電動(dòng)自行車智能充電檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)＊

［施達(dá)雅］

1 引言

小汽車、電動(dòng)自行車和公共交通工具是居民日常出行的三大工具，其中電動(dòng)自行車因?yàn)楸憷?、?jié)能和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，提高了出行效率，成為多數(shù)家庭更傾向選擇的短途交通工具，以及物流、外賣等民生行業(yè)的重要工具。根據(jù)中國自行車協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年我國城鎮(zhèn)內(nèi)兩輪出行約占出行總量30%，電動(dòng)自行車出行或?qū)⒊蔀槲磥韲鴥?nèi)城市兩輪出行主流等。但是伴隨著車輛的增長，闖紅燈、逆行等導(dǎo)致交通事故率增長、充電引發(fā)的火災(zāi)事故頻發(fā)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中因電動(dòng)自行車蓄電池充電所引起的火災(zāi)約1.95 萬起，比去年同期上升18.7%，這些事故不少都是因入室充電、飛線充電等造成的[2]。因此，如何兼顧出行效率與安全充電是電動(dòng)自行車面臨的首要問題。

由于電動(dòng)車自行車充電事故頻發(fā)，因此迫切需要政府、企業(yè)等組織共同合力，為其充電提供安全有效的保障，盡可能地設(shè)置集中停放場(chǎng)所和充電設(shè)備。工信、公安、市場(chǎng)監(jiān)督等部門先后出臺(tái)并落地執(zhí)行新國標(biāo)的相關(guān)政策，近兩年全國大部分城市已開展電動(dòng)自行車登記、備案、上牌工作[3]。因此本系統(tǒng)在基于電子車牌有效存儲(chǔ)車輛信息的基礎(chǔ)上，使其有效地用于電動(dòng)車的充電過程管理。

2 方案概述

電子車牌作為車輛的“數(shù)字身份證”已在貨車電子圍欄和公交車優(yōu)先通行等方面有應(yīng)用成效，表明了電子車牌系統(tǒng)的國家戰(zhàn)略規(guī)劃正在逐步推進(jìn)。未來的智能交通將是由大范圍布設(shè)感應(yīng)器、通信設(shè)備和其他設(shè)備的新型智能化基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，交通管理、交通運(yùn)輸將進(jìn)入嶄新的階段，也將為出行者提供越來越多便捷、舒適與個(gè)性化的服務(wù)。

電動(dòng)自行車作為居民出行的主要交通工具之一，但是電動(dòng)車引發(fā)的違章騎行、交通擁堵、充電事故等情況已成為亟待解決的問題。雖然電動(dòng)自行車的電池安全事故頻發(fā)，但是不安全充電情況卻屢禁不止。這些事故都源自于缺乏對(duì)電氣線路的檢測(cè)以及未按規(guī)范使用電氣設(shè)備的緣故。此外，為了大力踐行國家提倡的節(jié)能減排政策，因而電動(dòng)自行車的智慧節(jié)能用電也是長期持續(xù)的方向。

電子車牌作為RFID 技術(shù)在智慧交通領(lǐng)域的應(yīng)用之一，可承擔(dān)起對(duì)電動(dòng)自行車的智慧管理[4]。智慧空開是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、使用人工智能作為核心、利用無線通訊技術(shù)來傳遞采集及控制信息，以實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的智能管理。本系統(tǒng)結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、電子車牌與智慧空開等技術(shù)、設(shè)備，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款集成電動(dòng)自行車的身份識(shí)別、用電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理等方面功能的系統(tǒng)，并且能夠根據(jù)采集的線路參數(shù)判斷預(yù)警及空開通斷，使用用電大數(shù)據(jù)預(yù)判用電情況。本系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示，整個(gè)系統(tǒng)由含智慧空開的充電樁、車牌識(shí)別模塊、智慧用電管理平臺(tái)及客戶端組成。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于電子號(hào)牌的電動(dòng)自行車智慧充電檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于安裝電子號(hào)牌的車輛，系統(tǒng)首先通過感應(yīng)識(shí)別設(shè)備獲取數(shù)字號(hào)牌中的車輛信息，識(shí)別完成后開始進(jìn)行充電并監(jiān)測(cè)充電線路中各參數(shù)的狀態(tài)，采集用電狀態(tài)信息并以無線方式上傳系統(tǒng)。在系統(tǒng)管理平臺(tái)中能直觀、超前的分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)電氣火災(zāi)隱患發(fā)展態(tài)勢(shì)并及時(shí)發(fā)送預(yù)警信息。充電結(jié)束后，用戶可在現(xiàn)場(chǎng)或根據(jù)客戶端所顯示電量完成繳費(fèi)離場(chǎng)。本系統(tǒng)即使在號(hào)牌遮擋、破損情況下也能精準(zhǔn)感知車輛信息，能根據(jù)采集的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)相應(yīng)充電數(shù)據(jù)，從而在源頭上實(shí)現(xiàn)車輛有效監(jiān)管和溯源；另一方面，電動(dòng)車作為“有身份”的車輛后，可通過對(duì)電池的充電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，將預(yù)警信息及時(shí)通知車主，減少電動(dòng)車爆炸的安全隱患。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 電子車牌識(shí)別模塊

電子車牌是基于無線射頻技術(shù)的產(chǎn)物，它的靈敏度和精確度都較高。電動(dòng)自行車電子車牌也是基于電子標(biāo)識(shí)核心技術(shù)，內(nèi)嵌RFID芯片，且表面印有二維碼的一體化號(hào)牌。它將電動(dòng)自行車的相關(guān)信息如用戶、型號(hào)等信息加密存儲(chǔ)于射頻標(biāo)簽之中，在自動(dòng)且非接觸的形式下，被車牌讀寫器讀取相關(guān)信息[5]。

電子車牌識(shí)別模塊的具體組成如圖2 所示,此部分由嵌入RDID 芯片的電子車牌、車牌讀寫器及傳輸電路等組成。當(dāng)裝有電子車牌的電動(dòng)自行車輛停放在充電樁時(shí)，充電樁上的識(shí)別設(shè)備發(fā)射無線射頻信號(hào)，芯片對(duì)信號(hào)驗(yàn)證成功后，將芯片中包含的車牌、用戶等信息隨電信號(hào)發(fā)送回讀寫器，最后車牌讀寫器再將車牌的相關(guān)信息傳輸至系統(tǒng)平臺(tái)處理，由系統(tǒng)進(jìn)行與此有關(guān)的用電量、狀態(tài)、位置等關(guān)聯(lián)與統(tǒng)計(jì)。

圖2 智能車牌識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 智能充電模塊

本模塊主要用于電動(dòng)自行車的充電量采集和用電情況監(jiān)控。主要以智慧空開為核心元件，采用多維度智能檢測(cè)電參數(shù)的方式。通過實(shí)時(shí)采集線路中的各類電參數(shù)，監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)用電量，推送電量信息及線路信息至控制平臺(tái)。平臺(tái)通過分析確定有無漏電、電弧、過載、短路、線纜溫度異常等多項(xiàng)電氣安全危害，并精確定位電氣火災(zāi)隱患地址。

智慧空開系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，本模塊由空開、電源和網(wǎng)關(guān)組成，網(wǎng)關(guān)模塊下行通過RS485 串口和空開通信，上行通過有線網(wǎng)絡(luò)、4G 無線和wifi 等方式和平臺(tái)通信。當(dāng)空開模塊采集完數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關(guān)模塊可通過wifi 模塊或4G 模塊與系統(tǒng)管理平臺(tái)通信，由系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)并反饋[6]。本模塊既可將空開模塊的監(jiān)控測(cè)試數(shù)據(jù)上送平臺(tái)，又能從平臺(tái)接收遠(yuǎn)程控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

圖3 智能充電模塊結(jié)構(gòu)圖

3.3 用電管理平臺(tái)

用電管理平臺(tái)界面如圖4 所示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電設(shè)備的短路、過載、接觸不良造成的火花、電纜溫度等用電參數(shù)。界面上半部分包括設(shè)備統(tǒng)計(jì)、空開型號(hào)統(tǒng)計(jì)、空開狀態(tài)統(tǒng)計(jì)三個(gè)模塊，用于空開整體情況統(tǒng)計(jì)；下半部分用于電量統(tǒng)計(jì)，可展示“今日”和“本周”兩種模式。平臺(tái)可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)作實(shí)時(shí)的統(tǒng)計(jì)、顯示及根據(jù)歷史相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)充電站工作量，并可依此數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)充電站開放情況。

圖4 平臺(tái)界面

當(dāng)充電進(jìn)行時(shí)，充電模塊會(huì)獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且與控制平臺(tái)之間進(jìn)行通信，其流程如圖5 所示。由圖所見，系統(tǒng)首先配置網(wǎng)絡(luò)，等待無線網(wǎng)絡(luò)連接成功，然后讀取平臺(tái)登錄狀態(tài)、接收無線數(shù)據(jù)，待接收成功后一鍵讀取電參量、統(tǒng)計(jì)參數(shù)等信息；同時(shí)通過用電數(shù)據(jù)智能分析，若分析出異常產(chǎn)生告警則下發(fā)信號(hào)控制空開的關(guān)閉。

圖5 平臺(tái)控制流程

此外，平臺(tái)每間隔接收充電模塊采集的電量信息，當(dāng)各個(gè)空開結(jié)點(diǎn)的充電樁中的車輛充電完成或者中斷的情況下，此時(shí)電量信息不變時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)算當(dāng)前電量，并在數(shù)據(jù)庫中查詢車牌號(hào)關(guān)聯(lián)信息，將此時(shí)的用電數(shù)據(jù)下發(fā)至客戶端，供用戶查閱繳費(fèi)。即便發(fā)生意外掉電的情況，系統(tǒng)也可保存當(dāng)前的電量狀態(tài)信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 故障監(jiān)測(cè)

如圖6 所示，平臺(tái)中可設(shè)置過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、漏電保護(hù)和溫度保護(hù)等電量監(jiān)測(cè)參數(shù)，充電過程中一旦發(fā)現(xiàn)超出設(shè)置的閾值，平臺(tái)下發(fā)指令控制智能空開自動(dòng)脫扣斷電，直至整個(gè)回路故障消除后才能送電，有效防止電氣火災(zāi)的發(fā)生。

圖6 監(jiān)測(cè)參數(shù)配置界面

如圖7 所示，通過設(shè)置欠壓保護(hù)動(dòng)作值為200 V，手動(dòng)觸發(fā)演示箱1P 的告警，此時(shí)智慧空開根據(jù)系統(tǒng)指令自動(dòng)斷開，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)車牌查詢用戶信息，供人工操作用戶短信的下發(fā)，提醒用戶處理。

圖7 告警觸發(fā)界面

4.2 電量統(tǒng)計(jì)

如圖8 所示，充電結(jié)束后，平臺(tái)會(huì)統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)智能空開的用電量，將用電量與采集到的電子車牌信息進(jìn)行關(guān)聯(lián),產(chǎn)生結(jié)算數(shù)據(jù)。用戶通過掃碼,獲取當(dāng)前充電量及費(fèi)用,完成繳費(fèi)離場(chǎng)。

圖8 電量統(tǒng)計(jì)及繳費(fèi)狀態(tài)頁面

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

平臺(tái)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制分合閘，實(shí)時(shí)計(jì)量各種電參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)查看空開工作狀態(tài)、告警狀態(tài)，實(shí)時(shí)地掌握各種用電數(shù)據(jù)，各用電設(shè)備監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)界面如圖9 所示。

圖9 電量監(jiān)測(cè)界面

系統(tǒng)平臺(tái)通過對(duì)電流、用電量等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合告警數(shù)據(jù)、分合閘數(shù)據(jù)詳細(xì)信息報(bào)表分析，為日常的維護(hù)提供依據(jù)指導(dǎo)。通過節(jié)電時(shí)長詳細(xì)報(bào)表分析，提供科學(xué)節(jié)能依據(jù)。通過向系統(tǒng)平臺(tái)上上報(bào)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)后臺(tái)分析判定，合理安排用電設(shè)備的充電狀態(tài)；通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)深度分析，實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)能耗監(jiān)測(cè)和管理。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)采用RFID 射頻識(shí)別+智慧空開的方式，提高電動(dòng)自行車身份識(shí)別準(zhǔn)確率和有效性，強(qiáng)化社區(qū)車輛管控，督促改進(jìn)違規(guī)停放，深化通行監(jiān)管；電量檢測(cè)模塊能實(shí)現(xiàn)充電信息上報(bào)，充電數(shù)據(jù)監(jiān)控，規(guī)范社區(qū)消防安全管理。從安全層面上，解決了用戶私拉電線導(dǎo)致充電不規(guī)范引起的火災(zāi)，給自己或別人的財(cái)產(chǎn)和人身安全帶來的隱患；從管理層面上而言，電動(dòng)自行車充電樁不但提供了便利的充電方式，而且由于采用電子車牌識(shí)別車輛，可以更有效地管理車量，抑制被盜現(xiàn)象的發(fā)生。從使用層面上，電瓶車充電樁解決了用戶充電難的問題。用戶只需要把車停在充電區(qū)，按照指示操作充電即可。但是因測(cè)試數(shù)據(jù)有限，未來本系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多樣化、電量統(tǒng)計(jì)精確度及中斷處理等方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)提升。