地降低了正常充电过程中被拔除盗用的可能性.近年来，校园智能充电系统的应用需求量大幅度地增长，在共享经济不断发展的时代背景下，智能共享充电桩的建设速度仍会不断加快，本文的研发成果有望得到更好的应用和推广.