智能充电桩开发（一）:系统总体设计概述
本文介绍了一种基于4G通信的智能充电桩系统，旨在提升充电效率并保障安全性。该系统由智能充电桩、云平台服务和客户端组成，通过4G网络实现与云平台的通信。主控制器STM32F103VE负责数据处理与设备控制，支持十路继电器开关管理及语音报警功能，并集成数码管显示用于提示充电剩余时间。此外，系统搭载测温模块和4G通信模块（移远EC200）以确保稳定运行和防止火灾风险。该方案具备低成本、高效率的特点，并适用于公共场所的电瓶车充电场景。
依据相关机构的数据统计显示，在过去的一年里（截至2023年7月），中国乘用车市场实现了显著增长。其中新能源车型零售表现尤为突出，在经历了前期低迷后实现全面复苏并持续高歌猛进。值得注意的是这一市场的快速发展不言而喻的是其背后强大的技术支撑力量与政策鼓励环境的共同作用。就具体表现而言新能源汽车产量同比增长了4.4%，其中新能源乘用车更是实现了惊人的同比劲增169.1%的成绩单
伴随着我国经济的蓬勃发展, 电瓶车如今已成为城市居民日常出行的重要选择之一. 然而, 传统的投币式充电桩不仅给用户体验带来了诸多困扰, 同时还存在严重的安全隐患. 物联网技术正以前所未有的速度发展, 它正在掀起一场深刻的智能化浪潮. 在我国, 电瓶车的数量已经突破了惊人的地步, 其家充业务市场前景广阔. 家庭充电的安全隐患不容忽视, 如进电梯后的起火导致人身伤害事故频发, 这也促使社会各界更加重视充电安全问题.
随着3G通信基站的关闭,移动和电信等运营商陆续停止运营,并促进了4G网络通信智能充电桩的发展速度。
该文提出了一款4G智能型充电桩方案。此方案具有低成本及小型化的优点，并适用于各类公共区域。该系统的管理平台与服务器之间通过4G网络直接实现了数据传输。管理人员可依据服务器实时反馈的信息对充电桩运行状态进行优化调整，在提升设备维护效率的同时也在一定程度上也减少了火灾发生的可能性。普通用户可通过微信小程序便捷地完成插电充能操作，在确保资金安全的前提下提升了用户体验水平。
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1 系统总体设计
本系统的整体架构示意图如图1所示，主要由智能充电桩、云平台服务以及客户端三个核心组件构成。其中采用4G网络进行数据传输的特性，在实际应用中，则支持通过广域网实现的4G或WIFI连接方式。在实际应用中，则基于用户成本考量，在具体应用场景中主要采用微信小程序作为人机交互界面。具体包含4G通信模块、主控制器单元、数据采集组件、显示界面模块以及语音交互功能模块等多个独立功能单元。
图1 总体系统图
Fig.1 Overall system diagram
客户通过微信小程序完成扫码操作后（一机一码），按照系统提示选择空闲充电桩插座位置，在线生成并提交订单后即可开始实时充能。与此同时，在手机端实时监控插座充能状态，并支持随时终止充能流程。
该智能充电桩系统配备有多种主流品牌的核心芯片如移远科技的EC200模块和STM32F103VE微控制器等。其中核心采用STM8S105S4T6C MCU芯片作为系统的核心控制单元。该系统采用EC200模块通过4G网络实现与云端服务器的数据交互以便接收并传递至主控制器STM32F103VE进行处理。主控制器先解码数据包并生成相应指令发送给相关设备执行。同时该系统能够将采集的数据打包后通过EC200模块上传至云端服务器存储。此外还可以控制十个LED数码管显示以及PCM格式的声音文件进行播报从而从听觉与视觉两方面提升用户体验。
充电板通过开关控制十个继电器以提供给用户多个充电接口，在发生异常情况下该系统将自动采取相应的保护措施并发出语音警报同时启动硬件断电以确保安全
2 系统硬件总体设计
以STM32F103VE芯片为基础，并搭配4G通信模块构建而成的智能充电桩硬件架构图示于图2。该系统采用GD系列微控制器与EC200模块作为核心控制单元。其中GD MCU系基于ARM Cortex-M3内核设计的高性能单片机产品，在整合存储器、通讯等功能的同时具备丰富的软硬件资源[5]。此外系统外接配置包括充放电控制电路板、双uple D S 18 B 2 0测温模块、NTC测温组件、数码管显示界面及语音播报功能集成块等多类实用设备。而ECU-Link系列移远公司提供的低成本4G通信模组则为整体系统提供了强大的无线网络支持。
图2 系统硬件结构
Fig.2 System hardware structure
2.1 充电控制板
该控制板通过UART协议与主控制器STM32F103VE实现双向数据传输，并支持2路TTL电平信号。采用STM8S105芯片作为核心控制器的该系统能够实现对十组继电器的独立控制。这些继电器均选用JQC-3FF型号的超小型大功率继电器模块。该设备通过串口通讯模块连接各组继电器，并基于此实现对家庭用电设备的智能管控功能。实时采集并计算充电过程中的电流、电压以及功率参数，并将这些数据传输至主控制器 STM32F103VE。AP8022H芯片集成了一种高性能脉宽调制控制器以及800伏特的大电流开关MOS管片（智能功率MOSFET）模块。其内部还预装了一个高压启动调节电路单元，在任何情况下都能确保系统快速启动并维持稳定运行状态。此外，在发生异常情况下（如电压跌落或过流），该芯片还能自动切换到高压模式运行以保障系统的正常运转
2.2 4G通信模块
该产品是由移远通信推出的LTE Cat4全网通无线通信模块，在配合使用SIM卡的基础上，并采用MQTT协议实现了与4G模组之间的高效通信。该模块最高可支持下行速率达到150Mbps以及上行速率达到50Mbps，并且能够通过AT指令进行操作以及通过FOTA实现远程升级功能。在设计架构上，则采用了UART接口将该模块连接至主控制器，并实现了主控芯片与4G模组之间的高效数据传输。
为实现智能充电桩长久稳定运行的目标考虑周全，
基于考虑的因素包括：
- 我国目前2 Generation（2G）及3 Generation（3G）网络服务逐步被停用；
- 各大运营商已停止提供2 Generation及3 Generation网络服务；
- 相比而言，4 Generation（4G）通信技术具有更快的速度优势；
- 该技术特别适用于执行复杂逻辑运算的任务。
通过采用性价比更高的方案，
不仅有助于延长智能充电桩的使用寿命周期，
并且能够简化远程维护流程。
2.3 测温模块
该系统集成了一种双测温模块方案。主控芯片STM32F103VE与主温度传感器DS18B20通过1-Wire总线协议实现数据交互，并通过4.7kΩ上拉电阻为其提供稳定电源供应。该温度传感器具有宽工作温度范围（-55℃至+125℃），并在温度超出-10℃至85℃时提供±0.5℃的高精度测量。DS18B20传感器支持9~12位数摄氏度测量精度，在主控制器控制下可实现过温和低温报警功能：当检测到异常温度时触发报警并控制电源插座断电以防止火灾风险。辅助测温模块则采用NTC热敏电阻与GD32F103VE的ADC_IN9接口协同工作：根据NTC元件的温度敏感特性，在主控制器中将采集到的模拟信号转换为数字温度信息以实时监控充电板工作状态并防止芯片在极端温度下损坏系统运行
该模块主要用于在充电站进行环境温度监测，并通过搭配烟雾传感器和微火花式烟雾传感器实时检测异常状况，在检测到潜在风险时会发出相应的语音提示
2.4 音频播报模块
GD32F103VE芯片集成有三个同步标准定时器功能模块。每个定时器配置了独立的16位计数器、16位预分频组件以及四个独立的PWM输出通道。对于采用 PCM 技术处理的声音文件，在其播放过程中仅需单个PWM通道配合一个定时器即可实现语音播报功能。在需要进行PCM 语音播报时，系统会以16kHz速率读取数据块，并通过将数字信号转换为PWM信号控制音频输出；经过滤波电路处理后并经功率放大处理后即可通过扬声器发出清晰音频信号完成播放过程[6]。
语音播报内容包括充电状态的提示信息。例如：'X(1-10)号开始充入电了'以及'X(1-10)号完成充能过程'等情形，在线语音播报系统可以让用户通过声音直观了解其所在插座的具体状态。当插座发生起火等突发状况时，在线语音播报系统能够在第一时间启动警报机制，并提醒相关人员采取相应的防范措施以控制火情的发展趋势。
2.5 数码管显示模块
GD32F103VE主控单元采用GPIO与SPI总线对两片TA6932芯片进行功能配置。主控单元与数字管模块组之间建立8条通信线路完成连接关系，在其中电源地线路负责同步时序信号传输而其他六条线路分别接通至总线上的SPD1至SPD6输出端子。每片TA6932芯片通过串行数据接口接收主控单元的信息信号后驱动对应阵列中的5颗LED指示灯实现状态显示功能。
数码管模块主要呈现对应插座的充放电剩余时长（用分钟计时），帮助用户直观了解插座剩余使用时间。