一種新型電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊濤+程耕國(guó)+程驊+王海濤

摘 要： 針對(duì)充電樁推廣過程中通信方式不兼容問題，基于手機(jī)強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙近距離通信的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以手機(jī)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，通過藍(lán)牙和充電機(jī)控制電路建立連接；使用APP客服端完成充電業(yè)務(wù)并上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)至云服務(wù)器；運(yùn)用混合加密技術(shù)保證藍(lán)牙通信安全。APP客服端在云服務(wù)器的配合下可實(shí)現(xiàn)充電樁搜尋、智能充電、移動(dòng)支付等功能。通過測(cè)試，系統(tǒng)在多種復(fù)雜環(huán)境下正常工作，用戶體驗(yàn)良好，適合廣泛推廣使用。

關(guān)鍵詞： 充電樁； 藍(lán)牙； APP客服端； 混合加密

中圖分類號(hào)： TN876?34； TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）15?0179?04

Abstract： Since the communication mode of charging pile is incompatible in promotion process， a new charging pile control system for electric vehicle was designed， which is based on the characteristics of powerful mobile communication network and Bluetooth short?distance communication. The mobile phone is taken as the data transfer station in the system， and connected through Bluetooth and charger control circuit. The APP customer service?side is used to charge the electric vehicle， and transfer the real?time data to the cloud server. The hybrid encryption technology is adopted to ensure the security of Bluetooth communication. The functions of charging pile search， intelligent charging， mobile payment are realized by means of the coordination of APP customer service?side and cloud server. The test results show that the system can work normally in the multiple complex environments， has perfect user experience， and is suitable to promote and use widely.

Keywords： charging pile； Bluetooth； APP customer service?side； mixed encryption

0 引 言

近年來國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的大力推廣促進(jìn)了電動(dòng)汽車的快速發(fā)展[1]，但與之配套的充電樁建設(shè)進(jìn)度緩慢，目前充電樁與新能源汽車的比例只有0.41左右，距離國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的關(guān)于加快充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃中到2020年的充電樁與新能源汽車的比例11仍有很大發(fā)展空間[2]，預(yù)計(jì)未來幾年充電樁建設(shè)將進(jìn)入井噴式發(fā)展?fàn)顟B(tài)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)充電樁的發(fā)展在幾個(gè)龍頭企業(yè)的帶領(lǐng)下運(yùn)行模式也趨于成熟，淺析目前成熟的充電樁運(yùn)行模式，數(shù)據(jù)通信主要通過有線網(wǎng)絡(luò)、GPRS、WiFi加數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站方式和運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器、銀行支付平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接[3?4]，賬單支付多采用預(yù)充的射頻卡、銀聯(lián)刷卡方式完成[5]，上述幾種運(yùn)營(yíng)方式在面向小區(qū)、地下停車場(chǎng)、偏遠(yuǎn)地區(qū)等復(fù)雜環(huán)境下推廣存在數(shù)據(jù)通信不兼容、通信設(shè)備成本高、用戶體驗(yàn)不佳等問題。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙通信的新型充電樁控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)通信方式，通過藍(lán)牙和手機(jī)自有的通信網(wǎng)絡(luò)建立充電樁、APP客戶端、云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，智能APP完成充電支付功能，為充電樁大規(guī)模推廣提供一種新思路。

1 系統(tǒng)總體框架

充電樁控制系統(tǒng)由控制電路、APP客服端、云服務(wù)器組成，充電樁控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

控制電路是用戶和充電機(jī)之間的橋梁，根據(jù)APP客服端發(fā)送指令對(duì)充電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的充電操作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電機(jī)輸入輸出狀態(tài)信息，上傳至APP。

APP客服端是系統(tǒng)具有用戶注冊(cè)、用戶身份信息驗(yàn)證、充電操作、狀態(tài)信息顯示、消費(fèi)記錄查詢、故障信息整理上傳等功能。

云服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、處理、保存、發(fā)布等功能，為用戶和運(yùn)營(yíng)商提供業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖2所示。手機(jī)和充電樁硬件電路采用藍(lán)牙通信；APP客戶端基于手機(jī)的3G，4G，WiFi網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器建立數(shù)據(jù)連接；移動(dòng)終端和電腦通過自帶WiFi、光纖、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和云服務(wù)器后臺(tái)連接。

為了保證藍(lán)牙通信數(shù)據(jù)安全，用戶需要通過APP客服端掃描充電樁上面的二維碼標(biāo)識(shí)或者手動(dòng)輸入充電樁設(shè)備號(hào)，APP客服端從服務(wù)器獲取藍(lán)牙秘匙和充電樁建立藍(lán)牙連接。數(shù)據(jù)通信中采用一種基于RC4和RSA的混合加密算法[6]，數(shù)據(jù)加密解密過程如圖3所示。利用RC4在數(shù)據(jù)加密的高效率和RSA在秘匙管理上的優(yōu)勢(shì)，首先使用RC4對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，然后再對(duì)RC4秘匙進(jìn)行RSA加密組成一包完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。接收端接收數(shù)據(jù)，通過RSA進(jìn)行解密還原RC4秘匙，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)原文進(jìn)行解密還原。藍(lán)牙通信采用的是自主研發(fā)的UOE通信協(xié)議，多重?cái)?shù)據(jù)校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)完整無誤。

2 充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制電路

控制電路設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

2.1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由控制器、充電機(jī)控制接口、藍(lán)牙模塊、E2PROM等部分組成，硬件電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制器和充電機(jī)接口通過CAN總線通信，采用外接TJA1050型號(hào)收發(fā)器；串口藍(lán)牙模塊和主控MCU串口2直接相連；E2PROM通過I2C和控制器I/O口通信。

控制器采用意法半導(dǎo)體STM32F407ZET6處理器，功能強(qiáng)大，擁有串口IAP功能，可通過APP客服端實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)。充電機(jī)控制接口為充電機(jī)和控制器信息交換窗口，接收控制器控制指令返回充電狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)傳輸采用J1939通信協(xié)議[7]，根據(jù)任務(wù)需求和透?jìng)鲾?shù)據(jù)類型定義4種報(bào)文，分別為控制器向充電機(jī)發(fā)送握手報(bào)文、控制器回送握手報(bào)文、充電機(jī)向控制器發(fā)送充電機(jī)輸出電壓電流大小和蓄電池電壓信息報(bào)文、充電機(jī)向控制器發(fā)送充電機(jī)溫度剩余充電時(shí)間和已充電量報(bào)文。藍(lán)牙模塊采用NRF51822低功耗藍(lán)牙，藍(lán)牙4.0協(xié)議棧，串口AT指令操作，穩(wěn)定可靠[8]。E2PROM用來保存充電樁運(yùn)行狀態(tài)過程的用戶信息、充電樁輸出狀態(tài)信息、故障日志等，掉電不易失的特點(diǎn)保證系統(tǒng)有良好的容錯(cuò)能力。

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)

為提高開發(fā)效率，控制電路搭載μC/OS?Ⅱ V 2.91軟件平臺(tái)[9]。根據(jù)控制電路功能需求設(shè)計(jì)5個(gè)控制任務(wù)并分配不同的優(yōu)先級(jí)，任務(wù)之間通過郵箱傳遞數(shù)據(jù)，系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)規(guī)劃如表1所示。優(yōu)先級(jí)高（數(shù)值?。┐砣蝿?wù)有較高CPU使用權(quán)，向充電機(jī)發(fā)送充電控制任務(wù)負(fù)責(zé)發(fā)送開啟充電和停止充電指令，享有最高優(yōu)先級(jí)，確保出現(xiàn)異常故障即刻停止充電。

充電樁硬件控制電路接收APP客服端發(fā)送的指令開啟充電，充電模式分為自動(dòng)充（充滿為止）、定量充、定時(shí)充3種，定時(shí)充是由用戶設(shè)定充電時(shí)長(zhǎng)，定時(shí)充程序流程圖如圖5所示。用戶選擇定時(shí)充電，等待充電槍連接后鎖定充電槍開啟充電，實(shí)時(shí)判斷充電時(shí)間是否結(jié)束、電池是否充滿、是否收到結(jié)束充電指令，任一條件滿足結(jié)束充電，等待用戶支付，解鎖充電槍完成此次充電。充電過程將充電樁輸出狀態(tài)信息通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至APP客服端，充電過程出現(xiàn)異常立即結(jié)束充電，并將故障信息寫入E2PROM，等待藍(lán)牙連通上傳至服務(wù)器。

2.2 APP客服端

APP客服端作為用戶、控制電路、服務(wù)器三者的信息處理平臺(tái)，在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，客服端采用C/S結(jié)構(gòu)體系，按照人機(jī)界面、業(yè)務(wù)邏輯、功能應(yīng)用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]。APP客服端主要負(fù)責(zé)用戶管理、人機(jī)交互、充電樁搜索、智能預(yù)約排隊(duì)充電、充電模式選擇、故障日志上傳、社區(qū)互動(dòng)、賬單支付等功能。為滿足用戶需求分別設(shè)計(jì)了支持Android和IOS版本的客服端。

（1） 用戶管理。用戶通過手機(jī)號(hào)碼完成注冊(cè)，APP客服端通過手機(jī)號(hào)作為用戶ID完成信息管理。

（2） 人機(jī)交互。通過交互界面可完成信息查詢，指令下達(dá)，充電機(jī)狀態(tài)信息顯示。

（3） 充電樁搜索。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)錄入充電樁的坐標(biāo)信息和惟一標(biāo)識(shí)碼，APP客服端調(diào)用百度地圖獲取附近充電樁位置和空閑狀態(tài)。

（4） 智能預(yù)約排隊(duì)充電?？商崆邦A(yù)約充電場(chǎng)地和充電時(shí)間，當(dāng)前無空閑充電樁可用也可使用智能排隊(duì)充電，將備用充電槍和電動(dòng)汽車相連，等待充電機(jī)空閑自動(dòng)完成充電任務(wù)。

（5） 充電樁模式選擇。充電樁支持定時(shí)充、定量充、自動(dòng)充三種充電模式。

（6） 故障日志上傳。充電過程出現(xiàn)故障，APP客服端會(huì)將錯(cuò)誤信息上傳給服務(wù)器，供運(yùn)營(yíng)商排除故障。

（7） 社區(qū)互動(dòng)。針對(duì)每一個(gè)充電場(chǎng)地設(shè)置互動(dòng)社區(qū)，用戶可留言討論，方便其他用戶的同時(shí)反饋用戶意見，方便運(yùn)營(yíng)商改進(jìn)服務(wù)質(zhì)量。

（8） 賬單支付。充電完成，APP客服端可使用支付寶、微信、銀聯(lián)等方式完成支付。

2.3 云服務(wù)器

簡(jiǎn)單的通信方式意味著云服務(wù)后臺(tái)有著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、加工能力，云服務(wù)器主要由超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型信息存儲(chǔ)單元、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、平臺(tái)軟件等部分組成。為滿足用戶全方位需求和運(yùn)營(yíng)商復(fù)雜的增值業(yè)務(wù)，云服務(wù)器具有高可靠性、廣泛適用性、可擴(kuò)展性[11]等特點(diǎn)。云平臺(tái)開發(fā)主要圍繞數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享三個(gè)方向展開。

（1） 數(shù)據(jù)處理。針對(duì)充電樁充電環(huán)節(jié)中多級(jí)客戶需求，利用云技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)加工存儲(chǔ)功能完成來自終端的海量終端設(shè)備和后臺(tái)管理員的數(shù)據(jù)處理。為滿足大量客戶集中訪問，避免高并發(fā)現(xiàn)象，使用高性能的服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)以及負(fù)載均衡技術(shù)緩解服務(wù)器壓力。

（2） 數(shù)據(jù)分析。云服務(wù)器通過對(duì)海量充電信息進(jìn)行深度挖掘，運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘算法和數(shù)據(jù)分析方式深度解析充電時(shí)間和地點(diǎn)等數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)用戶、運(yùn)營(yíng)商、電力公司提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、高效、快捷的數(shù)據(jù)后臺(tái)接口。

（3） 數(shù)據(jù)共享。針對(duì)數(shù)據(jù)處理過程中的數(shù)據(jù)共享、交換難題，設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)。數(shù)據(jù)共享平臺(tái)建設(shè)遵循標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、開放性、全面集成原則，對(duì)多級(jí)用戶需求采用分層設(shè)計(jì)，制定規(guī)范數(shù)據(jù)接口，確保數(shù)據(jù)互用，多級(jí)子系統(tǒng)差異數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合處理。

3 應(yīng)用實(shí)例

系統(tǒng)委托深圳天瑞科技有限公司進(jìn)行測(cè)試，目前已經(jīng)通過測(cè)試開始面向湖北部分地區(qū)推廣使用。通過對(duì)大型地下停車場(chǎng)、小區(qū)、偏遠(yuǎn)村莊等多個(gè)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)均符合要求。APP功能展示如圖6所示，用戶在客戶端首頁可獲取附近充電樁地址、空閑狀態(tài)、資費(fèi)等信息，用戶根據(jù)需求預(yù)約相應(yīng)的快充和慢充地點(diǎn)，配合地圖導(dǎo)航到達(dá)目的地選擇相應(yīng)的充電模式開啟充電，充電過程中可實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前充入電量、剩余充電時(shí)間等狀態(tài)信息，充電中途用戶離開充電樁，系統(tǒng)也可根據(jù)預(yù)先設(shè)定模式完成充電操作，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)快充模式下1 h可完成80%的電量，充電結(jié)束，用戶可選擇使用支付寶、微信完成支付。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)基于藍(lán)牙通信優(yōu)勢(shì)和手機(jī)強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合APP客服端和云服務(wù)器設(shè)計(jì)一種適合廣泛推廣的新型充電樁控制系統(tǒng)。解決傳統(tǒng)充電樁控制系統(tǒng)中充電機(jī)、客戶端、服務(wù)器之間數(shù)據(jù)通信復(fù)雜，面向多種環(huán)境通信不兼容的問題，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)鏈路，降低設(shè)備成本，通過APP客服端即可完成預(yù)約充電、地圖導(dǎo)航、移動(dòng)支付等功能，方便快捷，結(jié)合云服務(wù)后臺(tái)為用戶的個(gè)性化需求、運(yùn)行商推廣、電網(wǎng)用電分析提供有力支持。

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