电动汽车充电桩电量远程监控系统设计与分析

(衢州职业技术学院,浙江 衢州 324000)

0 引言

电动汽车充电桩是专门用于为电动汽车充电的设备,类似于传统汽车加油站中的油枪。可以将交流电或直流电转换为适合电动汽车电池充电的电能。充电桩通常由充电头、控制器、计量装置和安全保护系统等组成[1-2]。电动汽车充电桩远程监控是指通过互联网等远程通讯技术,对电动汽车充电桩进行实时监控和管理,可以实时了解充电桩的运行状态、充电量、充电速度等信息,对充电桩进行远程诊断和故障排除,以提高充电桩的可靠性和稳定性,同时也为电动汽车用户提供更加便利和高效的充电服务[3]。

本研究基于GPRS网络通信技术,旨在研究一套电动汽车充电桩远程监控系统,对其关键部件的设计进行系统阐述,并提出未来电动汽车充电桩电量监控系统的主要发展趋势。研究结果可以为用户提供便捷、高效的充电服务,促进电动汽车充电基础设施的建设和普及。

1 电动汽车充电桩远程监控系统设计方案

电动汽车充电桩远程监控系统设计方案如图1所示,选择 GPRS 模块作为充电桩控制器与监控中心之间的通信方案,GPRS模块可以提供移动通信网络的连接,从而实现远程监控和控制。GPRS模块通信速度较快,数据传输稳定可靠,适用于实时监测和控制[4]。采用 STM32嵌入式系统作为充电桩控制器,STM32嵌入式系统是一种高性能、低功耗的芯片,具有丰富的接口资源和强大的计算能力,可以满足充电桩控制器的需求[5]。同时,STM32嵌入式系统的开发工具和生态系统比较完善,可以降低开发难度和成本。选择GPRS模块作为通信方案需要考虑到移动网络信号的覆盖范围和稳定性,同时还需要考虑到通信安全性和数据隐私保护[6]。在开发过程中,需要进行充分的测试和验证,确保通信和控制的稳定性和可靠性。

图1 系统基本结构示意图

1.1 远程监控系统组成

电动汽车充电桩远程监控系统通常包括以下组成部分。

1)充电桩硬件。包括充电头、计量装置、控制器等,用于将交流电或直流电转换为适合电动汽车电池充电的电能,并将电能输送到电动汽车的电池中。

2)远程监控平台。用于实时监控和管理充电桩,包括充电桩的运行状态、充电量、充电速度等信息,同时也可以进行远程诊断和故障排除。

3)通信技术。用于将充电桩的信息传输到远程监控平台,通常采用无线通讯技术,如GPRS、3G、4G等[7]。

1.2 充电桩电量数据监控中心功能

电动汽车充电桩电量远程数据监控中心是一个负责管理和监控电动汽车充电桩电量的中心系统,通常由监控软件、服务器、数据库等组成(图2),主要功能如下[8]。

图2 充电桩电量远程监控系统整体结构示意图

1)充电桩管理。对电动汽车充电桩进行管理和维护,包括充电桩的注册、授权、故障处理、升级等操作。

2)充电桩监控。实时监控充电桩的运行状态、充电情况、故障信息等,并对异常情况进行报警处理。

3)充电数据统计。收集充电桩的使用数据,包括充电电量、充电时间、充电费用等,并进行分析和统计。

4)用户管理。管理用户信息和充电记录,支持用户查询和充值等操作。

5)数据分析。通过对充电数据的分析和挖掘,提供电动汽车的使用情况、充电桩的使用率等数据,帮助企业和政府进行决策和规划。

为了实现对电动汽车充电桩的全面管理和监控,电动汽车充电桩数据监控中心通常需要与充电桩控制器进行数据通信,收集充电桩的实时运行数据和故障信息,并对这些数据进行分析和处理,从而实现对充电桩的智能化管理和优化。

1.3 监控中心服务器的设计

电动汽车充电桩数据监控中心服务器通常是一台专门的服务器设备,可以连接到GPRS网络或其他互联网网络,以便于充电桩控制器和用户设备进行数据通信和管理[9]。该服务器可以通过云端平台或其他方式提供数据存储、数据分析和数据可视化等服务,从而实现对充电桩的远程监控和管理。除了上述功能和组成部分外,还可以进一步扩展和完善,如可以支持其他通信协议,如4G、5G、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT等,以满足不同场景和需求下的数据传输和通信,并且可以支持多种支付方式,如刷卡、支付宝、微信等,以满足用户的支付需求和提高用户的使用体验。

2 充电桩系统硬软件设计

2.1 控制器的设计

ARM Cortex-M3是一种常见的嵌入式处理器架构,STM32F103是一种使用该架构的微处理器,常用于开发嵌入式系统。本研究选择使用STM32F103微处理器来实现电动充电桩远程监控系统,作为主要的控制和计算单元,来实现远程监控功能。ARM开发板的GPIO 配置如表1所示。

表1 ARM开发板的GPIO 配置

2.2 充电桩GPRS模块硬件设计

GPRS通信是一种基于移动通信网络的数据传输技术,通常用于无线数据传输和远程控制等应用场景[9]。在电动汽车充电桩控制器与监控中心之间的通信中,本研究选择采用GPRS通信技术。通过GPRS通信,充电桩控制器可以实时向监控中心传输充电数据、异常报警等信息,同时监控中心也可以通过GPRS网络下发指令,控制充电桩的开启、关闭、调节充电电流等操作。与传统的有线通信相比,GPRS通信具有无线传输、覆盖范围广、成本低等优势,因此被广泛应用于远程监控、数据传输等领域。

本研究采用的 GPRS 通信模块最终选取使用的是基于SIM800C芯片的模块,SIM800C芯片是一款由SIMCOM公司推出的GSM/GPRS模块芯片,主要用于支持移动通信、短信、数据传输和GPS等功能。该芯片支持全球四频段GSM/GPRS网络,提供了多种接口和协议,包括UART串口、USB、SPI、I2C、TCP/IP和HTTP等。此外,SIM800C芯片还支持语音和FAX数据传输功能,并且集成了GPS模块,能够支持GPS和GLONASS定位服务。

GPRS 模块是由多个部分所共同组成的,这些模块具备不同的功能,如闪存、射频模块等。SIM800C 的功能框图如图3所示。

图3 GPRS 模块的功能框图

2.3 软件开发环境

电动汽车充电桩电量远程监控系统的软件程序运行环境使用文本编辑器进行,编程语言使用Python,电动汽车充电桩远程监控系统使用多种通信协议进行远程监控和控制,连接云平台进行远程监控和控制,电动汽车充电桩电量远程监控系统的软件程序代码如下:

#include

#include

#include

#include

#include

// 定义电动汽车充电桩结构体

typedef struct {

int id; // 充电桩ID

float power; // 充电桩电量

bool status; // 充电桩状态(开/关)

time_t last_time; // 上次更新时间

} ChargingPile;

// 定义电动汽车充电桩数组

ChargingPile charging_piles[] = {

{1, 90.5, true, 0},

{2, 80.3, false, 0},

{3, 75.0, true, 0},

{4, 68.2, true, 0},

{5, 60.1, false, 0},

{6, 50.7, true, 0},

{7, 45.9, true, 0},

{8, 30.8, false, 0}

};

// 获取当前时间

time_t get_current_time()

{

time_t current_time;

time(¤t_time);

return current_time;

}

// 获取两个时间之间的时间差(秒)

int get_time_diff(time_t start_time, time_t end_time)

{

return difftime(end_time, start_time);

}

// 更新充电桩电量和状态

void update_charging_pile(int id, float power, bool status)

{

// 查找充电桩

for(int i = 0; i

if(charging_piles[i].id == id) {

// 更新充电桩电量和状态

charging_piles[i].power = power;

charging_piles[i].status = status;

charging_piles[i].last_time = get_current_time();

printf("充电桩 %d 电量更新为 %.2f kWh,状态为 %s ", id, power, status ? "开" : "关");

break;

}

}

}

// 模拟更新充电桩电量和状态

void simulate_update_charging_pile()

{

// 随机更新一个充电桩

int index = rand() % (sizeof(charging_piles) / sizeof(ChargingPile));

float power = (float)(rand() % 100) + 1;

bool status = rand() % 2 == 0 ? true : false;

update_charging_pile(charging_piles[index].id, power, status);

}

int main()

{

// 初始化随机数种子

srand((unsigned)time(NULL));

// 模拟更新充电桩电量和状态

for(int i = 0; i <10; i++) {

simulate_update_charging_pile();

}

// 循环更新充电桩电量和状态

while(true) {

// 模拟更新充电桩电量和状态

simulate_update_charging_pile();

3 结论

本研究通过对电动汽车充电桩电量远程监控系统的设计主要得出以下结论。

本研究选择采用GPRS通信技术,充电桩控制器可以实时向监控中心传输充电数据、异常报警等信息,同时也可以下发指令,控制充电桩的开闭、调节充电电流等操作。

电动汽车充电桩电量远程数据监控中心可以实现充电桩管理、充电桩监控、充电数据统计、用户管理和数据分析等功能。