龔濤

摘要：本文結(jié)合電動(dòng)汽車市場(chǎng)發(fā)展的需求，研究了一種基于單片機(jī)控制的、運(yùn)用GSM模塊進(jìn)行通信，以用戶手機(jī)作為監(jiān)控終端的電動(dòng)汽車充電遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置。本裝置中下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)選用當(dāng)今流行的電子器件及單片機(jī)進(jìn)行測(cè)控，采用成熟的典型電路，工作可靠。在測(cè)控和通信軟件設(shè)計(jì)中，單片機(jī)與GSM模塊之間采用串行通信，GSM模塊與手機(jī)之間采用短信的方式進(jìn)行無線通信。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，選用占市場(chǎng)份額70%以上的Android系統(tǒng)為手機(jī)平臺(tái)，程序模塊之間耦合度低，人機(jī)界面簡(jiǎn)潔易用，便于操作使用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電；遠(yuǎn)程監(jiān)控；GSM通信；Android系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）36-0212-03

1概述

由于目前的充電樁、特別是用戶充電樁大多數(shù)不具備與車主進(jìn)行信息交換的功能，對(duì)車輛的充電狀況，需要車主到車上觀察儀表才能掌握，這給廣大車主帶來了很多不便，特別是在生活節(jié)奏加快的現(xiàn)代社會(huì)，更是一種迫切需要解決的問題。因此有必要研制一種與電動(dòng)汽車相配套的汽車電池充電監(jiān)控裝置，該裝置除確保充電安全外，還具有與車主的手機(jī)進(jìn)行通訊的功能，使車主能在不影響工作和休息的條件下對(duì)車輛的充電狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的有效的監(jiān)控。該裝置應(yīng)設(shè)計(jì)成不僅能與公共充電樁配套使用，而且也能適用于在廉價(jià)的用戶充電樁上使用，即使是車主在家中拉一條電源線進(jìn)行充電，也能使用。

2 整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文研究一種使用方便的汽車充電遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，主要研究?jī)?nèi)容包括：

電動(dòng)汽車充電遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的硬件與軟件實(shí)現(xiàn)。本文的目的是完成電動(dòng)汽車充電遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)，因此必須在硬件電路的基礎(chǔ)上完成全部軟件調(diào)試，以證明設(shè)計(jì)的可行性。

本文所涉及的硬件主要有單片機(jī)、GSM模塊和手機(jī)。為完成硬件和軟件設(shè)計(jì)，涉及到GSM模塊與單片機(jī)的連接、基于GSM模塊的短消息工作流程、串行通信接口對(duì)短消息控制的模式、短消息AT指令，手機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)相關(guān)的Android系統(tǒng)構(gòu)架、Android系統(tǒng)四大組件、Intent及 AndroidManifest.xml配置文件等背景知識(shí)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車電池充電遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的下位機(jī)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了電源開關(guān)模塊、電源及信號(hào)調(diào)理模塊、控制與通信模塊，重點(diǎn)對(duì)控制與通信模塊（包括GSM模塊）的軟件流程進(jìn)行了研究，編寫了相應(yīng)的軟件并成功地進(jìn)行了通信試驗(yàn)，證明了本裝置設(shè)計(jì)的可行性。

最后還要實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Andriod系統(tǒng)的手機(jī)APP（上位機(jī)）。在分析目前社會(huì)流行的手機(jī)市場(chǎng)情況和大眾的使用習(xí)慣后，確定以Android操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)編寫上位機(jī)應(yīng)用軟件。整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

充電遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置框圖

2.1電源開關(guān)模塊

電源開關(guān)模塊的功能是連接充電樁的電源，控制向汽車電池充電。它內(nèi)部接觸器的供電觸頭處于常開狀態(tài)，需要進(jìn)行充電時(shí)，通過一個(gè)啟動(dòng)按鈕人工控制閉合。在出現(xiàn)充電樁輸出電壓異常、充電電流異常、電池完成充電時(shí)，將自動(dòng)或受單片機(jī)控制自動(dòng)切斷充電樁與汽車電池的連接，亦可通過車主手機(jī)發(fā)出的停止充電信號(hào)控制其斷開。

2.2電源及信號(hào)調(diào)理模塊

電源及信號(hào)調(diào)理模塊的功能是：

1）為本裝置的車載部分供電；

2）測(cè)量充電樁電壓信號(hào)，發(fā)現(xiàn)超壓時(shí)，自動(dòng)切斷供電電源；

3）將充電電流轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以采樣的電壓信號(hào)。

2.3控制及通信模塊

本模塊由模數(shù)（A/D）變換模塊、單片機(jī)模塊、GSM模塊以及SIM卡等組成。

控制及通信模塊的功能是：

1）采集充電電流信號(hào)，發(fā)現(xiàn)電流異常（電流過大）時(shí)，自動(dòng)控制斷開電源開關(guān)，并通過GSM模塊向車主發(fā)出過流短信；

2）采集充電電流信號(hào)，發(fā)現(xiàn)充電電流小于某一規(guī)定值后，即認(rèn)為充電任務(wù)已實(shí)際完成，自動(dòng)控制斷開電源開關(guān)，并通過GSM模塊向車主發(fā)出“充電完成”短信；

3）定時(shí)采集充電電流信號(hào)，進(jìn)行電池已充電量累計(jì)統(tǒng)計(jì)，在車主詢問時(shí)，通過GSM模塊以短信回復(fù)；

4）具有和手機(jī)之間進(jìn)行雙向通信的能力，當(dāng)車主發(fā)出中止充電信息時(shí)，控制斷開電源開關(guān)。

2.4手機(jī)

手機(jī)是本裝置的上位機(jī)，其功能是與本裝置的車載部分（下位機(jī)）進(jìn)行雙向通信，接收下位機(jī)發(fā)出的信號(hào)，并對(duì)于下位機(jī)進(jìn)行控制。

3控制及通信功能的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1編程與調(diào)試環(huán)境構(gòu)建

使用Keil uVision2作為單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，它是德國Keil Software公司出品的，該環(huán)境使用接近于傳統(tǒng)C語言的語法來開發(fā)，可有效提高工作效率和縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。該集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器。

3.2短消息的串口通信函數(shù)

短信息的發(fā)送采用查詢方式，通過循環(huán)查詢條件，需要時(shí)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。其發(fā)送函數(shù)send_uart將命令或數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF中，TI復(fù)位。短信息的接收采用串口中斷方式，當(dāng)串口中斷時(shí)，便判斷是否為新消息，進(jìn)一步執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，通過編寫接收函數(shù)從數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF中讀取數(shù)據(jù)，RI復(fù)位。

3.3 GSM模塊初始化

通過單片機(jī)發(fā)送AT指令對(duì)GSM模塊的TC35進(jìn)行初始化設(shè)置。

第1步發(fā)送“ATE0”指令關(guān)閉回顯；

第2步發(fā)送“AT+CMGF=0”指令選擇短消息信息格式為PDU編碼模式；

第3步發(fā)送“AT+CNMI=2，2，0”指令設(shè)定接收到短消息，短消息儲(chǔ)存到SIM卡，并且向TE發(fā)出通知。如果在數(shù)據(jù)線被占用的情況下，先緩沖起來，待數(shù)據(jù)線空閑，再通知；

第4步發(fā)送PDU模式16進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼。

在程序編制中，單片機(jī)向GSM模塊每發(fā)送1條AT指令， 都要以1個(gè)回車符和換行符來結(jié)束該指令。回車符和換行符的 ASCII 編碼分別是0x0d， 0x0a，在程序中每次均需要使用通信函數(shù)send_uart（0x0D），send_uart（0x0A） 來完成回車符和換行符的動(dòng)作。單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送PDU模式的16進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼后，還需要發(fā)送Ctrl + Z，它的ASCII 編碼是0x1A ，在程序中也要調(diào)用通信函數(shù)send_uart（0x1A）來完成Ctrl + Z的動(dòng)作。

3.4單片機(jī)初始化

單片機(jī)初始化主要是設(shè)置串口、寄存器、定時(shí)器等參數(shù)。

3.5通信與控制軟件流程圖設(shè)計(jì)

通信與控制軟件牽涉到單片機(jī)與GSM模塊，根據(jù)設(shè)定的通信與控制任務(wù)，其流程圖如圖2所示。圖中所設(shè)置的Flag標(biāo)志的含義如下：Flag=0表示充電異常，F(xiàn)lag=1表示中止充電，F(xiàn)lag=2 表示充電完成。

4上位機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 Andriod開發(fā)軟件平臺(tái)與環(huán)境構(gòu)建與選擇

因?yàn)橐褂肑ava語言開發(fā)環(huán)境，故首先下載安裝JDK，然后配置JDK，需要設(shè)置JAVA_HOME、 Path、 ClassPath等環(huán)境變量。

1）Andriod studio軟件開發(fā)工具

選擇使用了Andriod studio軟件開發(fā)工具，它提供了用于Android開發(fā)與調(diào)試的集成開發(fā)環(huán)境。Andriod Studio比過去常用的開發(fā)工具Eclipse更快，更智能，很多相關(guān)聯(lián)的語句都可以自動(dòng)完成添加，同時(shí)它整合了Gradle構(gòu)建軟件與Git版本控制軟件，有效地提升了應(yīng)用軟件的開發(fā)效率，降低了錯(cuò)誤率與勞動(dòng)強(qiáng)度。Andriod studio軟件開發(fā)工具的界面如圖3所示。

2）Genymotion模擬器

Genymotion模擬器是基于Oracle VM VitualBox虛擬機(jī)的，它的速度快，操作流暢，只要下載相應(yīng)的手機(jī)操作系統(tǒng)，可以支持多種設(shè)備。圖4為VitualBox虛擬機(jī)與Genymotion模擬器界面。

4.2上位機(jī)總體設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，選用占市場(chǎng)份額70%以上的Android系統(tǒng)為手機(jī)平臺(tái)，使用Java語言編程，綜合運(yùn)用了廣播、通知、活動(dòng)、SQLite數(shù)據(jù)庫、后臺(tái)服務(wù)等Android組件進(jìn)行編程，程序模塊之間耦合度低，人機(jī)界面簡(jiǎn)潔易用，便于操作使用。

5結(jié)束語

提出了一種可對(duì)電動(dòng)汽車電池充電狀況遠(yuǎn)程監(jiān)控的下位機(jī)設(shè)計(jì)，配合車主的手機(jī)（即上位機(jī)，需安裝專用的應(yīng)用軟件），即可對(duì)汽車已充電量、充電完成情況、充電過程的安全性、按車主需要終止充電等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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