楊 康，葉麥克，全書海

(武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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基于LabVIEW的非車載充電機無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊 康，葉麥克，全書海

(武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

設(shè)計一種基于LabVIEW的非車載充電機無線監(jiān)測系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的組成和功能特點，詳細介紹了基于ZigBee的無線通信網(wǎng)絡(luò)，并對軟件開發(fā)過程中遇到的核心技術(shù)問題，如基于NI-VISA的串口通信、DCT數(shù)據(jù)庫記錄及Web網(wǎng)頁發(fā)布提出解決辦法。最后運行該監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測結(jié)果表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，無線通信快速可靠，具有良好的人機交互功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺監(jiān)測，為非車載充電機監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供了一種新方法。

LabVIEW；ZigBee；非車載充電機；跨平臺

隨著新能源的發(fā)展，電動汽車越來越受到人們的關(guān)注，非車載充電機作為電動汽車必不可少的配套設(shè)備，是推動電動汽車持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵條件[1]。然而，一個充電站的多臺非車載充電機接入電網(wǎng)，將給電網(wǎng)帶來極大的沖擊[2-3]。另外，非車載充電機自身的充電質(zhì)量、運行狀態(tài)及計費管理等信息也必須對外界披露[4]。目前，電動汽車充電站處于發(fā)展建設(shè)階段，亟需構(gòu)建對電動汽車充電站所有非車載充電機的在線監(jiān)測系統(tǒng)[5]。

文獻[6-7]分別從充電計費、汽車行駛、電池信息及電池管理等方面單獨設(shè)計監(jiān)測平臺，但對非車載充電機的信息檢測還必須配合充電站整體的監(jiān)測。文獻[8]利用CAN總線設(shè)計針對多臺非車載充電機的有線監(jiān)測系統(tǒng)，然而這種有線通信將增大監(jiān)測系統(tǒng)的布線成本和布線難度。文獻[9]將監(jiān)測系統(tǒng)分為平臺層、支撐服務(wù)層、公共服務(wù)層及應(yīng)用層，并給出了各層的軟件實現(xiàn)方案。文獻[10]以IEC61970/61850為基礎(chǔ)，從充電站系統(tǒng)、設(shè)備信息及通信3方面提出充電站監(jiān)測建模方案。目前缺乏對非車載充電機監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，而且已有方案通常編程復(fù)雜，也難以通過手機、平板等移動平臺登陸，造成實際使用時的不便。

筆者基于LabVIEW提出一種非車載充電機無線監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)采用ZigBee無線通信方式，具備數(shù)據(jù)庫記錄和Web網(wǎng)頁發(fā)布功能，能夠在多種移動設(shè)備平臺登錄，且無需針對不同系統(tǒng)做額外復(fù)雜的編程，極大地減少了監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)周期和開發(fā)成本。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)通信、實時分析、記錄數(shù)據(jù)入庫并將當前監(jiān)測界面發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，方便工作人員和用戶通過手機、平板等移動設(shè)備查看各充電機的工作狀態(tài)。其基本流程是下位機采集非車載充電機的各項充電參數(shù)，通過RS485接口與CC2530模塊連接并發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器端的CC2530模塊接收數(shù)據(jù)并通過串口轉(zhuǎn)USB與基于LabVIEW的上位機連接?；贚abVIEW的上位機對采集的信息進行分類處理，顯示每臺充電機的當前充電信息，并在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫中記錄充電機的重要信息，同時運用LabVIEW自帶的Web發(fā)布系統(tǒng)，將監(jiān)測界面發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，方便工作人員通過瀏覽器或者其他移動設(shè)備實時監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 非車載充電機監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 非車載充電機無線通信硬件設(shè)計

下位機數(shù)據(jù)采集與處理采用以DSP28335為控制核心的主控板，通過RS485接口與基于ZigBee協(xié)議的CC2530無線外設(shè)模塊從節(jié)點連接，上位機部分則通過RS485轉(zhuǎn)USB將基于ZigBee協(xié)議CC2530無線模塊主節(jié)點與上位機連接。通過CC2530組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，下位機在接收到上位機發(fā)送的指定命令請求后，再將對應(yīng)的信息發(fā)送出去；上位機接收下位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并通過解析協(xié)議將數(shù)據(jù)讀取解碼后，在LabVIEW上位機監(jiān)測界面中顯示，同時上位機根據(jù)解析協(xié)議，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實時控制各充電機的啟停、充電參數(shù)及充電價格等設(shè)定。

下位機所采用的主控芯片DSP28335最高工作頻率可達150 MHz，具有32位浮點運算模塊，自帶3個雙線異步串行端口和16通道12位帶流水線的A/D轉(zhuǎn)換器，十分適合用于非車載充電機的數(shù)據(jù)采集與處理。所采用的基于ZigBee協(xié)議的CC2530無線外設(shè)模塊共支持USB、RS232與RS485這3種接口，支持主流串口波特率，無線頻率能夠在2 405～2 480 MHz內(nèi)任意修改，最大傳輸距離可達1 600 m，支持包括多點透明傳輸發(fā)送在內(nèi)的6種數(shù)據(jù)傳輸方式。通過CC2530組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，具有如下特點：網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置1個CC2530協(xié)調(diào)器作為主節(jié)點，多個CC2530路由器作為從節(jié)點，每個節(jié)點既能收發(fā)數(shù)據(jù)也能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，路由對數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂接嬎闶亲詣油瓿?，轉(zhuǎn)發(fā)路徑不依賴具體節(jié)點，能方便實現(xiàn)ZigBee的組網(wǎng)和與LabVIEW的對接，簡單實用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用多點透明傳輸方式，LabVIEW上位機根據(jù)協(xié)議通過主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送命令，各從節(jié)點根據(jù)協(xié)議解析接受到的命令，再做出相應(yīng)的動作，最后LabVIEW接收到從節(jié)點發(fā)送的信息，經(jīng)過處理將其在監(jiān)測界面顯示出來、記錄入庫并將監(jiān)測界面發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)，供工作人員查詢。簡化的硬件通信流程如圖2所示。

圖2 簡化的硬件通信流程圖

2.2 基于LabVIEW的上位機設(shè)計

LabVIEW是美國NI公司推出的一種虛擬儀器軟件開發(fā)系統(tǒng)，具有擴展性強、圖形化編程、開發(fā)周期短及資源模塊豐富的特點，能夠充分發(fā)揮計算機的能力，廣泛應(yīng)用于信號處理和監(jiān)測。筆者利用LabVIEW及其VISA工具包和Database Connectivity Toolkit工具包進行串口開發(fā)和數(shù)據(jù)庫管理。

2.2.1 LabVIEW串口程序設(shè)計

LabVIEW的VISA工具包是儀器編程的標準I/O API，支持GPIO、串口、USB、以太網(wǎng)等多種接口，使用者無需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議。在編寫VISA的串口程序時，需要調(diào)用VISA串口調(diào)用模塊、VISA寫入模塊、VISA讀取模塊與VISA關(guān)閉模塊。其中通過VISA串口調(diào)用模塊，可以自由配置端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、CRC校驗以及停止位。根據(jù)RS485半雙工的特點，將VISA寫入模塊、VISA讀取模塊與VISA關(guān)閉模塊依次串聯(lián)，即可完成基于LabVIEW的串口程序。值得注意的是，只有在串口檢測到數(shù)據(jù)時，才進入VISA讀取模塊讀取串口數(shù)據(jù)，因此需要使用串口屬性節(jié)點讀取串口接收字節(jié)數(shù)作為是否判斷進入VISA讀取模塊。具體LabVIEW串口通信子程序如圖3所示。

圖3 LabVIEW串口通信子程序

2.2.2 LabVIEW數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計

LabVIEW操作Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，必須創(chuàng)建并連接數(shù)據(jù)庫。NI公司提供2種連接方式，一種是利用DSN連接數(shù)據(jù)庫，另一種是利用UDL連接數(shù)據(jù)庫，即ActiveX數(shù)據(jù)對象ADO技術(shù)[11]。Microsoft提出ADO應(yīng)用接口程序以實現(xiàn)訪問關(guān)系或非關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。ADO使用通用數(shù)據(jù)連接UDL獲取數(shù)據(jù)庫信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。具體過程為:創(chuàng)建UDL文件，打開數(shù)據(jù)庫鏈接對話框，在提供程序選項卡選擇Microsoft Jet 4.0 OLE DB Provider ，在連接選項卡中選擇已建立好的mdl格式的數(shù)據(jù)庫文件，然后點擊測試連接，顯示連接成功，如圖4所示。

圖4 UDL連接Microsoft Access數(shù)據(jù)庫測試

基于LabVIEW的Microsoft Access數(shù)據(jù)庫調(diào)用操作需要安裝Database Connectivity Toolkit工具包，該工具包含有操作數(shù)據(jù)庫的各種模塊。DB Tools Open Connection子模塊可以調(diào)用設(shè)置的UDL文件路徑，并借助UDL文件打開相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。DB Tools Create Table 用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫子表格，并創(chuàng)建記錄數(shù)據(jù)項目，DB Tools List Columns用于提取相關(guān)數(shù)據(jù)庫表格的數(shù)據(jù)項，再通過DB Tools Insert Data輸入對應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后通過DB Tools Close Connection關(guān)閉數(shù)據(jù)庫完成對數(shù)據(jù)庫的一次數(shù)據(jù)記錄。具體的數(shù)據(jù)庫記錄LabVIEW子程序如圖5所示。

圖5 LabVIEW數(shù)據(jù)庫子程序

2.2.3 LabVIEW的Web發(fā)布

Web發(fā)布工具是LabVIEW的一項重要功能，能夠?qū)⒃诜?wù)器上運行的LabVIEW監(jiān)測界面發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，用戶只需通過瀏覽器連接到發(fā)布LabVIEW的服務(wù)器網(wǎng)址URL，即可通過手機、平板或者電腦隨時隨地看到監(jiān)測界面，獲取監(jiān)測界面控制權(quán)后，可對監(jiān)測軟件進行各種操作。具體步驟為:打開Web發(fā)布工具界面，選擇監(jiān)測系統(tǒng)vi文件，LabVIEW提供3種Web發(fā)布形式，即內(nèi)嵌、快照和顯示器，可以根據(jù)實際情況選擇不同的發(fā)布形式，設(shè)置發(fā)布網(wǎng)頁的頁眉、頁腳和標題，最后LabVIEW自動生成監(jiān)測界面的網(wǎng)頁地址URL。其他用戶即可通過該URL，隨時隨地登陸監(jiān)測界面，實現(xiàn)跨平臺監(jiān)測。

在完成基于LabVIEW的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計后，LabVIEW上位機根據(jù)通信協(xié)議先后向各充電機發(fā)送充電機數(shù)據(jù)請求，各充電機在接收到針對本機的數(shù)據(jù)請求后，再向LabVIEW上位機發(fā)送充電機數(shù)據(jù)。然后LabVIEW監(jiān)測系統(tǒng)將接收到的充電機數(shù)據(jù)解析、記錄并發(fā)布到Web。具體通信流程圖如圖6所示。

圖6 非車載充電機通信流程圖

3 實驗測試

所設(shè)計的非車載充電機無線監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測4臺充電機，實現(xiàn)的主要功能有：配電管理、充電計費、安全狀態(tài)、電能質(zhì)量管理及用戶管理，并且記錄監(jiān)測系統(tǒng)的歷史操作日志和歷史數(shù)據(jù)。

在實際運行過程中，將LabVIEW上位機和DSP28335下位機的串口通信波特率調(diào)整為115 200 bit/s，即每秒串口能夠?qū)崿F(xiàn)14 400字節(jié)的數(shù)據(jù)量傳輸，相比實際運行中完成一次數(shù)據(jù)傳輸僅需幾百字節(jié)的數(shù)據(jù)量，這種通信速度能夠?qū)崿F(xiàn)上位機與下位機之間每秒幾十次的數(shù)據(jù)刷新。而相比其他無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議如藍牙、Wi-Fi、GPRS，ZigBee還具有網(wǎng)絡(luò)延時短、低功耗和可靠性好的優(yōu)勢：①ZigBee節(jié)點由睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，而藍牙和Wi-Fi則至少需3 s；②ZigBee具有多種睡眠模式，使其具備低功耗的特點，而藍牙、Wi-Fi、GPRS等無線通信方式功耗都較高；③ZigBee協(xié)議本身具有可靠的發(fā)送接收握手機制，保證了數(shù)據(jù)的正常發(fā)送和接收。該監(jiān)測系統(tǒng)實際工作時的監(jiān)測界面如圖7所示，可以看到在整個監(jiān)測過程中，各項參數(shù)準確無誤，通信穩(wěn)定可靠。

圖7 監(jiān)測界面

圖7中，監(jiān)測系統(tǒng)將4臺充電機的監(jiān)測界面放在同一選項卡控件的不同選項卡里，而每臺充電機的選項卡又包括了含有5個選項卡的選項卡控件，其具體功能如下：

(1)配電管理。實現(xiàn)對車載電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息實時監(jiān)測，設(shè)定并顯示當前充電模式、充電電壓及充電電流，顯示輸入、輸出充電功率及已用電量，估算電池的電荷狀態(tài)。

(2)充電計費?？梢酝ㄟ^這一模塊開啟或者關(guān)閉充電機，并按照用戶要求設(shè)定充電量和充電費用，監(jiān)測人員可在監(jiān)測面板自由設(shè)置或修改計費信息。

(3)安全狀態(tài)。顯示當前充電機的故障信息及充電機與電池的內(nèi)部溫度，并具有報警和強行關(guān)閉充電機的功能，能夠保證充電過程中的安全。

(4)電能質(zhì)量管理。根據(jù)下位機傳來的數(shù)據(jù)，顯示充電過程中的25次以內(nèi)諧波電流值、總諧波畸變率、直流輸出電流及電壓紋波等輸入輸出電流質(zhì)量信息。

(5)用戶管理。能夠管理用戶的使用權(quán)限，修改監(jiān)測界面的用戶名和登錄密碼，下載數(shù)據(jù)庫文件，發(fā)布各種通知。

利用LabVIEW的選項卡控件可方便地將不同監(jiān)測數(shù)據(jù)分類，工作人員和用戶只需點擊選項卡控件的選項卡即可查看指定充電機的某一類充電數(shù)據(jù)，而各種指針電表控件和電池控件使當前充電狀態(tài)一目了然，監(jiān)測界面條理清晰且操作簡單，達到良好的人機交互功能。如圖8所示為對該監(jiān)測系統(tǒng)進行Web網(wǎng)頁發(fā)布后，采用手機、平板等移動設(shè)備瀏覽器登陸該監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測界面。

圖8 手機登陸監(jiān)測系統(tǒng)界面圖

4 結(jié)論

基于LabVIEW軟件設(shè)計開發(fā)了以ZigBee為無線通信網(wǎng)絡(luò)的非車載充電機無線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計方案。該無線監(jiān)測系統(tǒng)運行可靠、設(shè)計合理，能夠通過手機、平板等移動設(shè)備實時查看監(jiān)測信息，實現(xiàn)跨平臺監(jiān)測，進一步完善了非車載充電機監(jiān)測系統(tǒng)的功能，對非車載充電機監(jiān)測系統(tǒng)乃至整個充電站的建設(shè)具有重要意義。

[1] 章桐,賈永軒.電動汽車技術(shù)革命[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010：34-67.

[2] 高賜威,張亮.電動汽車充電對電網(wǎng)影響的綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2011(2):127-131.

[3] 周念成,浦松林,王強鋼,等.電動汽車充電站在線監(jiān)測和分析評估系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備,2014,34(11):14-21.

[4] 趙偉,孟金嶺,陳銳民,等.電動汽車充換電設(shè)施電能計量及溯源方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2013(11):113-118.

[5] 滕天樂.電動汽車充電機(站)設(shè)計[M].北京：中國電力出版社,2010:125-134.

[6] 羅志坤,羅安,徐先勇,等.電動汽車充電機電能集成監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].高電壓技術(shù),2011(2):338-346.

[7] 劉亞麗,李國棟,滕文,等.充電機檢測平臺及其集成設(shè)計[J].電氣傳動,2015(1):73-76.

[8] 劉永相,惠富會,徐瑞林,等.基于LabVIEW和CAN總線的電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表,2011(11):41-44.

[9] 趙明宇,王剛,汪映輝,等.電動汽車充電設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2011(10):65-69.

[10] 胡勇,郭子健,劉峰奇,等.基于IEC61970/61850的電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)建模方案[J].電力系統(tǒng)自動化, 2013(2):91-96.

[11] 張宏偉,黃煒.基于LabVIEW訪問Access數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與應(yīng)用[J].電子世界,2016(7):79-80.

YANG Kang:Postgraduate; School of Automation, WUT, Wuhan 430070, China.

Design of Off-board Charger Wireless Monitoring System Based on LabVIEW

YANGKang,YEMaike,QUANShuhai

The design and means of off-board charger wireless monitoring system based on LabVIEW was introduced in detail. The system used ZigBee as the wireless communication network and solutions of core technology such as serial communication based on VISA, DCT database record, Web publishing were put forward when developing the software. Finally, the actual operation activity proves that the system is of reasonable structure, reliable wireless communication and good human-computer interaction function. Also, it realized the cross platform monitoring and provided a new method for the construction of the charging station monitoring system.

LabVIEW; ZigBee; off-board charger; cross platform monitoring

2095-3852(2016)05-0636-05

A

2016-05-17.

楊康(1990-)，男，湖北荊州人，武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院碩士研究生.

TM91 DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.05.025