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        產品分類

        淺談微信與ID卡支付的公用電動自行車充電樁及應用

      • 時間:2020-10-10瀏覽數:139來源:
      • 摘要:介紹一種基于微信支付和ID卡支付的公用電動自行車充電系統,系統包括充電終端、云服務器、手機客戶端。充電終端以STM32為控制**,通過控制繼電器通斷實現對電動車的充電;利用HLW8012功率芯片測量充電電路功率;采用微信支付和ID卡兩種支付方式進行結算;通過IAP功能實現遠程升級功能;充電終端與云服務器通過4G通信模塊進行數據傳輸。系統測試結果表明,該系統能夠實現遠程控制,測試充電功率測量準確,充電時間計算誤差小,控制系統性能穩定可靠。

        關鍵詞:電動自行車;電瓶車充電樁;安全智能;手機APP

        0引言

        作為節能、便捷、價格低廉的交通工具,電動自行車受到了越來越多人的青睞,尤其是在學校、居民小區,電動自行車已經成為多數人使用的代步工具。由于充電設備的不足,且電池重量較大,隨意私拉電線為電動自行車充電的現象越來越多,給小區帶來了巨大的安全隱患。根據**安委會辦公室關于開展電動自行車消防安全綜合治理工作的通知,**鼓勵新建住宅小區同步設置集中停放場和具有定時充電、自動斷電、故障報警等功能的智能充電控制設備。為此,本文設計了一種基于微信平臺的充電控制系統,該充電系統能夠建立充電樁、手機客戶端、云服務器之間的數據通信,手機用戶可以通過微信平臺遠程完成打開充電樁、支付等功能,同時能在手機客戶端上實時查看到電車充電狀態、剩余充電時間等信息。

        1系統架構

        充電樁系統由充電終端、云服務器、手機客戶端組成,圖1充電樁系統組成該系統如圖1所示。充電終端用于為用戶充電并將充電設備的信息上報云服務器,用戶通過微信客戶端發出指令,充電終端執行相應的操作,同時將充電狀態通過云服務器反饋給客戶端,使用戶實時掌握充電狀態。手機客戶端以微信為平臺,通過微信公眾號將用戶與服務器連接,用戶可以通過微信完成支付,查詢充電狀態、充電時間、消費記錄等信息。云服務器負責接收數據、保存數據、發布等功能,為用戶和運營者提供業務請求。用戶手機客戶端通過手機的4G、WiFi等方式與云服務器建立連接;充電終端用4G模塊與云服務器建立連接。用戶通過手機微信掃描二維碼,登錄微信公眾平臺選擇該充電樁,并選擇某個充電口進行充電。



        圖1 充電樁系統組成

        2充電樁終端控制系統設計

        2.1硬件電路設計

        硬件控制電路由主控制器、電源電路、HLW8012功率測量電路、ULN2008達林頓驅動電路、4G模塊、EEP-ROM、ID卡模塊、按鍵模塊等部分組成。充電樁終端控制系統機構如圖2所示。其中主控制器采用意法半導體公司的STM32F103VET6處理器,采用ULN2008驅動繼電器控制充電樁樁口的通斷,采用XW12A電容按鍵為按鍵模塊。



        圖2 終端控制系統結構圖

        2.1.1電源電路設計

        電源模塊分為控制系統電源模塊和功率測量電源模塊??刂葡到y電源模塊為(外部提供)12V電源,電源電路將12V轉為5V和3.3V供控制系統使用,該部分電源電路如圖3所示。



        圖3 控制系統電源電路

        功率測量電源模塊為ACDC非隔離電源,輸入為220V交流電,輸出為5V直流電為功率測量電路供電,該部分電源電路如圖4所示。



        圖4 功率測量電源電路

        2.1.2功率測量電路設計

        本次設計采用的功率測量芯片為HLW8012,該款芯片為單相電能計量芯片,可以測量有用功率、電量、電壓有效值、電流有效值等。其芯片輸出高頻脈沖CF,指示有用功率,在1000:1的范圍內可達±0.3%的精度,可**測量充電樁損耗功率。充電樁口的正*通過LIN與LOUT端與測量芯片功率連接,測量芯片通過比較V1P與V1N兩端的電壓差計算出通過電阻R1的電流。電壓信號通過電阻網絡分壓由V2P采集電路電壓值,所測得的采樣電壓值為輸入電壓的1/1881。功率測量電路如圖5所示。



        圖5 功率測量電路

        2.1.3EEPROM模塊

        EEPROM模塊采用的芯片為AT24C512,該芯片連接MCU的I2C接口。模塊記錄的內容包括設備編號、充電時間、升級標志位以及充電輸出狀態等。當充電樁與服務器斷開連接或者充電樁短時間斷電,設備可以斷電續充,保證系統有良好的容錯能力。

        2.1.44G通信模塊

        通信模塊采用有人物聯網公司的USRLTE7S4模塊,這是一款功能豐富的M2M產品。以“透傳”作為功能**,可以方便快捷地集成于開發系統中。4G模塊與MCU的UART2串口連接,用于實現充電樁與服務器之間的數據傳輸。充電樁與服務器通過4G以心跳包方式進行數據通信,每次發送的數據包由幀頭、功能碼、數據信息、校驗碼和幀尾組成。協議分為服務器主動下發和設備主動上報兩種,各部分數據包及數據內容如表1所列。



        2.2軟件流程設計

        在硬件電路設計基礎上,進行智能充電樁控制系統開發。軟件設計采用C語言在Keil平臺上進行系統開發。Keil軟件平臺提供在線仿真和硬件仿真兩種調試模式,在編寫程序時可以有效調試程序。

        2.2.1程序流程設計

        該系統的流程分為注冊流程圖、充電流程圖和停止充電流程圖。充電樁系統打開后**行硬件初始化(包括功率模塊、時鐘、串口、中斷和GPRS),之后通過GPRS向服務器發送注冊包,收到服務器回復的報文后確認注冊成功,服務器**設備狀態并向下位機設置功率參數。注冊流程圖如圖6所示。



        圖6 注冊流程圖

        充電樁設計有2種充電方式:刷卡方式和微信方式。用戶選擇充電方式之后,根據服務器發送的數據包作出相應的判斷,打開相應的充電樁口以及上報相應的信息。服務器通過上報的功率以及充電金額計算出充電時間,并下發給充電樁,充電樁記錄充電時間并開始充電。充電流程圖如圖7所示。



        圖7 充電流程圖

        在充電過程中,充電樁將實時監控充電功率、充電時間是否結束以及服務器是否發送主動斷電指令。充電停止分為兩種情況,一種是充電時間到達,充電樁自動關閉充電樁口,上報設備信息,服務器通知用戶充電結束。另一種是異常斷電,其中包括功率過大或過小、服務器主動斷電。充電樁斷電后將斷電信息上報服務器,并通知用戶設備斷電。該流程圖如圖8所示。



        圖8 斷電流程圖

        2.2.2功率測量

        軟件設計功率測量模塊主要測量打開的充電樁口功率,功率測量正常工作需要進行初始化,初始化包括I/O口配置、時鐘配置、中斷配置等。在初始化完畢后,依次查詢正在充電的充電樁口。若MCU捕捉到相應I/O口的脈沖沿變化,定時器開啟定時,MCU統計在1s內的脈沖沿個數,MCU根據捕捉到的脈沖個數計算功率值。功率測量流程如圖9所示。



        圖9 功率測量流程圖

        根據捕捉到的脈沖個數,可以計算出負載的有用功率。有用功率頻率的理論值計算如下:F=V1·V2·48VREF·fosc128其中,F為有用功率對應的輸出脈沖頻率值;V1為電流通道的電壓信號;V2為電壓通道上的電壓信號;VREF為內部基準電壓,典型電壓是2.43V;fosc是內置晶振,頻率為3.579MHz。由于V1和V2與負載的電流電壓均為線性關系,因此有用功率與頻率F呈線性關系,因此測量功率計算公式如下:FCalF=PCalP其中,PCal和FCal分別為校準功率值和校準功率值實測的頻率值,本次設計所用的校準功率為1kW;P和F分別為實際負載的功率和測量到的頻率值。經驗證,測量的得到的精度為±3%。

        2.2.3遠程升級軟件設計

        STM32支持IAP(InApplicationProgramming)功能,實現在線升級功能。該功能的實現需要兩個項目的代碼:一項為Bootloader,該項目不執行項目功能操作,而是通過UART2連接的4G模塊接收服務器傳送過來的程序包,將新的APP程序寫入到FLASH中,并完成跳轉功能;二項是升級的APP程序包。下位機需要升級時,服務器將下發指令,修改EEPROM中的升級狀態標志位,下位機讀取到升級標志位后,重啟并上報服務器準備接收APP程序,同時地址偏移后的APP程序的中斷向量表也需同等偏移,使得中斷程序能夠正常響應。

        3客戶端

        微信客戶端主要為用戶提供充電樁下位機和服務器的信息處理平臺,用戶在客戶端上對充電樁進行操作??蛻舳朔譃橛脩舫潆婍撁?、正在充電頁面和賬戶管理頁面。用戶充電頁面使用操作如下:

        ①用戶使用手機登錄并關注充電樁公司提供的微信公眾號,微信客戶端通過微信號作為用戶ID,完成信息注冊。

        ②用微信公眾號掃描充電設備上的二維碼或手動輸入設備編號,選取該充電樁。

        ③選擇此時空閑的充電樁口,并將充電設備連接在相應的充電位置,輸入需要充電的金額,并點擊“開始充電”。

        ④客戶端將顯示出用電功率以及充電時間,并在充電結束時斷開電路并提示用戶取走充電設備。正在充電頁面顯示該用戶正在使用的充電設備信息,包括充電樁編號、充電設備的功率、充電費率、剩余時長和開始時間等信息。在此頁面可提前關閉充電,結束充電任務。賬戶管理頁面供用戶查詢賬戶余額、綁定手機號、優惠卡、賬單等用戶信息。

        4測試與結論

        4.1測試

        將負載插入充電終端,打開微信公眾號,選取測試充電樁和充電樁口,選擇充電金額并打開充電。用功率計量插座測得負載的實時功率,計算出實際功率與讀取的功率之間的差值。在客戶端選擇打開充電,繼電器閉合,功率計量插座顯示的實時功率為596W,客戶端顯示功率為614W,符合設計需求。充電時間為充電金額與充電功率的商值,本設計中設置的充電價格為600W·h/元,客戶端顯示充電時間為1小時,符合設計需求。充電過程中分別將負載換為1000W和10W,充電終端在3s內關斷充電樁口,并且客戶端上顯示斷電原因,實時性符合設計需求。

        5 安科瑞電動自行車平臺及選型介紹

        安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數據交互。系統能夠對電動自行車充電樁的日常狀態、充電過程進行監控;實現充電支付對接:支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式,保證支付交易過程的完整性,對充電過程中的異常情況進行有效預警;實現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯網平臺、小程序等,提供相關異常數據,實現電動車充電安全管理的網絡化、可視化。



        ① 安全預警

        對平臺連接的所有充電樁狀態進行監視,充電樁發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號,及時消除火災隱患。



        ② 交易結算管理

        平臺為運營方提供充電價格策略管理,預收費管理,賬單管理,營收和財務相關報表等,支持投幣、刷卡和掃碼充電。



        ③ 充電服務

        可通過軟件搜索附近充電樁,并查看充電樁狀態,并導航至可用充電樁??赏ㄟ^在線自助支付實現充電。



        ④ 運營分析

        對訂單進行數據化分析,通過柱狀圖、報表方式直觀展示數據,并支持和第三方平臺對接。



        ⑤ 微信小程序

        可通過微信小程序掃碼充電,充電賬單支付。運營商和物業管理人員均可通過小程序管理,監測充電樁狀態和充電交易情況。



        ⑥產品選型

        A款的ACX10A-YH刷卡掃碼充電,刷卡充電需要在管理處預存電費充值后進行刷卡充電,也可接入充電樁管理云平臺通過掃碼充電;



        B款的ACX10B-TYH全功能型在A款的ACX10A-YH基礎上增加投幣功能,ACX10B-YH與A款的功能接近,但是B款產品均支持在不需要云平臺下的項目中單*使用。





        6 結束語

        本文實現了一種基于微信的公用電動自行車充電樁設計。系統包括充電樁終端、手機客戶端和云服務器三部 分。本文主要介紹充電終端設計,**對充電樁的整體結 構設計描述,然后進行硬件電路設計,包括主控電路、電源 電路、功率計量電路、4G通信模塊的軟硬件實現。實際測 試證明,本文的設計方案能夠控制多路樁口通斷,用戶可 以使用微信客戶端進行操作。

        參考文獻:

        [1][1]王佳佳,孫玉濤.蚌埠市電動自行車充電站的現狀和前景的 調研[J].高新技術產業發展,2012(7):28 29.

        [2]陳富安,白*杰 微信與ID卡支付的公用電動自行車充電樁

        [3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版


        http://www.misrparty.com

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