安科瑞 华楠
摘要：围绕基于物联网的电动自行车充电桩智能监测系统，介绍了该系统的软硬件组成、各部分之间的联系，以及该系统的工作原理、相应的设计技术，主要包括电动车充电桩的智能控制方法、充电桩与手机的通信方法，手机与服务器的数据通信等内容。
关键词:充电桩；单片机；智能手机；物联网；互联网；服务器
1 引言
电动自行车在中国有着巨大的使用量，但是电动车电池的寿命却不够理想，当然电池的寿命和很多因素有关。其中一个很重要的原因是充电器造成的，比如夏天过充，冬天欠充，旧电池充电不转灯等，普通充电桩只有几个简单的状态指示灯，无法完全了解充电状态。如果能了解充电过程，并将充电数据通过互联网上传到充电桩厂家服务器，厂家通过大数据分析，对充电桩进行改进，则会提高充电器质量。同时用户也可以通过手机详细了解充电状态，并通过服务器返回的充电参数调整用户充电桩的参数，则会让充电桩更加智能化。
2 系统架构
系统利用物联网、智能手机、互联网三位一体，构造了一套完整的电动自行车充电桩智能监测系统，系统构造如图1所示。
图1 系统架构框图
如图1所示，充电桩中装有单片机，单片机负责测量电池电压电流以及环境温度等参数。单片机利用蓝牙串口模块与智能手机构成物联网，进行无线通信，上传电池充放电数据，或者下载本电池的充电参数，智能手机再通过互联网与充电桩厂家的服务器进行通信，上传本电池的充放电数据，或者从服务器数据库中下载针对本电池的新的充电参数。充电桩厂家的专家通过分析用户电池的充放电数据，研究出新的充电桩工作过程，并提出针对不同电池的充电参数，并上传服务器，供用户下载。同时，厂家还可以根据用户电池的变化情况，了解新的充电参数是否对电池有效。当然厂家也可以做很多事情，比如充电桩的质量跟踪，电池的寿命跟踪等，为研究更好的充电桩提供实验数据。有了这个系统，用户和企业就可以实现交流，充电桩变得更加智能化，相当于把专家请回家，随时提供专业指导，并提高充电效果，延长电池寿命，要完成这个系统，需要对充电桩，智能手机，服务器这3部分设计相应的软件，另外充电桩内部还要有相应的硬件电路配合，下面具体说明这些部分的设计。
3 充电桩相关电路
为了能实现与智能手机通信，充电桩在传统电路的基础上加入单片机，当然电路可以整体设计，也可以在原有的普通充电桩电路上进行改造，这里以改造为例，列出与单片机相关的电路，其他电路和原充电桩相同，具体电路如图2所示。
图2 充电桩单片机相关电路图
3.1电源电路
充电桩输出经过防倒灌二极管D1加到充电电池DC1上，电池上的48V电压经过MK1模块降压到直流2V，MK1 是开关模式的DC/DC降压模块，效率高，适用于较高的直流电压的降压，12V电压一路加到运放IC2的电源上；另一路加到集成稳压电路IC3输入端，IC3是传统的线性稳压集成电路，型号为LM7805,输出5V直流电为单片机IC1供电，单片机型号为国产的STC15w408as，采用 DIP16脚封装，是增强型51系列单片机，有8路10位ADC模数转换功能，有硬件PWM功能，还有串行口，定时器等功能，非常适合本电路使用。
3.2信号测量电路
电池电压经过R5，R7分压后加到单片机P1.0端口，利用单片机的ADC功能测量电池电压，充电电流经过电流采样电阻 R1 后形成采样电压经过单电源运算放大器 LM358 的放大后加到单片机的 P1.1端口，用来测量充电电流，7805输出的5V电压经过R6,RT分压后加到单片机P1.2端口，用于环境温度的测量，RT为负温度系数NTC热敏电阻，常温25摄氏度时的阻值为10k欧。
3.3充电控制电路
当服务器传回新的充电参数后，充电桩应该用新的充电参数来控制充电过程，充电过程的控制主要以传统的三段式充电模式为主，该模式先恒流，后恒压，涓流充电，是当今大多数充电桩的标准模式。 这种模式不用单片机也可以运行，单片机的作用是可以根据环境温度，电池的新旧状态，以及充电过程中出现的各种情况做出微调，以使电池处在充电状态。微调的方法是单片机输出一个模拟电压去控制充电器稳压环节，也就是控制稳压集成电路 TL431 的反馈引脚，从而调整恒压阶段的电压值。比如说环境温度低，则恒压值提高，环境温度高，则恒压值降低，若充电不转灯，则降低恒压值，使充电桩及时转灯。控制了恒压值，即控制了充电过程，由于单片机没有DAC功能，所以利用单片机的硬件PWM功能，在P3.2引脚输出PWM波，经过R8,C2,R9,C3两级RC滤波后产生一个直流电压，通过R10电阻加到TL431的反馈引脚上，从而实现充电控制功能。
3.4物联网电路
为了能实现充电器连上互联网和企业服务器交换数据，让单片机通过蓝牙串口模块和手机进行蓝牙组网， 图3中MK2即是蓝牙串口模块，该模块的 RXD,TXD分别连到单片机的 P3.0和 P3.1引脚，与单片机进行串口通信，模块上的2.4G天线和手机蓝牙进行无线通信，组成物联网，如果有多个充电器，则多个充电器各自带有蓝牙模块，用户可以操作手机软件去主动连接配对各个充电器，和他们通信，要注意的是，由于蓝牙串口模式是点对点组网，所以手机每次只能连接一个充电器。
4 单片机软件
单片机负责与手机进行串口通信，同时测量温度，电流，电压等参数，并将这些参数在用户的控制下传送到手机，并根据手机传来的充电参数进行充电控制，其主要流程如图3所示。
图3 单片机程序流程图
由图3可见，程序主要分两部分，一部分为主程序，主要负责测量电压、电流、温度等参数，以及进行充电控制，这个过程循环进行，直到关闭电源结束，另一部分为串行口中断程序，当用户通过手机蓝牙连接电路中的蓝牙串口模块后，用户只要有数据发送到单片机，单片机就会产生串口接收中断，单片机在中断函数中接收用户发来的数据，并根据需要，将单片机中的参数送回到用户手机上，单片机软件要完成3种事，测量、控制及通信，由于篇幅关系，详细程序不再列出，本软件利用keil C开发，用C语言设计，易读性及可移值性好，程序短小，稳定性好。
5 手机软件
当前流行的智能手机主要以安卓系统，苹果系统，以及微软系统为主，根据需要可以设计不同平台的软件系统，虽然平台不同，但要完成的任务及流程是一样的，下面以安卓系统为例，本软件用Google公司开发的ADT Bundle开发工具设计，该工具基于Java开发，自带 Eclipes工具，并包括了Android开发库，安装使用都很方便，手机部分的软件主要负责和单片机通信，以及通过互连网和远程服务器通信，另外就是和用户的交互，以及充电曲线及参数的显示，和单片机通信的方法是通过蓝牙串口的方式进行，和服务器通信的方法主要以B/S结构为主，就是服务器启动Web服务，并启用asp脚本功能,手机客户端通过浏览器访问服务器网站，上传下载充电数据，这种结构开放性强，软件开发难度低，技术成熟度高，软件流程如图4所示。
图4 手机端软件流程图
6 服务器软件
服务器端主要负责用户充电数据的存储，专家设定的充电控制参数的保存，以及用户的交互界面，以提供数据的上传和下载，本服务器安装Windows 2003 Server版操作系统，安装 SQL Server 2000数据库，建立用户信息表，充电信息表，网站用ASP技术开发，可以方便用户交互，上传下载充电数据，具体流程不再详述。
7 安科瑞电动自行车充电桩及充电桩监测系统
7.1电动自行车充电桩产品介绍
电动自行车智能充电桩是新一代电动自行车智能充电设备，具有交流输出电源远程通断控制、充电安全控制、电度计量、按时计费功能于一体的交流供电装置，该装置能通过电动自行车的车配充电器为电动自行车充电。支付方式可选择投币、刷卡、扫码使用，设备内部可引出10路出线至专用插座，通过电动自行车的车配充电器完成充电。可连接云平台给用户提供安全可靠及智能化的充电服务。
7.2电动自行车充电桩技术参数
7.3电动自行车充电桩选型表
7.4电动自行车充电桩监测系统功能
7.4.1资源管理
充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩异常交易监测。
7.4.2交易结算
充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表。
7.4.3用户管理
用户注册，用户登录，用户账户管理
7.4.4充电服务
充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等。
7.4.5微信小程序
扫码充电，账单支付等功能。
7.4.6数据服务
数据采集，短信提醒，数据存储和解析。
8 安装应用案例
电瓶车充电桩在江阴某小区的应用
9 业务模式
9.1数据托管方式
安科瑞指导用户完成充电桩的安装，用户的充电桩将数据上传至安科瑞充电桩收费运营云平台，委托安科瑞管理，按约定收取托管费用。
9.2用户自建平台
平台建在用户监控室内（或指定地点），硬件客户可以按照我方推荐设备配置标准采购或者租用云服务器。安科瑞为客户完成平台的建设和运管队伍的培训。
10 结语
本系统综合了充电技术，单片机技术、智能手机、计算机、物联网、互联网、各种系统的软件设计，符合当今信息化，智能化社会的潮流，为企业产品的持续改进，提高客户服务质量，自动化收集产品使用信息等方面起到了较好的作用，由于该系统能大范围收集充电器实际运行状态数据，以及电池工作状态数据，为企业对产品的分析改进提供了坚实的实验数据。
