隨著物聯網時代的到來，實現對快速充電機的智能遠程管理，其監控終端的設計是其中的關鍵技術。結合單片機STM32和實時操作系統μC/OS-Ⅱ，介紹了快速充電機監控終端的整體設計方案，研究了大功率充電機CAN總線及GPRS數據發送的協議制定及軟件設計方法，并對GPRS流量費用進行了經濟性分析。結果表明該監控終端保證監控網絡工作穩定，實現對充電機的運行狀態的監測及其遠程管理。

引言

隨著國家對新能源技術的大力扶持，電動汽車逐漸成為國家在新能源汽車產業大力發展的對象，而電動汽車充電站、快速充電機是電動汽車大規模化后不可或缺的服務基礎設施之一。大量分布于各住宅小區、停車場的電動汽車用非車載智能快速充電機，實現高效、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行無人值守的運行情況，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展方向，而高性能、低成本的充電機監控終端是其中的關鍵技術。為管理區域多臺充電機的資源優化利用與管理的智能化，監控終端與Internet網的交互成為一種必然。

1 監控網絡的整體方案

如圖1的充電機的監控網絡結構圖所示，監控終端作為充電機與監控中心之間的一個重要網關。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)、電動汽車等)。

　　圖1 充電機監控網絡結構圖

通過監控終端作為媒介，實現了監控中心與充電機及電動汽車的通信鏈路的建立。終端通過CAN網絡與充電機、BMS及電動汽車等相互通信，采集相關節點的數據信息并存儲，并將相關信息反饋給充電機。充電機根據相關信息從而實現電動汽車電池的智能充電。終端與監控中心之間是通過GPRS連接通信，終端將充電機、電池、電動汽車等相關數據傳回監控中心，監控中心實現對充電機的遠程控制和實時監控功能，記錄充電機的運行及故障情況。車主可以由監控中心查詢了解當前空閑的充電機位置，實現資源充分利用。

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網絡)、用戶計費交互信息模塊、數據存儲模塊、實時時鐘模塊和GPRS通信模塊6個部分所組成。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個串口，滿足終端CAN與GPRS網絡接口的需求。

　　圖2 監控終端的結構框圖

監控終端的工作流程如下：用戶計費模塊讀取用戶信息以及選擇充電模式，通過CAN網絡向充電模塊發送相應充電命令;同時監控終端讀取CAN網絡中的關鍵數據幀如充電機的運行狀況等，并將數據保存于NandFlash中。

定時將當前充電用戶信息和充電機等運行參數通過GPRS發送到監控中心。監控終端可以根據用戶的需要，打印用戶的余額或收費憑據等。

2.2 CAN總線模塊

為了更好地保證CAN總線可靠的傳輸，系統定義了一套通用的應用層的CAN總線協議。主要針對CAN 2.0B協議的報文ID進行了分配及定義。如表1所示。

優先級確定

CAN協議規定報文ID越小，其報文的優先級越高。在競爭總線時，優先級高的報文優先發送，優先級低的退出總線競爭。CAN總線競爭的算法效率很高，是一種非破壞性競爭[3].因CAN協議規定標識符由高至低，前7位不能全為顯性位。所以優先級1111b保留，故系統具有15級優先級別。

類型碼

協議將ID24~ID22規定消息的類型。

在本系統中，用到的消息類型主要有：控制、狀態、測量、警告和廣播5種類型。根據將類型碼的具體分配如表2所示。

源地址

協議規定ID12~ID16為源地址，ID17~ID21為目標地址，進而標識報文的各接收節點與發送節點。5位地址位，保留11111b為廣播地址，可以確定31個控制節點，可滿足電動汽車充電機的監控需求。在此系統中，定義00000b為監控終端，00001b為充電機節點，00010b為電池管理系統(BMS)節點。

分段碼

因不同的節點所發送的數據量不同，可能會出現一個數據幀不能把從底層采集到的數據一次性發送完畢(即超過8個字節的情況)。協議中將ID11~ID4定義為分段碼，如表3所示。

在表3中，某節點的數據幀由分段碼00H開始，由FFH結束，最大可支持發送256×8字節的數據。若該節點只有一幀數據，定義FFH同時也為單幀數據。

例如，BMS節點，包含了電池組總電壓、電池組總電流、電池組SoC、電池組各個箱體(9個)的溫度以及電池組狀態的信息等。每個數據占用2 B.顯然一個數據幀是無法發送該節點的全部信息，故須采用多幀方式發送。

2.3數據發送模塊

終端是通過串口外接周立功GPRS模塊(ZWG-23A)連接到互聯網。通過GPRS網絡上網，連接到服務器之后，按照通信協議定時向服務器發送數據。根據《深圳市電動汽車充電系統技術規范》標準文件，協議由報文起始標識、版本號、命令字、報文長度、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)報文長度。是由[發送序列號]到[數據內容]的總長度。

(3)校驗碼。是從[起始標識]到[數據內容]的無進位累加和。

(4)接收(發送)方類型與地址。監控中心為類型為“業務服務平臺”，其數值為1，其地址為在此類型碼下的某一個惟一地址;終端的類型為“調度終端”，其數值為255，地址為此類型下的某一個惟一地址。

(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或多個數據對象組合而成，也可以為空。發送方在應答非正常或無應答的情況下，每條數據報文最多重復發6次，每次間隔時間為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、定時發送4個階段。部分命令字與對應的數據內容見表5所示。

3 軟件設計

3.1 μC/OS-Ⅱ的多任務管理

移植μC/OS-Ⅱ實時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內核的實時操作系統，具有實時、可裁剪、可靠和穩定性等優點。μC/OS-Ⅱ的系統資源豐富，除去自身的系統任務外，用戶可以建立多達56個任務，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，足以滿足充電樁的監控終端的系統要求。

為實現監控終端的功能要求，在μC/OS-Ⅱ中設計了以下13個任務：顯示任務、鍵盤查詢任務、輸入處理任務、打印任務、數據的存儲任務、IC卡的讀/寫任務、GPRS的發送任務、CAN數據的接收任務、CAN數據的發送任務、GPRS的接收任務、命令控制任務、報警任務及看門狗的喂狗和異常檢測任務。

μC/OS-Ⅱ的多任務的特點，規定每個任務都必須具有不同的優先級。根據任務的關聯性、關鍵性、緊迫性、頻繁性、實時要求性來確定任務的優先級，既要保證每個任務的相對獨立性，又要避免任務調度頻繁致使系統的效率下降。任務的優先級規劃如表6所示。

表1中基本數據包括城市區號、停車場序號、充電樁位置信息、報文發送時間以及充電機、BMS和用戶IC卡的相關信息共計209 B.

表中各任務優先級之間保留一定的間隔，方便系統以后的改進和升級。系統設定時鐘節拍為10 ms，滿足充電樁的實時性要求。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個應用任務關聯在一起，其關系如圖3所示。

　　圖3 μC/OS-Ⅱ各任務之間的關聯關系圖

3.2 ZWG-23A模塊的配置

ZWG-23A通過串口與終端鏈接，它通過移動通信的GPRS網絡鏈接互聯網。由于周立功公司并沒有提供基于μC/OS-Ⅱ的DTU配置程序，所以系統中需要自行開發相關的配置程序，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的心跳時間定時向中心發送監控信息，根據表6數據內容字節計算，一臺終端一天發送報文所產生的GPRS流量大約為(228×2×60×24 + 294×2 + 100)(128×1 024)=5 MB，以每月30天計算，一年一臺終端所產生的GPRS流量為1.7 GB.采用2 GB的包年流量套餐足以滿足終端一年所產生的流量費。

4 結語

本文研究了電動汽車快速充電機監控網絡的結構組成，詳細分析了監控終端的通信網絡的CAN與GPRS的通信應用層協議。其CAN網絡協議具有廣泛的通用性，GPRS的流量少，可推廣到自動化的其他領域中的應用。

STM32/STM8

意法半導體/ST/STM