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本文介紹了一種4G智能充電樁，此方案成本低、體積小，適合安裝在各種公共場所。充電樁系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過4G網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行通信交互，管理方可以直接通過服務(wù)器的數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行合理且及時的充電樁維護(hù)與調(diào)整，提高了充電樁的維護(hù)效率并且一定程度上起到了防范火災(zāi)的作用。用戶則可以通過微信小程序使用插座充電，在保證資金安全的同時讓用戶的體驗更佳。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示，主要包括智能充電樁，云平臺服務(wù)，客戶端。智能充電樁與云服務(wù)之間是4G通信，客戶端與云服務(wù)通過廣域網(wǎng)通信可以是4G也可以是WIFI?？蛻舳丝紤]到用戶使用成本直接用微信小程序。智能充電包括4G通信模塊、主控制器、數(shù)據(jù)采集、顯示模塊、語音模塊和充電板控制等模塊。

客戶通過微信小程序直接掃描充電樁上二維碼（一機(jī)一碼）后，根據(jù)提示選取空閑的充電插座，在線提交訂單后就可以開始充電?？蛻暨€能在手機(jī)上隨時查看插座的充電狀態(tài)，并且隨時可以結(jié)束充電。

智能充電樁含4G模組如移遠(yuǎn)的EC200,主控制器MCU STM32F103VE，充電板如電川的充電控制板，其核心控制MCUSTM8S105S4T6C。EC200模組通過4G網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器進(jìn)行通信，將云服務(wù)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包傳輸給主控制器STM32F103VE，主控制器STM32F103VE先對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，再下發(fā)解析后的命令，充電板會對主控制器的命令做出相對的響應(yīng)。主控制器STM32F103VE會將采集的數(shù)據(jù)打包在通過EC200模組上傳到服務(wù)器。此外，主控制器還可以驅(qū)動十路數(shù)碼管顯示和PCM語音文件播報，從視聽方面提高了用戶體驗。

充電板控制十路繼電器開關(guān)來為用戶提供充電接口，如果發(fā)生意外情況系統(tǒng)會自動做出響應(yīng)，發(fā)出語音報警并且進(jìn)行硬件斷電。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

基于STM32F103VE和4G模組的智能充電樁硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。智能充電樁網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)采用了控制器和EC200模塊。GDMCU是一款基于Cortex-M3ARM內(nèi)核的32位微處理器，微控制器集成了許多模塊，包括存儲器和通訊單元等豐富的硬件資源[5]。此外系統(tǒng)外接充電控制板、DS18B20測溫模塊、NTC板間測溫模塊、數(shù)碼管顯示模塊、PCM語音文件播報模塊、電源模塊。EC200是移遠(yuǎn)低成本4G模塊。

2.1 充電控制板

充電控制板與MCU STM32F103VE2路TTL電平的UART通信。充電控制板以STM8S105為控制器進(jìn)行對十路繼電器進(jìn)行控制，繼電器采用的是JQC-3FF超小型大功率繼電器。充電控制板通過繼電器實現(xiàn)對充電插座的智能控制，充電控制板會采集充電電量和充電功率數(shù)據(jù)傳輸給STM32F103VE主控制器。板上還搭載了AP8022H芯片對充電板進(jìn)行過流保護(hù)、過溫保護(hù)以及欠壓保護(hù)。AP8022H芯片內(nèi)部集成了脈寬調(diào)制控制器和800V高雪崩能力智能功率MOSFET。AP8022H芯片還內(nèi)置了高壓啟動模塊，保證系統(tǒng)能夠迅速啟動。

2.2 4G通信模塊

EC200是移遠(yuǎn)通信推出的LTECat4全網(wǎng)通無線通信模塊，搭配SIM卡執(zhí)行4G模組MQTT協(xié)議通信，支持大下行速率150Mbps和大上行速率50Mbps，支持AT指令操作和FOTA遠(yuǎn)程升級。EC200模塊與主控制器的UART連接，實現(xiàn)主控芯片與4G模組之間的數(shù)據(jù)通信。

此處采用4G模組的原因是考慮到我國的2G、3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)正在逐漸的關(guān)閉，各大運(yùn)營商逐步不提供2G、3G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并且4G通信速度比2G、3G快，更適合做復(fù)雜的邏輯業(yè)務(wù)。為了讓智能充電樁今后能夠運(yùn)營更長時間以及方便進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，此處采用4G模組性價比更高。

2.3 測溫模塊

測溫模塊分為DS18B20測溫模塊和NTC板間測溫模塊。STM32F103VE與DS18B20測溫模塊以1-Wire總線協(xié)議進(jìn)行通信，并通過4.7KΩ的上拉電阻為DS18B20提供3.3V電壓。該溫度傳感器的溫度檢測范圍為-55℃至+125℃，并且溫度范圍超過-10℃至85℃之外時還具有±0.5℃的精度。DS18B20傳感器提供9-Bit到12-Bit的攝氏度測量精度，GD32F103VE主控制器與DS18B20進(jìn)行配合可以實現(xiàn)過溫和低溫觸發(fā)報警的報警功能。發(fā)生警報引發(fā)主控制器控制插座斷電，對預(yù)防火災(zāi)有一定作用。NTC板間級測溫模塊配合GD32F103VE的ADC_IN9來實現(xiàn)，依據(jù)NTC熱敏電阻的特性，在主控制器中將采集到的數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)化成溫度，從而達(dá)到監(jiān)控充電板的溫度，用以預(yù)防芯片在異常溫度下工作而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

DS18B20測溫模塊主要應(yīng)用于充電站環(huán)境測溫，配合煙霧傳感器和微火花傳感器在監(jiān)測到環(huán)境異常情況后發(fā)出語音警報。

2.4 音頻播報模塊

GD32F103VE內(nèi)置3個同步的標(biāo)準(zhǔn)定時器。每個定時器都有一個16位的計數(shù)器、一個16位的預(yù)分頻器和4個獨立的PWM通道。而PCM語音文件使用16kHz的采樣頻率，8BIT的量化編碼，其播報模塊僅需要一路PWM通道和1個定時器就可以完成語音播報功能。當(dāng)有PCM語音文件需要播報時，以16kHz的速率播放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PWM占空比來控制音頻信號，經(jīng)過濾波電路輸出以及音頻功率放大器進(jìn)行放大輸出到揚(yáng)聲器進(jìn)行音頻播放[6]。

語音播報內(nèi)容主要有充電狀態(tài)播報，如“X(1-10)號開始充電了”、“X(1-10)號充電完成了”等，讓用戶聽到播報內(nèi)容即可明白插座的狀態(tài)。在發(fā)生插座起火等意外情況時，語音播報能時間發(fā)出警報來提醒人們注意安全并控制形勢。

2.5 數(shù)碼管顯示模塊

GD32F103VE主控制器通過GPIO和SPI對兩路TA6932芯片進(jìn)行控制。主控制器與數(shù)碼管模塊之間通過8根線進(jìn)行連接，其中2根為電源線和地線，其余6根與主控制器的SPI3_SCK、SPI3_MOSI、PD3、PD4、PD5、PD6進(jìn)行連接。TA6932芯片通過串行接口接收主控制器的數(shù)據(jù)后對各個LED進(jìn)行驅(qū)動，每塊芯片驅(qū)動5路LED進(jìn)行顯示。

數(shù)碼管模塊主要顯示對應(yīng)插座的充電剩余時間(以分鐘為單位)，讓用戶能夠直觀的看到插座剩余使用時間。