智慧校园建设方案之基于RS-485总线的充电桩设计方案

（作者：陆灿楠叶桦仰燕兰阙宇翔在此特别鸣谢）摘要：针对目前大学园区电动自行车数量大量增加，且园区缺少安全可靠的充电设备的情况，本文设计了一个基于微信公众平台的电动自行车充电管理系统，能够很好的解决校园内电动自行车充电困难的问题，机电消除私拉乱接电线的安全隐患。电动车充电管理系统分为充电站智能终端、服务器后台、微信客户端、网页管理终端等。充电站智能终端采用 RS-485 总线实现与智能充电器的通信，实时掌握充电状态。后台服务器采用 MVC 架构，给微信客户端和网页版管理后台提供查询接口，实时监测充电状态。该管理系统还实现了微信支付功能，可以实现对充电的按时按量收费。实践证明，该充电管理系统能够很好的解决当前校园充电乱象，具有良好的市场前景。
关键词：电动自行车；智能充电器；微信平台；管理系统
0引言
近年来，电动自行车作为一种高效、便捷、价格低廉的交通工具，越来越受到人们的欢迎，尤其是在大学校园，购买电动车也成为一种趋势。但是大学园区宿舍不同于普通居民宿舍，电动车充电设备并不齐全，在大学宿舍随意乱拉电线、私接电线给电动车充电的现象屡见不鲜。这种现象的长期存在，具有很大的火灾隐患。根据消防部门的数据统计，在所有的火灾事故中，电动车充电造成的事故占10%，造成了巨大的损失。目前，有关城市已经开始筹建相应的电动自行车充电棚以解决电动自行车充电困难的问题。大学校园作为电动自行车新的市场，需要逐步完善充电设备的建设。本文意在设计一个电动自行车充电管理系统，按照充电时间以及充电量进行计费，通过微信客户端实现对充电状态的实时监测，能很好的解决校园电动车充电困难的问题。
1电池充电原理
铅蓄电池充电主要有两种模式，恒压式充电和三段式充电。恒压式充电是指在充电时在蓄电池的两极施加恒定的电压，在充电过程中电压保持恒定，随着蓄电池两端电压的升高，充电电流逐渐降低，这种充电方式电解水很好，可以防止对电池的过充。现在市面上一些快速充电方案多采用这种方式。但是恒压充电在充电初期，由于蓄电池两端电动势较低，初始充电电流很大，会对电池的寿命产生很大影响，另外容易使蓄电池两端的极板弯曲，造成电池的永久报废。
恒压充电的充电电压、电流曲线如图 1 所示。
【智慧校园建设方案之基于RS-485总线的充电桩设计方案】

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图 1 恒压充电电压电流曲线
三段式充电包括恒流、恒压、降压浮动充电三个阶段。在恒流阶段，充电电流保持恒定，电池电压逐渐上升，充入电量也快速上升。当电池电压达到一定阈值时，充电装置进入恒压充电阶段，此时充电电压保持恒定，充电电流逐渐下降。当充电电流下降到浮充转换电流后，进入浮动充电阶段，此时可认为电池已基本充满。三段式充电方式在充电初期采用恒流充电方式，避免了恒压充电在充电初期的大电流，能很好的保护电池。目前，市面上大多数的电动自行车充电模块多采用三段式充电方式。三段式充电的充电电压、电流曲线如图 2 所示。

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图 2 三段式充电电压电流曲线
2充电模块硬件设计
通过分析恒压式充电和三段式充电优缺点，本文的智能充电模块采用三段式充电方式。智能充电模块硬件结构图如图 3 所示。
市电220V交流电经整流滤波电路变成直流，后经开关驱动电路斩成方波，再经过高频变压、滤波电路实现对铅蓄电池的充电。恒压控制电路和恒流控制电路通过对电压、电流的采样，控制脉宽调制电路实现对开关驱动电路的控制，使智能充电器对电池的充电工作在恒压、恒流、浮压充电模式。
模块硬件主芯片采用意法半导体公司的STM32F103C8T6微控制器。该芯片最高可工作在 72MHz，具有三级流水线。该芯片具有64KB闪存程序存储器和20KB 内部 SRAM 。它带有3个异步URAT通信接口，支持全双工通信，通过在芯片外围添加MAX485芯片可以将智能充电器接入485总线，实现和智能控制终端的主从通信。

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图 3 智能充电模块硬件结构图
STM32F103C8 芯片还带有2个12位16通道AD 转换模块，能够满足对充电电压、电流的采样要求，不需要采用外接AD模块，降低了系统设计的复杂程度和设计成本。
微控制器将采集的电压、电流信息经 RS485 总线实时输出给控制终端。控制终端根据电压、电流信息，分析电池充电状态，当电池电量充满时，控制终端发送关闭电源指令，微控制器最终控制固态继电器关闭电源，防止对电池的过冲。
3 通信协议
本文采用 RS-485 总线通信接口实现智能充电器与数据终端的主从通信。RS485 总线通信标准是美国电子工业协会在 RS-422 标准基础上研究出的通信协议。RS485 采用差分信号逻辑，接口采用平衡驱动器和差分接收器组合，具有很强的抗干扰性能。RS-485 拥有多站能力，连接多达128个收发器，并且具备较远的传输距离，在通信速率不大于 100kbs 的条件下，有效传输距离不小于1200m 。
数据链路层协议本文采用 Modbus 通信协议。Modbus 通信协议是 Modition 公司倡导的一种通信规约，它采用主从问答方式，是一种标准、开放的网络通信协议，目前在RS232和 RS485 通信过程中，广泛采用这种协议。Modbus 通信协议有两种传输方式，Modbus ASCII 和 Modbus RTU 。ASCII 模式中的数据采用 ASCII 码表示，消息中的每 8 位字节作为两个 ASCII 发送，采用 LRC 数据校验方式。RTU 模式中数据采用非压缩 BCD 码方式，传输数据中每 8 位字节分为2 个 4 位BCD 码传输，相比于ASCII 模式有更高的传输密度，RTU 模式采用 CRC 进行数据校验。目前市场上大多数通信仪表多采用Modbus RTU 方式，为保证硬件兼容性，本文采用RTU 通信模式。图 4 为 Modbus RTU 方式消息帧格式。

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图 4 Modbus RTU 方式消息帧格式
4 智能充电器软件设计
本系统智能充电器软件设计采用模块化设计方式，主要包括 AD 数据采集模块、数字滤波模块、RS-485 通信模块，以及充电电源的开合控制。
系统上电后，微控制器读取各种初始化参数，并启动 AD 转换采集电压、电流数据 , 并通过 RS485 总线将充电数据实时传送给控制终端。系统采用中断方式监测控制终端发送的控制数据，实现对充电电源的开合控制。
本文采用平均滤波算法对采集电压电流数据进行数字滤波，能有效的滤除随机干扰和电网电压波动造成的影响。软件程序流程图如图 5 所示。

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图 5 智能充电器软件流程图
5 控制终端
本文的控制终端采用 H290-1900J 工控电脑。该控制器采用 Windows 7 系统，可方便编写程序实现和智能硬件的通信。H290-1900J 带有 300M 无线网卡，可以实现和后端服务器的网络通信。它还带有串口通信模块可以挂载RS-485 总线实现和智能硬件的主从通信。
控制软件采用 C# 作为编程语言，C# 是微软推出的面向对象的编程语言，能十分方便的编写上位机控制软件。控制端软件分为 4 个功能模块：界面模块、控制模块、串口通信模块、网络通信模块。界面模块实现良好的用户界面，方便管理员进行信息输入以及相关参数的查看。串口通信模块通过RS-485 总线实现和总线上各个子模块的通信，并实现对从设备的控制。网络通信模块采用http 通信方式，调用后端服务器网络通信接口，实时传送充电状态参数并实现命令的收发。
6服务器设计
当前，微信应用已经成为人们日常生活中不可或缺的手机应用，用户量庞大。2012 年，腾讯公司推出微信公众平台，宣传口号是“再小的个体，也有自己的品牌” 。微信公众平台可以帮助政府、媒体、企业、组织和个人进行品牌推广，减少运营成本。另外微信公众平台的开发和维护费用较之传统的手机应用有很大的优势，降低了前期开发成本。
微信公众账号分为订阅号和服务号两种类型，它们在功能和用途上有比较大的不同，订阅号主要是面向媒体和个人，方便为用户提供资讯和信息；服务号主要是面向企业和组织，为用户提供管理和业务服务。本文申请功能更加丰富的服务号进行微信公众平台的开发。
微信公众号可以设置自定义菜单，使公众号成为一个轻量级的应用。自定义菜单提升了公众账号的交互属性，用户点击自定义菜单就可以获取相应的内容。另外对于 view 类型的菜单按钮，微信客户端会打开开发者在按钮中填写的URL，通过微信内置的浏览器与web app 进行交互，方便用户快速进入网页应用。
本文基于微信公众平台开发了电动车智能充电系统微信客户端。用户通过该客户端可以查看系统中充电设备的状态，并选择空闲设备进行充电。另外，借助微信平台提供的微信支付功能，本设计可以实现在线按时付费，较之传统的投币式和刷卡式付费方式，本设计降低了硬件设计的成本和设计难度，具有很强的扩展性。
为方便管理者对系统进行监控和管理，本文还实现了网页版管理后台。网页版管理后台采用前后端分离方式，后端和微信公众平台共用一个 JAVA 服务器。服务器采用SpringMVC 框架。SpingMVC 是最近几年发展起来的一个 MVC 框架，很好的体现了分层的思想，即模型（Model）、视图（View）、控制器（Controller）。MVC 模式使软件很好的分层，使程序更加容易维护。MVC 模式各部分都有各自的作用，模型层控制数据的存储以及软件的业务逻辑。视图层用来提供用户界面。控制器是模型层和视图层的桥梁，用来控制数据在视图层的流动。
前端采用 AngularJs 框架构建业务逻辑。AngularJs 是一个前端 MVVM 框架，借助它并与其它 Web 技术，如HTML、CSS、JavaScript 等配合使用，能够使 web 应用开发比以往更加简单，便捷。借助 AngularJs 双向数据绑定以及依赖注入的特性，降低了构建前端应用的难度。网页版管理后台主要实现了用户管理、充电数据管理，充电状态监测和数据推送等功能。另外管理后台还对充电数据进行分析，生成充电状态曲线，便于管理者及时发现充电异常情况。
7.安科瑞电动自行车充电桩平台介绍（含选型）
7.1平台结构

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7.2设备选型：
ACX10A-YH 刷卡扫码充电，刷卡充电需要在管理处预存电费充值后进行刷卡充电，也可接入充电桩管理云平台通过扫码充电。

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7.3功能描述：
① 电瓶车智能充电桩最大可外接 10 路插座，每个插座只支持一台电瓶车通过车配充电器充电。
② 电瓶车智能充电桩可支持刷卡、扫码两种付费充电模式，具体设备支付功能以订货要求为准。扫码充电功能需与云平台联网后使用。
③ 电瓶车智能充电桩具备语音播报功能。
④ 电瓶车智能充电桩可以按时间或电量充电。
⑤ 功率识别，电瓶车智能充电桩具备检测大功率负载功能，可以设定功率报警值，达到报警值时会断开对应充电回路，防止用户私接插线板给多台电瓶车充电或大功率设备进行充电。出厂默认设定300W 。
⑥ 电瓶车智能充电桩支持多次刷卡或扫码后，再按键充电的功能，充电时间将自动累加。出厂默认设定 1 次，即刷卡或扫码1次按键后，才能再次刷卡或扫码。
⑦ 电瓶车智能充电桩可开启免费充电功能
⑧ 故障回路识别，电瓶车智能充电桩可判断继电器故障或计量故障导致的故障回路，显示该回路故障信息，断开回路。
⑨ 断电记忆，当出现电网停电时，来电恢复后可继续使用剩余的时间充电。
⑩ 空载保护，用户拔掉充电器或充电器插头未插紧，若还有剩余时间或电量，则会发出报警，同时在已设定的一定时间内关闭该回路供电。
? 充满自停，电瓶车充满电量后，若还有剩余时间或电量，则会发出报警，同时在已设定的一定时间内关闭该回路供电。
? 短路保护，电瓶车智能充电桩每个出线回路均设置有熔断器保护，在发生短路意外时，会使熔断器熔断。
? 箱内过温保护，也可根据需求设置夜间禁止充电时间。

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8结束语：
本文实现了一种基于云平台的电动车智能管理系统。通过 RS-485 接口总线将智能设备与智能网关设备进行联网，网关设备通过与后台服务器的通信将各个充电器节点接入公有云，实现智能硬件的联网化。借助微信公众平台实现对充电状态的监控，用户可以随时查看充电状态。服务器实时监测充电电压和电流，当充电负荷超过设定阈值时，可以及时关闭充电设备，防止危险情况的发生，另外对电流参数的监测可以及时关闭电源，防止过冲，延长电池使用寿命。实践证明，本设计稳定可靠，具有良好的商业推广价值。

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智慧校园建设方案之基于RS-485总线的充电桩设计方案

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