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隨著(zhù)國家對新能源技術(shù)的大力扶持，電動(dòng)汽車(chē)逐漸成為國家在新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的對象，而電動(dòng)汽車(chē)充電站、快速充電機是電動(dòng)汽車(chē)大規�；蟛豢苫蛉钡姆⻊�(wù)基礎設施之一。大量分布于各住宅小區、停車(chē)場(chǎng)的電動(dòng)汽車(chē)用非車(chē)載智能快速充電機，實(shí)現高效、安全、智能化的管理必定成為主流。針對目前快速充電機群實(shí)行無(wú)人值守的運行情況，這就要求快速充電機須具有較高的可靠性和自動(dòng)化程度，功能更加完善，可遠程維護等功能。 這樣，使得分布式、模塊化、智能化成為快速充電機的發(fā)展方向，而高性能、低成本的充電機監控終端是其中的關(guān)鍵技術(shù)。為管理區域多臺充電機的資源優(yōu)化利用與管理的智能化，監控終端與Internet網(wǎng)的交互成為一種必然。 1 監控網(wǎng)絡(luò )的整體方案 如圖1的充電機的監控網(wǎng)絡(luò )結構圖所示，監控終端作為充電機與監控中心之間的一個(gè)重要網(wǎng)關(guān)。其有效的通信鏈路有：監控中心-監控終端；監控終端-充電機（或電池管理系統（BMS）、電動(dòng)汽車(chē)等）。 圖1 充電機監控網(wǎng)絡(luò )結構圖 通過(guò)監控終端作為媒介，實(shí)現了監控中心與充電機及電動(dòng)汽車(chē)的通信鏈路的建立。終端通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò )與充電機、BMS及電動(dòng)汽車(chē)等相互通信，采集相關(guān)節點(diǎn)的數據信息并存儲，并將相關(guān)信息反饋給充電機。充電機根據相關(guān)信息從而實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)電池的智能充電。終端與監控中心之間是通過(guò)GPRS連接通信，終端將充電機、電池、電動(dòng)汽車(chē)等相關(guān)數據傳回監控中心，監控中心實(shí)現對充電機的遠程控制和實(shí)時(shí)監控功能，記錄充電機的運行及故障情況。車(chē)主可以由監控中心查詢(xún)了解當前空閑的充電機位置，實(shí)現資源充分利用。 2 監控終端功能模塊 2.1 監控終端的總體設計 監控終端是連接監控中心與充電機的橋梁。其總體設計結構如圖2所示，監控終端主要由Cortex-M3 內核的STM32ZGT6 的核心模塊、數據采集模塊（CAN 網(wǎng)絡(luò )）、用戶(hù)計費交互信息模塊、數據存儲模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和GPRS通信模塊6個(gè)部分所組成。終端采用Co-tex-M3內核的STM32ZGT6微處理器芯片。該單片機具有豐富的片上硬件資源，內含CAN 2.0B的控制器，以及多達4 個(gè)串口，滿(mǎn)足終端CAN 與GPRS 網(wǎng)絡(luò )接口的需求。 圖2 監控終端的結構框圖 監控終端的工作流程如下：用戶(hù)計費模塊讀取用戶(hù)信息以及選擇充電模式，通過(guò)CAN 網(wǎng)絡(luò )向充電模塊發(fā)送相應充電命令；同時(shí)監控終端讀取CAN 網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵數據幀如充電機的運行狀況等，并將數據保存于NandFlash中。 定時(shí)將當前充電用戶(hù)信息和充電機等運行參數通過(guò)GPRS 發(fā)送到監控中心。監控終端可以根據用戶(hù)的需要，打印用戶(hù)的余額或收費憑據等。 2.2 CAN總線(xiàn)模塊 為了更好地保證CAN 總線(xiàn)可靠的傳輸，系統定義了一套通用的應用層的CAN 總線(xiàn)協(xié)議。主要針對CAN 2.0B協(xié)議的報文ID進(jìn)行了分配及定義。 如表1 所示。 （1）優(yōu)先級確定。CAN協(xié)議規定報文ID越小，其報文的優(yōu)先級越高。在競爭總線(xiàn)時(shí)，優(yōu)先級高的報文優(yōu)先發(fā)送，優(yōu)先級低的退出總線(xiàn)競爭。CAN 總線(xiàn)競爭的算法效率很高，是一種非破壞性競爭。因CAN協(xié)議規定標識符由高至低，前7位不能全為顯性位。所以?xún)?yōu)先級1111b保留，故系統具有15級優(yōu)先級別。 （2）類(lèi)型碼。協(xié)議將ID24~ID22 規定消息的類(lèi)型。 在本系統中，用到的消息類(lèi)型主要有：控制、狀態(tài)、測量、警告和廣播5 種類(lèi)型。根據將類(lèi)型碼的具體分配如表2所示。 （3）源地址。協(xié)議規定ID12~ID16 為源地址，ID17~ID21為目標地址，進(jìn)而標識報文的各接收節點(diǎn)與發(fā)送節點(diǎn)。5位地址位，保留11111b為廣播地址，可以確定31個(gè)控制節點(diǎn)，可滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)充電機的監控需求。在此系統中，定義00000b為監控終端，00001b為充電機節點(diǎn)，00010b為電池管理系統（BMS）節點(diǎn)。 （4）分段碼。因不同的節點(diǎn)所發(fā)送的數據量不同，可能會(huì )出現一個(gè)數據幀不能把從底層采集到的數據一次性發(fā)送完畢（即超過(guò)8 個(gè)字節的情況）。協(xié)議中將ID11~ID4定義為分段碼，如表3所示。 在表3 中，某節點(diǎn)的數據幀由分段碼00H 開(kāi)始，由FFH結束，最大可支持發(fā)送256×8字節的數據。若該節點(diǎn)只有一幀數據，定義FFH同時(shí)也為單幀數據。 例如，BMS節點(diǎn)，包含了電池組總電壓、電池組總電流、電池組SoC、電池組各個(gè)箱體（9個(gè)）的溫度以及電池組狀態(tài)的信息等。每個(gè)數據占用2 B.顯然一個(gè)數據幀是無(wú)法發(fā)送該節點(diǎn)的全部信息，故須采用多幀方式發(fā)送。 2.3 數據發(fā)送模塊 終端是通過(guò)串口外接周立功GPRS 模塊（ZWG-23A）連接到互聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )上網(wǎng)，連接到服務(wù)器之后，按照通信協(xié)議定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送數據。根據《深圳市電動(dòng)汽車(chē)充電系統技術(shù)規范》標準文件，協(xié)議由報文起始標識、版本號、命令字、報文長(cháng)度、數據內容、校檢碼等組成的，其具體格式如表4 所示。 （1）起始標識。設為0xFAF5,用于喚醒接收方準備接收數據。 （2）報文長(cháng)度。是由[發(fā)送序列號]到[數據內容]的總長(cháng)度。 （3）校驗碼。是從[起始標識]到[數據內容]的無(wú)進(jìn)位累加和。 （4）接收（發(fā)送）方類(lèi)型與地址。監控中心為類(lèi)型為“業(yè)務(wù)服務(wù)平臺”,其數值為1,其地址為在此類(lèi)型碼下的某一個(gè)惟一地址；終端的類(lèi)型為“調度終端”,其數值為255,地址為此類(lèi)型下的某一個(gè)惟一地址。 （5）數據內容與命令字：不同的命令字決定該報文所攜帶的數據的內容的構成及所占用的字節數。 數據內容一般由一個(gè)或多個(gè)數據對象組合而成，也可以為空。發(fā)送方在應答非正�；驘o(wú)應答的情況下，每條數據報文最多重復發(fā)6次，每次間隔時(shí)間為30 s.數據內容根據命令字的不同其所組成的數據對象也不同，通常情況下，終端與監控中心的通信包括終端注冊、中心應答、終端就緒、定時(shí)發(fā)送4個(gè)階段。部分命令字與對應的數據內容見(jiàn)表5所示。 3 軟件設計 3.1 μC/OS-Ⅱ的多任務(wù)管理 移植μC/OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統為監控終端的系統平臺，該系統是可剝奪性多任務(wù)內核的實(shí)時(shí)操作系統，具有實(shí)時(shí)、可裁剪、可靠和穩定性等優(yōu)點(diǎn)。μC/OS-Ⅱ的系統資源豐富，除去自身的系統任務(wù)外，用戶(hù)可以建立多達56個(gè)任務(wù)，并提供信號量、消息郵箱、消息隊列及內存管理等系統級服務(wù)，足以滿(mǎn)足充電樁的監控終端的系統要求。 為實(shí)現監控終端的功能要求，在μC/OS-Ⅱ中設計了以下13個(gè)任務(wù)：顯示任務(wù)、鍵盤(pán)查詢(xún)任務(wù)、輸入處理任務(wù)、打印任務(wù)、數據的存儲任務(wù)、IC 卡的讀/寫(xiě)任務(wù)、GPRS 的發(fā)送任務(wù)、CAN 數據的接收任務(wù)、CAN 數據的發(fā)送任務(wù)、GPRS的接收任務(wù)、命令控制任務(wù)、報警任務(wù)及看門(mén)狗的喂狗和異常檢測任務(wù)。 μC/OS-Ⅱ的多任務(wù)的特點(diǎn)，規定每個(gè)任務(wù)都必須具有不同的優(yōu)先級。根據任務(wù)的關(guān)聯(lián)性、關(guān)鍵性、緊迫性、頻繁性、實(shí)時(shí)要求性來(lái)確定任務(wù)的優(yōu)先級，既要保證每個(gè)任務(wù)的相對獨立性，又要避免任務(wù)調度頻繁致使系統的效率下降。任務(wù)的優(yōu)先級規劃如表6所示。 表1 中基本數據包括城市區號、停車(chē)場(chǎng)序號、充電樁位置信息、報文發(fā)送時(shí)間以及充電機、BMS和用戶(hù)IC卡的相關(guān)信息共計209 B. 表中各任務(wù)優(yōu)先級之間保留一定的間隔，方便系統以后的改進(jìn)和升級。系統設定時(shí)鐘節拍為10 ms,滿(mǎn)足充電樁的實(shí)時(shí)性要求。μC/OS-Ⅱ系統利用信號量、消息郵箱和消息隊列三種通信方式將本系統中的13個(gè)應用任務(wù)關(guān)聯(lián)在一起，其關(guān)系如圖3所示。 圖3 μC/OS-Ⅱ各任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系圖 3.2 ZWG-23A模塊的配置 ZWG-23A 通過(guò)串口與終端鏈接，它通過(guò)移動(dòng)通信的GPRS 網(wǎng)絡(luò )鏈接互聯(lián)網(wǎng)。由于周立功公司并沒(méi)有提供基于μC/OS-Ⅱ的DTU 配置程序，所以系統中需要自行開(kāi)發(fā)相關(guān)的配置程序，其配置DTU 的程序流程圖如圖4所示。 圖4 DTU配置程序流程圖 假設終端每天與中心連接注冊一次，以每隔30 s的心跳時(shí)間定時(shí)向中心發(fā)送監控信息，根據表6數據內容字節計算，一臺終端一天發(fā)送報文所產(chǎn)生的GPRS流量大約為 （228 × 2 × 60 × 24 + 294 × 2 + 100）（128 × 1024） =5 MB,以每月30天計算，一年一臺終端所產(chǎn)生的GPRS流量為1.7 GB.采用2 GB的包年流量套餐足以滿(mǎn)足終端一年所產(chǎn)生的流量費。 4 結語(yǔ) 本文研究了電動(dòng)汽車(chē)快速充電機監控網(wǎng)絡(luò )的結構組成，詳細分析了監控終端的通信網(wǎng)絡(luò )的CAN與GPRS的通信應用層協(xié)議。其CAN 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議具有廣泛的通用性，GPRS的流量少，可推廣到自動(dòng)化的其他領(lǐng)域中的應用。 |
