电动车充电桩充电导航技术研究——毕业论文

武汉理工大学毕业设计（论文）电动车充电桩充电导航技术研究学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电气专业 学生姓名： 指导教师： 摘 要电动汽车产业对于我国来说，无论是在追赶世界级工业水平、还是在应对能源短缺挑战都是一次重大、重要的发展机遇。大力推广和普及电动汽车，将其从电动公交和公司集团用车延伸到面向广大用户，将有力推进新能源的发展。但是在这一进程中有两大制约因素，一个是动力电池，一个是充电设施。本论文主要就充电设施供不应求这一点，对智能充电导航系统的无线通信技术展开研究，设计一款智能无线通信模块，实时接收充电桩的充电信息，并将信息通过WIFI技术发送给云平台服务器，再由服务器计根据车主手机客户端所在方位测算出最佳充电地点，并发给手机客户端。本论文主要分析各种有线通信和无线通信技术的优缺点，并进行比较确定采用WIFI通信技术，并就充电桩网络接入、服务器数据处理、用户端APP进行了相应的方案设计，及其系统硬件框架设计，同时详细阐述了所实现的功能。关键词：电动汽车；无线通信；WIFI；APPAbstractElectric vehicle industry for our country, both in the industry catch up with world-class level, or in response to energy shortages are a major challenge, significant opportunities for development. To promote and popularize electric cars, electric buses and its group of companies from extending into the car for the majority of users will greatly promote the development of new energy sources. But there are two major constraints in this process, it is a battery, a charging facility.This thesis will demand that the charging facility for charging navigation system intelligent wireless communication technology to expand the research, design an intelligent wireless communication module, receive real-time charging information Charging pile, and the information is sent to the cloud through WIFI technology platform server, then counted by the server according to the owner mobile client where the position is estimated the best charging location, and send mobile client.This paper analyzes the advantages and disadvantages of a variety of wired and wireless communication technology, and compared to determine the use of WIFI communications technology, and to charge pile network access server data processing, client APP for the corresponding program design, and system hardware framework design, and elaborated the functions implemented.Key Words：electric car；Wireless communication；WIFI；app目录第1章 绪论11.1 研究背景及目的意义11.2 国内外发展现状31.2.1 充电桩发展现状31.2.2 充电桩后台管理发展现状51.3 本文研究内容8第2章 网络接入模块与充电桩通信方案选择92.1 RS-232通信技术分析92.2 RS-485通信技术分析112.3 CAN总线通信技术分析142.4 性能比较分析与选择18第3章 网络接入模块与服务器通信方案选择193.1 远程无线通信技术分析193.1.1 GPRS/CDMA无线通信193.1.2 短波通信183.1.3 数传电台通信203.2短程无线通信技术分析203.2.1 蓝牙（Bluetooth）通信203.2.2 紫蜂（Zig-Bee）通信203.2.3 无线宽带（WIFI）通信213.2.4 超宽带（UWB）通信223.2.5 RFID通信233.2.6 NFC通信233.3 性能比较分析与选择24第4章 系统方案设计254.1 总体方案设计254.2 充电桩网络接入方案设计274.3 服务器数据处理方案设计284.4 用户端APP方案设计30第5章 充电桩网络接入装置设计335.1 充电桩硬件电路分析335.2 网络接入装置功能需求分析345.3 MCU核心电路设计355.4 CAN接口电路设计365.5 WIFI接口电路设计37第6章 总结与展望406.1 总结406.2 展望40参考文献42致 谢43武汉理工大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 研究背景及目的意义电动汽车产业对于我国来说，无论是在追赶世界级工业水平、还是在应对能源短缺挑战都是一次重大、重要的发展机遇。而电动汽车的推广有两大制约因素，一个是动力电池，一个是充电设施。目前国内的比较常用的动力电池一般是酸铁锂电池，当对电池充放电时，若采用 0.2C的倍率，则可以增加电池的使用时间。而0.2C充电则需要5个小时才能将电池充满。国外如特斯拉采用18650型锂电池作为动力电池，可以1C充放电，在使用超级充电机对电池进行1C倍率充电情况下，最快也需要1个小时将电池充满。以比亚迪主推电动车型e6为例，使用3.3kW的车载充电机，动力电池为300V220Ah，如用交流充电桩充电，从无电到充满需要大于20小时。图1-1 交流充电桩对比亚迪e6充电以特斯拉主推电动车型Model S 85为例，车载动力电池为7104节串并联组合的18650型锂电池，规格约为355V230Ah。特斯拉自产的超级充电桩以192A接近1C倍率电流对锂电池充电，从无电到充满需要大于接近1小时。图1-2 特斯拉超级充电桩对Model S 85充电以南京金龙客车主推的电动大巴为例，使用600V600Ah的电池，从无电到充满需要大于接近5小时。充电一次市内可跑150-200km，若作为单位通勤车使用，一般路径单程约30公里，一天跑两趟来回70公里，每2天就要充一次电。图1-3 直流充电桩对南京金龙电动大巴充电所以，在能源补充方面，传统汽车是加油，而电动汽车属于充电，充电耗时更长。动力电池在其推广使用时并不顺利，主要是由于材料的问题导致充电时间长。而在能源补充设施方面，传统的加油站占地面积小，充电站需要较大占地面积。同时因为充电时间较长，当需要充电的车辆较多时，停车位也将占用很大空间，因此在城市中由于土地资源紧张，电动汽车的推广和建设非常困难。除去前面两点，数据统计目前电动汽车销量大于充电设施建设的数量，这是推广动力电池的更不利因素。 但在中国汽车工业协会和国家电网的报告中，截止2014年底，全国有2.8万个充电桩和723座充电站，就一对一的标配而言，两者相差甚远。传统的电动汽车充电需要一定的时间，加上充电设施少，于是就充电来说很不方便，不利于其推广。在这种情况下，如何充分利用现有的充电桩资源便成为了目前解决充电的关键问题。基于互联网云平台的智能充电导航系统能让车主及时了解全城各充电桩状态、自动寻找空闲充电桩、并能实时预约空闲充电桩，不仅将大大减少车主在寻找充电桩上浪费的时间与进行充电前的排队时间，而且能有效提高充电桩利用率，对解决充电站占地过大的城市规划问题起到积极作用。本论文针对智能充电导航系统的无线通信技术展开研究，具有非常广阔的市场前景。尽管实际情况尚未达到“十二五规划”的目标，但是“十三五”规划，又继续加强了建设充电桩和充电站，截止2020年底，目标建成充电桩和充换电站分别为450万个和1.2万座。每一个充电桩配备一个无线通信模块，将会产生巨大的经济效益！2武汉理工大学毕业设计（论文）1.2 国内外发展现状1.2.1 充电桩发展现状当前电池自身的能量密度并不优异，充电系统管理尚未完善，从而不利于电动汽车的发展。充电问题有很多，比如充电缓慢、设施太少。图1-4 当前电动汽车制约发展的主要因素电池为直流电，电网为交流电，使用交流转直流的装置即充电机，变换电流类型，从而使得动力锂电池能够提供电动汽车所需的能源。电动轿车的充电机一般集成在车上，如比亚迪e6。图1-5 电动汽车充电电力变换原理电动汽车充电桩有两个类型：直流充电桩与交流充电桩。交流充电桩用于电动乘用车（轿车）的充电。交流充电桩本身并不能进行交直流转换，只能控制开关将电网交流电接入到电动汽车、完成电量计费等功能，因此只适用于具有集成车载充电器的电动轿车。因为交流充电桩本身不集成交流转直流装置，所以交流充电柱优点是体积小、技术简单、制造成本低。因为国家大力推广电动汽车，而电动汽车里面电动乘用车（轿车）量最大，因此交流充电桩的需求量在充电柱里面最大。交流充电桩的缺点是：由于给电动汽车充电的是功率较小的车载集成充电器，所以交流充电柱充电较慢，家庭用电充需7-20个小时。图1-6 交流充电桩原理直流充电桩将交流转换成直流，有分体式和一体式两种。分体式是充电机与桩分离，充电机集中放置在室内，桩放置在露天。一体式是充电机与桩集成在一个机箱里面，放置在露天。 图1-7 分体式充电桩图 1-8 一体式充电桩直流充电桩的充电机因为是独立装配在汽车外部，因此功率可以做得很大。当功率较大的时候，充电的电流会较大，相应的就会使电动车在较短时间内完成充电。例如比亚迪e6，若采用交流充电桩，则完成从零开始充电的时间约为20小时，而若采用10kW的直流充电桩所需要的时间只有6小时。由功率与充电时间的关系可知，通常所见市面上的快速充电桩等快充设备，工作原理都是直流、大功率。例如特斯拉超级充电桩，功率大，属于直流，因此充电速度快。以特斯拉主流车型Model S 85为例，车载动力电池采用松下产笔记本专用电池18650。该种电池的优点在于其电池能量密度大，大约两倍于磷酸铁锂电池，且一致性较高，能达3C充电。但是其缺点在于安全系数不高，同时热特性和电特性存在引发起火的问题。对此，特斯拉采用最高水平的EMS（电池管理系统）掌控其风险。但是国内由于技术不成熟，只能使用性能较稳定，安全系数高的磷酸铁锂电池。图1-9 特斯拉北京总部的超级充电桩特斯拉Model S 85车上总共集成有16组电池组444节电池（74并6串），共7104节锂电池，约355V230Ah，全部平铺在轿车底盘。图1-10 特斯拉Model S 85动力锂电池铺设实物图特斯拉超级充电桩实际就是125kW大功率分体式直流充电桩，充电电流可达192A，如果对Model S 85的230Ah蓄电池充电，充电一半、充电80%、充电100%所需的时间分别为20分钟、40分钟、80分钟。电动车快速充电的瓶颈不在于充电机，只要充电电流越大，充电时间越短，1C充电，1小时充满，2C充电，半小时充满。锂电池因为电池材料的原因，若想增加电池使用时间，充放电时不适合大于1C，而普通锂电池建议的充电也是低于0.2C，用5-6小时完成整个充电过程。这都说明电池的材料是电池充电技术需要攻克的难题。 家庭用充电桩充电更慢的原因是：家庭电力供电不足，无法提供更大的电流，需要单独场地建桩引线。1.2.2 充电桩后台管理发展现状在推广新能源的进程中，大力推广和普及电动汽车，将其从电动公交和公司集团用车延伸到面向广大用户，这已是不可扭转的趋势。而对于此，充电桩的供不应求就成为了阻碍新能源汽车产业的一个极其重要的因素。本论文致力于通过“手机App”+“智能充电网络”+“运营平台”的模式，实现电动汽车产业最佳用户体验。在当今互联网时代，数据代表着最实时的状态，而APP客户端可以融合充电网、车联网、互联网，给用户最便捷的服务，可在线查询、预约、导航、支付、监控等。目前已经有美国的公司开发并发布了电动汽车充电相关的APP，当用户使用该应用程序时，能够很方便通过它找到附近各处的电动汽车充电站，同时能够进行费用查询等任务1。例如美国软件提供商Recargo发布的PlugShareAPP，就是让电动车主下载该程序，即可完成搜寻附近充电站、查询充电费用并付款等各项任务。这一类APP被研究和发布，使得充电站能够得到更加高效的使用，并且让电动车主能够更加方便找到充电站。电动汽车充电设施的建设，在国内主要围绕充电站、充电桩等展开，截止2015年上半年，国家电网公司已经建成的充换电站约为700座，已经建设的充电桩也达到近3万个，还构建了相应的工作网络。同时，在寻找充电站、充电以及后期服务方面，国内有单位提出智能化方向，即智能充电导航2，智能充电桩设计3或者建立智能的充电服务平台4。但是集智能导航，智能充电以及智能服务三种功能于一身的系统，直到目前还没有被开发成熟并投入运营。目前，充电桩产业发展迅速，在该产业的商业模式中，主要有如下三种。“充电桩+商品零售+服务消费”模式、“用户+运营商+设备制造商+整车厂商”模式、“充电APP+云服务+远程智能管理”模式。要想充电行业能够更加快速的发展，其推动力就是互联网平台与资本。当前的许多充电桩运营商针对盈利的看法为，暂时无法实现盈利，当产业发展两年之后，即会开始盈利。因为电动汽车以及其充电系统的市场，是充电与支付的全新场景而非以往的保养。因此充电并不是简单的卖电，而是要通过各种充电设施的互联，构建出充电系统的网络。文献5-8就电动汽车的发展方向和模式提出车联网，这个商业发展模式的提出，将对电动汽车车载终端的研究起到促进作用，同时也能为云服务系统提供研究方向和思路。为了能够给电动汽车厂商提供一种智能的车载终端以及后台服务的平台，设想可以采用北斗和GPS卫星定位系统、3G 网络应用技术以及云计算的平台服务技术来实现平台构建。通过这几种技术构建出来的智能平台，将能够给用户提供方便快捷的服务，例如查询附近充电站、对汽车电池电量情况以及工作情况的监测、智能充电以及智能服务功能。这些功能不仅能够方便快捷地帮助用户完成充电过程，而且能够及时、合理的进行服务。由此用户安全享受的驾车出行得到了保障，客户满意度得到提升，公司也会因此增强自身在市场的竞争力。图1-11 智能车载终端及后台服务平台架构北京南瑞智芯微电子科技有限公司设计了基于云平台的电动汽车智能充电系统9-10。整个系统是由云平台，智能充电，智能终端等三板块组成，这三板块可以分成三个层次，即为平台层，网络层以及终端层。该系统可以通过客户端实现查询附近充电站、智能导航、智能充电以及智能服务等功能，同时该系统还可以在后期对用户进行数据分析，以便更加完善系统和服务用户，更加有利于电动汽车的推广和普及。图1-12 系统逻辑架构图浙江大学对电动汽车智能网络控制系统及其通信机制展开研究11：用户的终端层包含了电动汽车及其用于数据传输的辅助车载设备，将智能终端代理软件嵌入，方便用户对充放电的管理和控制，该终端层采用的是RFID等技术用以实行一车一身份码。数据传输层采用的通信接入技术为无线（WIFI，GPRS，WCDMA，LTE）或者（ADSL，FTTx），为了实现接入层与数据中心的数据传输，数据传输层采用的网络基础设施为（PTN，MPLS）。为了解决国内电动车充电的诸多问题，本文以互联网为连接点设计了智能充电系统，其中APP客户端可实时显示充电状态和定位，并实现预约及充电装置锁定。此外，还将使用智能云服务器充分地挖掘和分析充电用户的行为数据，从而推动电动汽车的发展。1.3 本文研究内容本论文针对智能充电导航系统的无线通信技术展开研究，设计一款智能无线通信模块，实时接收充电桩的充电信息，并将信息通过WIFI技术发送给云平台服务器，再由服务器计根据车主手机客户端所在方位测算出最佳充电地点，并发给手机客户端。尽管实际情况尚未达到“十二五规划”的目标，但是“十三五”规划，又继续加强了建设充电桩和充电站，截止2020年底，充电桩和充换电站的数量将分别达到450万个和1.2万座。每一个充电桩配备一个无线通信模块，将会产生巨大的经济效益！本毕业设计的理论研究价值有一定的重要性，其市场前景也很乐观。第2章 网络接入模块与充电桩通信方案选择2.1 RS-232通信技术分析通过使用串行二进制数据，实现终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间的交换。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号 。RS-232是一种串行物理接口标准，目前的协议为RS-232-C，C表示修改次数。电容很容易影响RS-232的通信距离，比如，在使用150pF/m的通信电缆时，其具有15m的最大通信距离，而当其单位长度的电容量减小，其通信距离将随之增加。最多允许有2500pF的电容负载。波特率只可设置为：50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400波特。RS-232只用于点对点传输，即单机通信。PC和设备一对一连接，分别称为上位机和下位机。一般PC机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。图2-1 RS-232单机通信应用RS-232通信接口一般采用DB9针接口形式。 图2-2 RS-232 DB9针接口定义也有采用25针接口形式。9图2-3 RS-232 DB25针接口定义但是在工业控制中，所使用的接口大多只有RXD、TXD、GND。图2-4 RS-232工业应用RS-232信号电压为负逻辑关系。在发送过程中，如果输出的电平介于+5和+15V，则电平为逻辑“1”。接收端工作电平在+3+12V为逻辑“0”， 在-12-3V为逻辑“1”。 图2-5 RS-232逻辑电平RS-232的帧格式如图2-2所示，1帧包括：1个起始位“0”；1-2个停止位“1”。10图2-6 RS-232帧格式RS-232电路设计如图2-7所示，MCU的SCI（或UART）接口TXD和RXD引出后与光隔（如ADuM1201）相连，信号隔离后接入到RS-232专用接口芯片（如美信的MAX232产品），然后输出标准的RS-232信号。图2-7 RS-232设计电路图2.2 RS-485通信技术分析RS-485总线定义由RS-232发展而来。图2-8 美国电子工业协会EIA制定总线历程想对于RS-232来说，RS-485性能更优异，除了传统的功能外，还有多点、双向通信能力。也就是同一条总线上可以连接一个以上的发送器，并且发动的驱动性能和冲突保护特性得以增强，而总线的共模范围也拓展了，即所谓的TIA/EIA-485-A标准。RS-485可以采用二线与四线方式。其中二线可显示多机通讯。由于缩减了布线成本，减少了传输距离，RS-485串行接口在联网构成分布式系统中被广泛接受。图2-9 RS-485多机通信网络架构RS-485采用平衡发送和差分接收。对于发送端，两线电压差（A-B）为+（26） V表示“1”；两线间的电压差为-（26）V表示逻辑“0”。如果接收端同相输入(A)的电平超过反相输入(B)200mV及以上，则RS-485串行接口输出“1”，反之，则RS-485串行接口的接收器输出为“0”。RS-485采用半双工工作方式，在使能信号的驱动下，任何时候都不能有多点进行发送。如果所有的使能都没打开，也即没有任何驱动总线，总线将被置为三态，A和B之前的电平相差甚小。而一旦某一节点打开发送使能，则总线立即被发送节点拉高到高电平。RS-485能够抑制共模干扰，使用平衡发送和差分接收。如图2-9所示。若传输路途中间总线同时受到共模干扰（A、B两线叠加相同电压干扰），则在接收端根据差分原理可以消除共模噪声。图2-10 RS-485多机通信网络架构RS-485的总收发器具有高灵敏度，可以检测200mV的低电压，所以即使传输信号在很远的千米之外，也能得到恢复，其最远可至1219米。这一点也得益于其RS-485具有很高的共模抑制能力。基于上述，当通信距离介于几十米和几千米时，一般都优选RS-485串行总线标准。RS-485最大传输速率为10Mb/s，只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般上位机（PC机）在与下位机（控制器）通信时都不直接使用RS-232，因为若使用，其最大缺点在于PC机要与控制器须共用地信号，PC机电网干扰与控制器内部干扰会互相影响。例如converter输入电源来源于电网，当converter工作时电网会受到干扰，而PC机电源与电网共地，又会将干扰串给控制器主板。在实际运行中见到的现象就是PC机收不到数据产生死机现象。而RS-485信号传输方式是差分传输，故地线传入干扰并不考虑。因此可采用RS-485/232转换器，长距离采用RS-485总线传输，到了PC机再进行RS-485/232信号转换，变成PC机可接收的RS-232信号传送给计算机。由于与RS-232总线搭配，因此RS-485传送速率受限于RS-232的19200bps。图2-11 RS-485/232信号转换实例在转换RS-232和RS-485的串行接口，使用Maxim公司的MAX3162。用485中继器可以延长通信距离。多接口长距离的总线网络结构如图2-12所示。图2-12 多接口协议RS-485网络实例RS-485电路设计可采用微控制器（MCU）的SCI接口（或称UART接口）经过RS-485接口芯片，将全双工的串行信号转换成具有RS-485协议电气标准的半双工差分信号，如图2-13所示。14图2-13 SCI转RS-485信号框图实际硬件接口电路如图2-14所示，ADM2587为美国ADI公司出产的具有光电隔离、485信号转换功能的芯片。标准RS-485电平信号可由SCI信号自动转换而来。图2-14 SCI转RS-485电路原理图RS-485总线的数据帧格式有两类。一类与RS-232信号相同，如图2-6所示。另一类，由于RS-485可以多机通信，所以具有地址位工作模式，在帧格式上表现为：比RS-232的帧格式多一个地址位。ID号和ID号所对应的地址位分别是1和0。图2-15 RS-485地址位模式下的两种帧格式2.3 CAN总线通信技术分析CAN：英文为“Controller Area Network”，中文是控制器局域网，起源于德国Bosch公司，最初被用来检测汽车以及服务于控制系统。后期由于其性能突出，可靠性强，价格低，而被国际上广泛应用，比如工业现场控制等领域。1993年11月，ISO正式颁布CAN为国际标准ISO11898。支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell、TI等公司。CAN 已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线的最高通信传输速率和最远传输距离分别为1Mbps（40米以内）和10千米（5kbps以下），系统内任意两节点间的最大传送距离和其位速率有一定的联系，关系如图2-16所示。图2-16 传输速度与传输距离关系CAN总线的工作方式为半双工，可以进行全分布式多机通信，其发送和接收数据有多种方式，分为点对点、点对多点、点对网络。结构形式如图2-17所示。图2-17 CAN总线结构CAN总线根据实时需要，使不同的节点对应不同的优先级，也就是使用CSMA/冲突按优先权解决方式来控制媒体访问。当两个优先级别不同的节点同时传送信息，优先级别高的先进行，另一个自动停止，也就是非破坏性仲裁技术，这可以避免出现网络瘫痪。一般信息标识符（即ID号）和优先级别成反比，也即高ID的优先权反而低。CAN协议有3层网络架构，对应的机构图如图2-18所示。在硬件电路中，CAN收发器、CAN控制器和单片机分别对应物理层、数据链层和应用层，如图2-19所示。在最底层物理层中，CAN被定义为可以使用多种物理介质。使用差分电压来传送信号，其中有CAN_H和CAN_L两条信号线。当静态时电压显示为2.5V左右，表示逻辑1，为“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑0，称为“显性”，此时通常电压值为CAN_H =3.5V和CAN_L=1 .5V。图2-18 CAN三层网络架构及其芯片所在网络层图2-19 CAN网络结构图 图2-20 CAN逻辑电平定义与示波器实际波形在数据链路层中，CAN总线的四种帧格式被定义为数据帧、远程帧、错误帧、过载帧。其中应用最多最广泛的是数据帧。帧格式有两种：标准信息帧和扩展信息帧。后者将标识符（即ID号）长度由11位扩展了18位。图2-21 CAN数据帧的帧格式一个有效的CAN的数据帧包括多个，如图2-20，分为帧起始、仲裁域、控制域、数据域、校验域、应答域和帧结束。在帧起始中，数据帧和远程帧的起始被标志。在仲裁域中，分为识别符和远程发送请求位（RTR）。识别符有11位长度，发送顺序介于ID-10 和 ID-0，最低位是 ID-0，最高的 7 位（ID-10 到 ID-4）必须不能全是“隐性”，基于此，识别符可用于判断验收和确定仲裁时的优先级别。在远程发送请求中，RTR为高电平和低电平分别对应于发送远程帧和数据帧，RTR 位在数据帧里必须为“显性”。在控制域中，每帧要发送的最多字节个数可达8个，由数据长度码（DLC）确定。图2-22 控制域DLC定义在数据域中，8个位组成一字节，08个字节组成一个数据帧中的发送数据。 CAN在检测时使用CRC校验和其他措施，尽可能的降低出错率。在校验域中，CRC校验码域由15位的CRC 序列和CRC 界定符组成。发送节点，对方在接收到后会计算CRC校验码，同时基于数据链路层协议也会计算出信息帧的CRC校验码，两者加以比较，若相同就接收。此外，CAN控制器具有自动重发功能，以应对发送或是仲裁时出现错误。而且若出现严重错误，则CAN节点自动关闭功能，这一点不会对其他节点操作造成影响。在应答域里，发送站发送两个“隐性”位（逻辑1）后，如果接收器接收正确并且报文有效，则在应答间隙像将一“显性”位（逻辑0）发送至发送器，并覆盖逻辑1。如图2-22所示，上图在总线有2个节点时，接收节点会在发送节点发送空隙回复应答信号，通信正常。而下图是总线只有1个节点时，无应答信号造成发送节点不断重复发送。图2-23 应答调试波形最后的帧结束由7 个“隐性”位组成。2.4 性能比较分析与选择RS-232通信优点是结构简单，编程简单；缺点是通信距离不长，只能双机通信。RS-485通信优点是具有很强的抗干扰能力，实现多机通信，传输距离长；缺点是半双工通信方式，编程复杂。CAN总线通信优点是具有很强的抗干扰能力，可多机通信，传输距离长，编程简单；缺点是结构复杂，成本较高。因为充电桩本身具有CAN总线通信，所以选择使用CAN作为网络接入模块与充电桩之间的通信接口。第3章 网络接入模块与服务器通信方案选择3.1 远程无线通信技术分析3.1.1 GPRS/CDMA无线通信GPRS(General Packet Radio Service)即通用分组无线业务，基于GSM通信系统，是一种无线分组交换技术，由中国移动开发运营。由于处于第二代和第三代，也被称为2.5G。GPRS通过小的投入，对现有基站进行部分改造，并增加相应的功能实体，使得用户的数据速率十倍于GSM，而对于GSM网只能提供电路交换这一点也打开了新的思维方式。GPRS采用封包（Packet）式来进行传输，将数据封装成各种独立包后再依次传出。其优势在于真正体现了少用少付费的原则，对于用户来说，当处于上网状态，只有在进行资料传输事才计费，也即所需的费用是以数据量是计算，而非传统的依据以上网时间来衡量。如下图为典型GPRS系统结构图，通过监控中心与Internet相连，可以支持一些比较复杂的应用，另外支持的通信方式比较多，使用户可以随时随地以多种通信方式来监控实际应用点。该方案还可以让监控中心同时和多个GPRS模块通信，从而监控多个工作现场。 图3-1 GPRS无线网络结构框图3.1.2 短波通信短波是一种电磁波，其。短波通信是一种基于短波的无线电通信，也被成为高频（HF）通信，在国际无线电咨询委员会的标准中，短波具有10010m的波长，330MHZ的频率。短波通信一般分为如下两种：在近距离通信时采用地波传播，其损耗与工作频率成正比，一般选为5MHZ以下。地波传播能够尽量地排除天气的干扰，信道几乎为恒参信道。在远距离通信时采用天波传播，其损耗很小，无线电波经电离层反射后，传到地面，这样在两者之间不断地反射后，可以传很远的距离，也即全球通讯。天波传播极易受天气、电离层、传播路径等影响，其信道参数成为变参信道。短波通信的特点是：不需要高的建设维护费，设备不复杂，有一定的抗毁能力等。可以对低速数据、图像、语音广播等信息进行传送，广泛用在政府、军事、气象、商业等部门。3.1.3 数传电台通信数传电台即数字式无线数据传输电台，提供标准的RS-232数据接口，使用220-240MHz或400-470MHz频段的工作频率和9600到19200bps的传输速率，直接和外设相连接。可用工作方式有多重，比如单工、半双工、时分双工TDD、全双工方式。数传电台的优点是：具有很好的数据传输时性，误码率低，抗恶劣天气，稳定性优异等，可以覆盖一个城市的区域，有效半径可达数十公里。无线数传电台在发展成熟后，广泛应用于航空航天、气象等各行业，在SCADA等领域也有不小的进步。3.2短程无线通信技术分析3.2.1 蓝牙（Bluetooth）通信蓝牙最初由爱立信创造，通讯介质为频率在2.402GHz到2.480GHz之间的电磁波，其半径可达十米，在该半径范围内实现点对点或一点对多点的数据资料传输，带宽可达1Mbps。蓝牙技术使得在近距离空间内的所有移动或非移动设备通过该技术建立网络联系，大大地省去了各种电缆电线的冗杂。比如，通过无线耳机收听电脑上正在播放的音乐，在将家用PC上所需打印的资料传输至隐藏在壁橱里而减少家居空间的打印机。同时，用户可以通过移动设备和家用PC之间的实时网络联系从而随时存取最新的信息。但是，蓝牙也有一定的缺点，比如传输速率较慢，覆盖范围不大，而且不能进行多点布控。3.2.2 紫蜂（Zig-Bee）通信Zig-Be双向无线通信技术是基于IEEE802.15.4标准而建立，其通信网络类似于蜂群，通过抖动翅膀以及发出声音等来确定食物的方位等。ZigBee技术的特点是：距离近，其通常传输距离是10-100m；功耗低，在处于低耗电待机模式下，维持一个终端工作6-24个月甚至更长的时间所需的能量，仅为2节5号干电池；成本低，没有协议费，芯片价格低廉；速率低，通常在20-250kbps；时延短，响应速度较快。ZigBee技术主要用于非长距离，非高功耗，非高传输速率的电子设备间，比如家庭和楼宇控制、智能型标签等领域，此外，还可嵌入其他设备。典型应用如图3-2所示。图3-2 Zig-Bee无线网络结构框图Zig-Bee还可和GPRS网络结合起来使用。顶层的远程网络和底层的短程网络分别使用GPRS网络和Zig-Bee网络，如图3-3所示。图3-3 Zig-Bee无线网络结合GPRS网络结构图3.2.3 无线宽带（WIFI）通信WIFI即WirelessFidelity，无线保真技术，是一种基于IEEE 80211协议的短程无线传输技术，其覆盖半径可达100米。历史中于1997年发表了第一个WiFi版本，并对介质访问接入控制层(MAC层)和物理层做了相关的定义。WIFI技术传输的优点在于传输速度非常快，根据无线网卡使用的标准不同，WIFI的速度也有所不同。其中IEEE802.11b最高为11Mbps，1999年又增加了IEEE 80211a和IEEE 80211g标准。虽然说国内三大运营商之一的移动4G能够以100Mbps以上的速度下载，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，但也需要考虑随之产生的昂贵的费用。带宽能够进行自我调整，为了保障网络的稳定性和可靠性，在信号不强或是有一定干扰的情况下，带宽将自动调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps。其次WIFI的覆盖范围很广，半径可达100米。据悉，目前由Vivato公司新推出的技术，WIFI无线网络通信可达4英里，约6.5公里。而且解决了高速移动时数据的纠错问题、误码问题，WIFI设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证都得到了很好的解决。但是就WIFI基站而言，其数量还是覆盖范围都远远比不上国内三大运营商。截至2014年，中国移动、中国联通和中国电信的通信基站数量分别约为180万个，56.5万个，63.5万个。而WIFI基站则鲜有听说。通过Hata城市传输模型计算，在城市密集处，GSM无线覆盖半径为5.5km，CDMA无线覆盖半径达10.5km，而WIFI基站在农村等空旷处一般仅可以覆盖5km。综上所述，国内三大运营商在网络覆盖范围和网速（就4G而言）方面都远远优于WIFI通信，但是在使用的过程中不可避免地会产生相应的费用给运营商，而且越快的网速，比如4G网络，由于其单个4G基站覆盖范围半径为50米至100米，超出部分移动一般会以0.29元/M收取流量费。而对于蓝牙和WIFI通信而言，只要具备相应的设备与通讯接口，仅需要支付一定的费用，从而节约了大量的成本。WIFI方案的设计相对其他方案比较简单，仅需要通过MCU控制WIFI模块，通过CAN总线与主板通信，然后通过WIFI模块传输讯息到Internet。图3-4 WIFI方案网络结构图3.2.4 超宽带（UWB）通信UWB是一种传输数据的无载波通信技术，其所使用的非正弦波窄脉冲数量级为纳秒至微微秒级。宽带为1GHz以上，传输距离小于10M，使用几百兆bit/s以上的通信速度。UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6GHz，最小工作频宽为500MHz。UWB主要特点是：传输速率高；发射功率低，功耗小；保密性强；此外，UWB的系统不复杂，所需的射频和微波器件不多，通过调试序列能够在一定程度上对抗多径衰落。但是其带宽很高，会出现干扰其他无线通信系统的现象。UWB可被应用于军事部门，比如使用高分辨率的雷达，穿透障碍物，协助图像系统的工作。也可在工程应用中用于定位地下线缆等的故障状态及结构缺陷。此外，也可用于疾病诊断。3.2.5 RFID通信RFID是一种由一个询问器和很多应答器组成的无线系统，结构简单，只有两个基本器件。天线，耦合元件及芯片三部分组成应答器，每个作为目标对象的物体上都附有一张标签，代表唯一的电子编码。天线，耦合元件，芯片三部分组成阅读器，手持式RFID读写器或固定式读写器可以对标签信息进行读写。图3-5 RFID方案网络结构图3.2.6 NFC通信NFC通信适用于近距离的私密通信，通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式来传递信息，体现轻松、安全、迅速。NFC的特点是传输范围不大，小于RFID。并且能够与现有非接触智能卡技术兼容，基于此，这一正式标准越来越得到广大厂商的支持。图3-6 WIFI方案网络结构图3.3 性能比较分析与选择在无线通信方案里，可以对几个主流无线通信技术列出一个参数比较表，如表3-1所示。表3-1 无线通信方案技术比较 对上述的无线传输方案进行分析比较，可知各种技术方案都有各自的应用领域及优缺点，而对于本论文研究对象的特点，WIFI具有突出的技术优势：它的局域网覆盖范围很广，半径可达100米，远超过蓝牙技术；有很快的传输速度，可达11mbps（802.11b）或者54mbps（802.11.a）；不用布线，省去了各种电缆线的冗杂，设计便利；用户只需将终端设备置于覆盖范围内，就可高速接入相应的网络。对于物联网开发更是关键技术。安全性能高，WIFI功能的产品辐射很小，远低于手机等通讯设备，实际只有60-70毫瓦的功率。经济性，对于实现WIFI功能的产品的开发使用的芯片和相应设备，在市场上相对比较廉价，对于降低设计开发成本有明显的优势。综上所述，选取WIFI通信技术作为本毕设的通信方案。第4章 系统方案设计4.1 总体方案设计图4-1是以往充电桩的监控网络方案示意图，充电桩需要与通信管理机、监控后台以及各计量系统进行连接，这个连接需要用到工业总线进行实现。其中通信管理机还需要进一步与远程监控系统进行数据传输，这个需要利用GPRS网络完成。 图4-1 传统充电桩与后台管理网络结构图图4-2是本课题设计的充电桩进行无线通信的方案，这个系统由三板块组成，分别为充电桩网络的接入、服务器、客户端11。充电桩网络接入装置用于实时采集充电桩的状态信息，然后将该状态信息实时发送到服务器端，客户通过pad等移动客户端通过APP软件访问网络服务器。图4-2 充电桩网络接入原理引导框图客户可用手机下载APP软件，链接全城联网的充电桩云平台网络，可以查看全市任何一台公用充电桩的信息，并自动搜寻最近距离、最短等待时间的充电站。然后用户可以用手机APP预约排队，手机APP会告诉用户前面还有几辆车在排队，正在使用的充电桩还剩多少时间充电，按照每辆车充电4小时预估最大排队时间是多少。与银行系统的叫号机原理类似，排队叫号并不针对具体的窗口，而是根据你前面有几个人排队，再看有没有空闲窗口自动依次排队。总体方案如图4-3所示。图4-3 方案总体框图充电服务系统架构如图4-4所示，整个系统由平台层、网络层以及终端层三部分组成。终端层为充电桩与移动客户端，充电桩网络接入装置将充电桩信息接入网络，移动客户端通过网络接收充电桩相关信息。网络层为Internet网络，终端层设备通过WiFi、GPRS等设备接入到网络层，信息在网络层传播。最上层为平台层，用于充电服务平台软件的运行，负责收集全城所有充电桩的信息，组成云平台，并与用户端联系，同时进行路线筛选运算，为用户充电指引。充电服务平台包含基础服务与增值服务两大功能。图4-4 新能源汽车智能充电服务系统架构设计图284.2 充电桩网络接入方案设计充电桩通过充电桩网络接入装置接入到Internet网络层，前面已有通信方案选择，采取WIFI通信技术。以下两种方案可以实现充电桩与充电网络接入装置的连接。第一种方案是充电桩之间首先通过本身已有的CAN总线接口连接在一起，组成充电桩设备群CAN网络，然后通过一个集成有CAN接口的基于ARM的网络接入装置通过CAN接口挂在充电桩设备群CAN网络上，实时接收所有充电桩的信息，然后集中通过WiFi技术经过路由器中转，发送到服务器端。服务器再通过internet网络与pad等客户端相连从而提供数据查询。方案原理如图4-5所示。图4-5 多充电桩共一个网络接入装置布局图第二种方案是一个充电桩一个网络接入装置，所有充电桩经过网络接入装置全部独立通过WIFI经过路由器中转与服务器相连，如图4-6所示。两种方案比较，第一种方案成本更低，只需一个网络接入装置，而第二种方案每个充电桩都需要一个网络接入装置，成本相对较高。但是本论文认为网络接入装置在整个充电桩成本中比重较低，第一种方案充电桩之间需要布线组网，挖缆沟铺电缆的成本不亚于网络接入装置；而且第二种方案易于网络维修、更换和升级，因此本论文采取第二种方案，每个充电桩都安装一个网络接入装置。图4-6 一充电桩一个网络接入装置布局图4.3 服务器数据处理方案设计服务器架构如图4-7所示，一共分为网络层、数据总线层、业务层和应用层等4层架构。网络层将充电桩的数据格式进行统一规范，然后经过集群服务器传送到数据总线层，然后传送到业务层11。业务层主要处理网络层传输来的数据、指令。应用层遵循云服务器体系架构，将多种数据信息统一管理并向外提供统一数据服务，主要提供各种资源的获取、修改等操作；提供缓存、事务等解决方案。服务器运营管理系统如图4-8所示。充电桩的监控管理功能主要监控充电桩工作状态信息及内部参数信息12；交易管理主要用于充电计费管理与费用流转、历史账单数据；信息采集管理主要用于监控充电桩工况；运营工况分析用于对区域充电桩使用情况进行分析，为宏观政策提供大数据支持；系统管理主要用于系统管理员的日常管理。服务器使用租赁的云服务器，在其上建立web服务器（Tomcat）与数据库服务器（MySQL），对数据进行管理与收发。作为TCP服务器端，各个