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摘要：

針對(duì)電動(dòng)自行車(chē)充電不夠便捷這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)充電控制系統(tǒng)，適用于城市居民小區(qū)。該系統(tǒng)由一個(gè)中心控制器和若干個(gè)智能型充電座構(gòu)成，中心控制器和充電座之間采用ISM無(wú)線射頻方式進(jìn)行通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一整套自動(dòng)充電控制系統(tǒng)。介紹該系統(tǒng)的基本工作原理，描述其整體硬件構(gòu)成并給出其關(guān)鍵的電路圖，還分析了它的軟件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，歸納了該系統(tǒng)的特點(diǎn)。我們?cè)O(shè)計(jì)的這一控制系統(tǒng)，提高了電動(dòng)自行車(chē)充電的便捷性，其所涉及的核心技術(shù)可做相關(guān)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：

電動(dòng)自行車(chē)；充電控制系統(tǒng)；單片機(jī)；IC卡；無(wú)線通信

電動(dòng)自行車(chē)是一種綠色交通工具，具有無(wú)污染、低價(jià)、安全等優(yōu)點(diǎn)，深受?chē)?guó)內(nèi)城市居民的青睞［1］。電動(dòng)自行車(chē)一般采用充電式電池作為動(dòng)力源，其充電是否便捷是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)一些較老的城市小區(qū)，電動(dòng)自行車(chē)充電相關(guān)的公共配套設(shè)施相對(duì)欠缺。比如，有的公寓樓沒(méi)有電梯，而有些居民所住樓層較高，要為電動(dòng)自行車(chē)充電，目前采用的方法主要有以下幾種［2］：一是取出電池搬回家充電。由于有些電池較重，用戶(hù)搬動(dòng)較為費(fèi)力。雖然近年來(lái)出現(xiàn)了一些相對(duì)輕便的鋰電池電動(dòng)自行車(chē)，但因其價(jià)格較為昂貴，還未大范圍普及。二是從家中接線到一樓充電。用戶(hù)不必從電動(dòng)自行車(chē)內(nèi)取出電池，而是直接在一樓單元門(mén)處充電。充電完畢后，用戶(hù)收回接線板，這種充電方式不僅麻煩，且充電地點(diǎn)無(wú)人監(jiān)管，易發(fā)生被盜情況。三是在路邊的投幣式快速充電站充電。因充電站采用大電流充電，所以能達(dá)到快速充滿的效果，但這種充電方式顯然對(duì)電池的性能有一定的損害，僅適用于用戶(hù)在行駛途中沒(méi)電時(shí)急用。四是在小區(qū)內(nèi)指定的設(shè)備上付費(fèi)充電。近年來(lái)有些小區(qū)安裝了電動(dòng)自行車(chē)專(zhuān)用充電設(shè)備，以方便用戶(hù)充電，目前一般是用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)付費(fèi)充電，設(shè)備安排有專(zhuān)人負(fù)責(zé)管理。這種方法雖然方便，但增加了人力支出，不值得推廣。在對(duì)上述幾種典型的充電方法進(jìn)行分析后可知，目前的電動(dòng)自行車(chē)充電方式在安全性、便捷性、高效性等方面存在一定的不足。為解決此問(wèn)題，筆者應(yīng)用電子電路、單片機(jī)、IC卡、無(wú)線通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)自行車(chē)充電自動(dòng)控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)充電自控系統(tǒng)），克服了現(xiàn)有充電方式的缺陷，適合在城市小區(qū)推廣使用。

1基本工作原理及硬件構(gòu)成

充電自控系統(tǒng)由一個(gè)中心控制器和若干個(gè)智能型充電座構(gòu)成，其整體硬件構(gòu)成如圖1所示。中心控制器安裝于小區(qū)物業(yè)管理處，交由物業(yè)管理人員管理，在每幢居民樓的各單元門(mén)處分別安裝一個(gè)智能型充電座，其配置的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況而定，用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)IC卡并充值。當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)需要充電時(shí)，將其充電器插頭插入智能型充電座的插座，然后刷卡，根據(jù)顯示屏的提示選擇充電時(shí)長(zhǎng)，充電座即開(kāi)始為其充電，用戶(hù)選擇的時(shí)長(zhǎng)達(dá)到后，充電座會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)充電電路，并發(fā)送充電完畢的短信至用戶(hù)手機(jī)。如此，極大地提高了充電的便捷性和效率。中心控制器和智能型充電座具有RF無(wú)線通信功能，由此組成了一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)設(shè)定的通信協(xié)議，各充電座的相關(guān)工作數(shù)據(jù)能無(wú)線發(fā)送至中心控制器。

1．1智能型充電座智能型充電座在硬件上由電源電路、單片機(jī)、IC卡讀寫(xiě)電路、充電接口電路、用電量計(jì)量電路、人機(jī)對(duì)話電路、GSM短信發(fā)送電路、EEPROM電路及無(wú)線通信電路構(gòu)成，其硬件構(gòu)成如圖2所示。充電座以單片機(jī)為控制和信息處理核心，統(tǒng)籌各外圍電路協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)型號(hào)選用了STM32F107，該芯片具有豐富的功能模塊和接口［3］。電源電路采用ASM1117－5．0和ASM1117－3．3芯片，將9V電源適配器的電壓降至5V和3．3V穩(wěn)定直流電壓，供給單片機(jī)及上述外圍電路模塊。用戶(hù)刷卡時(shí)，單片機(jī)首先令I(lǐng)C卡讀寫(xiě)電路讀取用戶(hù)IC卡的身份、密碼、金額等數(shù)據(jù)，經(jīng)判斷后若符合設(shè)定的條件，又令LCD顯示屏給出選擇充電時(shí)長(zhǎng)的提示信息，然后等待用戶(hù)按鍵操作。用戶(hù)根據(jù)提示進(jìn)行按鍵操作后，單片機(jī)令I(lǐng)C卡讀寫(xiě)電路根據(jù)應(yīng)扣除的金額重寫(xiě)IC卡的對(duì)應(yīng)扇區(qū)，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用扣除。單片機(jī)令充電接口電路接通電動(dòng)自行車(chē)的充電器，于是開(kāi)始充電；同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)達(dá)到用戶(hù)所選的時(shí)長(zhǎng)后，充電接口電路斷開(kāi)，LCD顯示屏給出充電已完畢的提示信息，同時(shí)發(fā)送提示短信到用戶(hù)預(yù)留的手機(jī)號(hào)碼。在充電過(guò)程中，用電量計(jì)量電路能根據(jù)測(cè)得的電壓、電流等電參數(shù)，計(jì)算出充電座消耗的有功功率并作記錄。這樣，一方面可根據(jù)用電量情況推斷出各充電座的使用量，另一方面可根據(jù)用電量數(shù)據(jù)定期與供電部門(mén)結(jié)算。在每月設(shè)定的日期（比如設(shè)定為每月1日的12：00AM）發(fā)送充電座的用電量給中心控制器，中心控制器記錄各充電座的用電量數(shù)據(jù)。EEPROM電路采用24C256芯片，用于保存充電過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，掉電不丟失。GSM短信發(fā)送電路選用了SIM300模塊，和單片機(jī)之間以串口連接，應(yīng)用AT指令進(jìn)行通信。無(wú)線通信電路選用了Si4432芯片，用于和中心控制器實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)線通信。

1．1．1IC卡讀寫(xiě)電路充電自系統(tǒng)采用的IC卡為MifareOneS50卡，其工作頻率為13．56MHz。IC卡讀寫(xiě)芯片選用了飛利浦NXP公司的MFRC522，并采用相應(yīng)的電阻、電容等分立器件構(gòu)成了IC卡讀寫(xiě)電路，天線設(shè)計(jì)為板載式PCB多環(huán)狀天線［4］，IC卡的讀寫(xiě)距離可達(dá)到5cm左右，其電路原理如圖3所示。MFRC522芯片作為從器件，以SPI接口和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，接收其內(nèi)部工作寄存器設(shè)置等命令，以及發(fā)送和接收IC卡通信時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1．1．2充電接口電路通過(guò)充電接口電路，單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)220V市電火線、零線接通與斷開(kāi)的控制，充電接口電路如圖4所示。當(dāng)讀到的IC卡符合條件時(shí)，單片機(jī)令引腳CON1＝1。分析電路可知，此時(shí)三極管Q1、Q2導(dǎo)通，于是繼電器Relay1、Relay2的常開(kāi)觸點(diǎn)均接通，插座上便輸出220V市電，電動(dòng)自行車(chē)的充電器即開(kāi)始為蓄電池充電；當(dāng)讀到的IC卡不符合條件或符合條件的IC卡用戶(hù)所選的時(shí)長(zhǎng)達(dá)到后，單片機(jī)令引腳CON1＝0，分析后可知插座無(wú)電，無(wú)法為蓄電池充電。這種將火線、零線都納入控制的做法，確保了用電時(shí)的安全性。

1．1．3用電量計(jì)量電路充電自控系統(tǒng)選用CSE7759作為用電量計(jì)量芯片，這是一種單相多功能計(jì)量芯片［5］，計(jì)量精度可達(dá)0．2％，計(jì)量電路如圖5所示。將火線上的電流信號(hào)通過(guò)1mΩ的錳銅電阻采樣后，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)差分輸入至CSE7759的V1P、V1N引腳，零線上的電壓信號(hào)則通過(guò)R3、R4電阻分壓后，輸入至CSE7759的V2P引腳。該芯片的CF輸出指示負(fù)載上有功功率的頻率信號(hào)，CF1則輸出指示負(fù)載上電壓有效值（SEL被設(shè)置為1時(shí)）或電流有效值（SEL被設(shè)置為0時(shí)）的頻率信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)測(cè)量出CF、CF1輸出的頻率信號(hào)的周期，可計(jì)算出負(fù)載上的有功功率、有效電壓、有效電流，結(jié)合充電座每次的工作時(shí)長(zhǎng)，即可得出每次工作的用電量數(shù)值。

1．1．4無(wú)線通信電路充電自控系統(tǒng)采用的無(wú)線通信芯片為Si4432，這是一個(gè)CMOS射頻集成電路［6］，包含了所有ISM頻段應(yīng)用所需的發(fā)射和接收功能，可工作在315、433、868、915MHz頻段，工作電壓為3．3V。無(wú)線通信電路如圖6所示，Si4432與單片機(jī)采用SPI接口連接，其中射頻前端采用了分集式開(kāi)關(guān)電路SKY13267，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線發(fā)送和接收的自動(dòng)切換。

1．2中心控制器中心控制器設(shè)計(jì)為一個(gè)手持機(jī)，硬件上主要由鋰電池、電源電路、單片機(jī)、IC讀卡器、萬(wàn)年歷電路、無(wú)線通信電路、存儲(chǔ)電路及觸摸屏等構(gòu)成，其硬件構(gòu)成如圖7所示。其中，單片機(jī)型號(hào)為STM32F107，無(wú)線通信電路采用Si4432，存儲(chǔ)電路采用24C512，IC讀卡器與單片機(jī)之間為USB接口連接。萬(wàn)年歷電路采用DS1302芯片，和單片機(jī)之間采用I2C方式連接，作用是計(jì)日期及時(shí)間（比如判斷當(dāng)前時(shí)間是否已到每月1日的12：00AM）。管理員通過(guò)該手持機(jī)，可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)IC卡的開(kāi)卡、加密、充值、掛失等操作。當(dāng)用戶(hù)充值時(shí)，單片機(jī)令USB讀卡器將充值金額寫(xiě)入用戶(hù)的IC卡，同時(shí)將金額數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)電路作保存。

2軟件設(shè)計(jì)

充電自控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，涉及智能型充電座的控制和中心控制器的管理及兩者之間的無(wú)線通信，為便于后期維護(hù)和功能升級(jí)，軟件設(shè)計(jì)均采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并按照功能模塊進(jìn)行功能函數(shù)的設(shè)計(jì)。

2．1智能型充電座軟件設(shè)計(jì)智能型充電座的整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示，限于篇幅，智能型充電座的軟件設(shè)計(jì)主要介紹IC卡讀寫(xiě)操作和用電量計(jì)量?jī)刹糠帧?/p>

2．1．1IC卡讀寫(xiě)操作充電自控系統(tǒng)采用MicfareOneS50卡，這種IC卡共有16個(gè)扇區(qū)（扇區(qū)0～15），每個(gè)扇區(qū)有4個(gè)塊（塊0～3），每個(gè)塊為16Byte，除了第0扇區(qū)的塊0因已經(jīng)固化了4Byte序列號(hào)（物理卡號(hào)）及卡商相關(guān)代碼等數(shù)據(jù)不可寫(xiě)外，剩余扇區(qū)的塊0～2都可以在對(duì)應(yīng)的塊3的匹配下進(jìn)行讀寫(xiě)操作［7］。系統(tǒng)選擇扇區(qū)1的塊0用于數(shù)據(jù)讀寫(xiě)存儲(chǔ)，其數(shù)據(jù)格式定義為null3Byte，卡身份號(hào)（發(fā)卡卡號(hào)）2Byte，密碼4Byte，手機(jī)號(hào)5Byte，金額2Byte，合計(jì)16Byte。本設(shè)計(jì)中，扇區(qū)1的塊3的存取控制碼設(shè)置為“08778F69”，塊數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作認(rèn)證方式為KEYB。要進(jìn)行IC卡的讀寫(xiě)控制，首先應(yīng)初始化MFRC522的相關(guān)工作寄存器，然后由單片機(jī)控制MFRC522進(jìn)行尋卡，以判斷信號(hào)范圍內(nèi)是否有卡進(jìn)入，接著進(jìn)行防沖撞處理，達(dá)到當(dāng)有多張射頻卡同時(shí)進(jìn)入讀寫(xiě)電路天線的有效工作范圍內(nèi)時(shí)能避免多卡之間的沖撞，然后選定某張卡，進(jìn)行KEYB、發(fā)卡卡號(hào)及密碼的認(rèn)證，若認(rèn)證通過(guò)，則可執(zhí)行讀塊或?qū)憠K等操作，否則提示無(wú)效卡，程序結(jié)束。整個(gè)過(guò)程的流程如圖9所示。

2．1．2用電量計(jì)量CSE7759的CF引腳輸出被充電負(fù)載的有功功率的頻率信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，可測(cè)出CF的頻率，求出有功功率，然后根據(jù)時(shí)長(zhǎng)，即可計(jì)算得出用電量數(shù)值。CSE7759在實(shí)際使用中必須進(jìn)行功率校準(zhǔn)［8］，充電自控系統(tǒng)中采用的方法是：加載標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載（假設(shè)功率值已知為P0），測(cè)量出此時(shí)CF引腳輸出頻率的周期T0。由于CF引腳在沒(méi)有負(fù)載加載時(shí)輸出頻率的周期為0，且由于功率值是線性的，于是有功率校準(zhǔn)系數(shù)。

2．2無(wú)線通信機(jī)制中心控制器和多個(gè)充電座之間采用ISM頻段的射頻無(wú)線通信方式，Si4432電路的工作頻率設(shè)置為433MHz，數(shù)據(jù)傳輸波特率設(shè)置為1．2kb／s。在兩者的無(wú)線通信過(guò)程中，具體遵循如下通信機(jī)制：1）每個(gè)充電座檢測(cè)到充電完畢后，自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包至中心控制器，每個(gè)數(shù)據(jù)包含8Byte。具體的數(shù)據(jù)格式定義為，充電座地址2Byte，卡身份號(hào)2Byte，金額2Byte，數(shù)據(jù)包校驗(yàn)碼2Byte。2）中心控制器檢測(cè)到設(shè)定的每月1日12：00AM到時(shí)，自動(dòng)發(fā)送查詢(xún)指令至各充電座，要求返回用電量數(shù)據(jù)。充電座返回的數(shù)據(jù)包含8個(gè)字節(jié)，其中空白的2個(gè)字節(jié)null寫(xiě)入0xFFFF。具體的數(shù)據(jù)格式定義為，null2Byte，充電座地址2Byte，用電量2Byte，數(shù)據(jù)包校驗(yàn)碼2Byte。數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)碼含2Byte。若中心控制器空閑，在收到數(shù)據(jù)包后，解析后可根據(jù)校驗(yàn)碼判斷出數(shù)據(jù)是否正確；若發(fā)現(xiàn)所收數(shù)據(jù)包有誤，則中心控制器根據(jù)充電座地址，回發(fā)此數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的提示給充電座，充電座重發(fā)數(shù)據(jù)包，直至正確為止。

3結(jié)語(yǔ)

筆者對(duì)電動(dòng)自行車(chē)自動(dòng)充電控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，整體上達(dá)到了預(yù)期的性能：各電路功能模塊均能穩(wěn)定地可靠地工作，其中無(wú)線通信的可靠距離可達(dá)1km以上，一次通信成功率達(dá)到98％以上，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求。該系統(tǒng)能提高電動(dòng)自行車(chē)充電的便捷性，提升管理的效率，具有一定的實(shí)用價(jià)值，所涉及的IC卡讀寫(xiě)、無(wú)線通信等核心技術(shù)可推廣應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)，為技術(shù)方案設(shè)計(jì)提供一定的參考。

作者：范虹興 蔡超 張震宇 單位：浙江科技學(xué)院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院