侯慧健 肖思源 林永明

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

前言

新能源汽車和電動自行車作為近年來新型的交通工具，具有環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點。在我國，新能源車的用戶群日益龐大、保有量不斷增長，充電難的問題顯得尤為突出。為了解決充電難的問題，充電樁的建設(shè)成為了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重要的一環(huán)。目前，我國已隨處可見智能充電樁。順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，這類智能充電樁也具備接入網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)提供商后臺進行數(shù)據(jù)交互與驗證的能力，這樣的聯(lián)網(wǎng)管理模式是設(shè)備的信息化管控以及未來智能化擴展的基礎(chǔ)。

然而，雖然設(shè)備的制造商不斷增加，為用戶提供了更多的選擇，但不同的充電樁品牌之間，其用戶端的接入方式往往是不統(tǒng)一的，且云平臺與設(shè)備間也無法互相兼容，缺乏互聯(lián)互通能力。例如，用戶在接入不同品牌的廠商提供的服務(wù)時，通常都需要安裝對應(yīng)的手機App；在充電樁設(shè)備與云平臺的通信方面，廠商既可以采用底層的TCP/IP套接字方式進行高度自定義的開發(fā)，又可以采用高度封裝、量級較大的應(yīng)用層框架。由于采用的通信協(xié)議、接口規(guī)范方面的差異，不同廠商的設(shè)備、云平臺之間無法相互通信，這顯然是一種資源的浪費。實際上，充電樁物理設(shè)備本身就是通過統(tǒng)一的充電接口規(guī)范大大提升用戶充電的便利程度，不同品牌的充電樁只要電源與接口合乎規(guī)范，便能夠相互兼容。然而在軟件服務(wù)與通信這一層面，卻再度遇到了這一痛點。本文設(shè)計了一個電動自行車智能充電樁的互聯(lián)互通方案，在保證系統(tǒng)各部分能高效率運作的同時，解決智能化充電中由于接入方式不統(tǒng)一導(dǎo)致的不便，并通過統(tǒng)一的、共享的管控提高管理的效率。

1 方案設(shè)想

在實現(xiàn)互聯(lián)互通前，對于不同制造商生產(chǎn)的智能充電樁產(chǎn)品，用戶必須使用不同的前端程序，訪問設(shè)備對應(yīng)廠商提供的云平臺，以獲取接入設(shè)備、使用服務(wù)的權(quán)限。對于手機用戶來說，使用不同品牌的充電樁需要下載安裝各自品牌的App，原本帶來便利的技術(shù)革新反而制造了不便。如果不同品牌的產(chǎn)品能夠使用統(tǒng)一的通信協(xié)議，則可以實現(xiàn)不同云平臺、終端設(shè)備之間的相互兼容，達(dá)到互聯(lián)互通的目的。具體的，如圖1所示，在實現(xiàn)互聯(lián)互通以前，B廠商的產(chǎn)品只能通過使用B廠商提供的App進行訪問云平臺進行遠(yuǎn)程接入；在實現(xiàn)互聯(lián)互通以后，使用任意廠商的App訪問對應(yīng)的云平臺，即可訪問任意的采用統(tǒng)一通信協(xié)議的設(shè)備。這樣一來不但為用戶省去了安裝多個App的煩惱，還能將不同品牌設(shè)備的管理進行集成，以提高管理效率。

2 通信架構(gòu)

通信構(gòu)架如圖2所示，可分為設(shè)備層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、云平臺三個部分。

設(shè)備層：設(shè)備與云平臺之間通過EDP協(xié)議進行通信，其中，設(shè)備端程序是基于EDP SDK進行開發(fā)的。在整個通信架構(gòu)之中，EDP連接承載了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制命令。設(shè)備會上報業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到云平臺，而如果需要實時接收業(yè)務(wù)應(yīng)用層下發(fā)的控制命令，則需要保持EDP長連接。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：基于HTTP協(xié)議，前端通過RESTful API統(tǒng)一接入云平臺，操作云平臺提供的資源（設(shè)備、數(shù)據(jù)點、命令控制等資源的增刪查改），可以自定義實現(xiàn)業(yè)務(wù)平臺。

3 通信實現(xiàn)方案

在通信中，設(shè)備層使用CONN_XXX消息類型與云平臺建立連接。在設(shè)備層將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報平臺時，使用PUSH_DATA或者SAVE_DATA消息，同樣的，云平臺也使用這兩種消息類型向設(shè)備層發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，云平臺使用CMD_XXX給設(shè)備層發(fā)控制消息。設(shè)備層與云平臺之間通過PING_XXX保持長連接。具體命令表如表1所示。

在各個不同廠商的充電設(shè)備和云平臺之間使用統(tǒng)一的通信協(xié)定，以實現(xiàn)設(shè)備間、不同層級間的互聯(lián)互通。如表2所示，為設(shè)備與云平臺間的通信接口。通信數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用JSON格式進行封裝，通過EDP協(xié)議進行連接的維護與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)使用UTF-8編碼。

圖1 應(yīng)用場景圖

圖2 通信架構(gòu)

對比專業(yè)大型的充電站，智能充電樁能應(yīng)用于城市的各個地下停車場、超市及小區(qū)的地上停車位等多個場所。如圖3所示，多個電動自行車智能充電樁組網(wǎng)配合通信，通常采用“小網(wǎng)組合大網(wǎng)”（ZigBee+4G）的通信方式，即在電動自行車智能充電樁與總控制器之間先采用本地ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端進行通信，再通過總控制器采用4G網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)連接設(shè)備或后臺設(shè)備管理平臺進行通信的通信方式。這種通信方式充分結(jié)合了ZigBee通訊可自組網(wǎng)、無需流量的通訊優(yōu)點，更加便捷地對各個外接電動自行車智能充電樁設(shè)備進行有效化管理，僅總控制器采用4G網(wǎng)絡(luò)通信，大大降低了4G網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)成本。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)細(xì)節(jié)

4.1 設(shè)備實現(xiàn)

市面上的智能充電樁，不僅要做到外圍設(shè)備的輸出電壓可控，以滿足設(shè)備的通用性以及對外接設(shè)備的管理需要，更要滿足各項應(yīng)用功能，如人機交互、身份認(rèn)證，信息保存、計量收費、遠(yuǎn)程信息交互等功能。因此，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計上，硬件方面，可以使用低功耗、速度快的微處理器。本文選用基于ARM架構(gòu)的32位處理器，配合UART、SPI等串行接口和繼電器控制電路來實現(xiàn)電路構(gòu)成（如圖4）。在軟件方面，主要采用嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、Windows CE等，提高開發(fā)效率，提高系統(tǒng)的可靠性。

表1 EDP消息命令

表2 設(shè)備與平臺之間的互聯(lián)接口

圖3 物聯(lián)網(wǎng)終端通信融合

圖4 設(shè)備硬件組成

4.2 安全性

整個智能充電樁的通訊數(shù)據(jù)傳輸過程應(yīng)高效保密性，實現(xiàn)互聯(lián)互通性關(guān)鍵在于使用統(tǒng)一的協(xié)議，且該協(xié)議應(yīng)能廣泛應(yīng)用于多個不同的設(shè)備上，應(yīng)用TCP連接的EDP協(xié)議即是當(dāng)前最適用的通信協(xié)議。使用EDP協(xié)議在平臺服務(wù)器上上傳備份數(shù)據(jù)點，注冊用戶和創(chuàng)建新用戶設(shè)備，不同設(shè)備通過創(chuàng)建和保存信息后，在登陸服務(wù)器時，接受設(shè)備信息方和發(fā)送信息方僅需在服務(wù)器獨自鑒權(quán)登錄，再由平臺接收設(shè)備1數(shù)據(jù)，后將數(shù)據(jù)點內(nèi)容復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)到設(shè)備2；即可實現(xiàn)信息對傳，做到不同設(shè)備在同一服務(wù)器上的互聯(lián)互通。具體的數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖5所示。

4.3 后臺管理

智能充電樁的通訊互聯(lián)互通性的實現(xiàn)滿足了后臺管理人員遠(yuǎn)程通過同一服務(wù)器對多個設(shè)備的實時監(jiān)測的需求。在使用統(tǒng)一的通訊協(xié)議在平臺注冊信息后，后臺管理人員可以使用云平臺賬號對在平臺注冊的信息進行在線管理，并且做到對設(shè)備的異地化管理，通過對設(shè)備向云平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)包類型和大小，判別設(shè)備的運行狀態(tài)和設(shè)備信息，及時對設(shè)備故障進行發(fā)現(xiàn)排除，遠(yuǎn)程更新設(shè)備配置，共享傳輸資料等。云平臺監(jiān)測圖如圖6所示

圖5 數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)流程

5 產(chǎn)品驗證

目前國內(nèi)最大的云平臺為阿里云平臺和騰訊云平臺，本次研究以電動自行車智能充電樁為基礎(chǔ)，搭建了一個基于EDP協(xié)議和RESTful API搭建的通信方案的電動自行車智能充電樁。圖7為智能充電樁產(chǎn)品圖，用戶可通過支付寶或微信掃智能充電樁上的二維碼進入小程序，按指示付費充電。圖8為微信小程序充電界面。

成功通過支付寶和微信掃描二維碼的方式為電動自行車充電，實現(xiàn)單個充電樁對應(yīng)多個云平臺。各智能充電樁廠家若采納該通訊方案應(yīng)用到其產(chǎn)品上，那么就可以實現(xiàn)多個云平臺對應(yīng)多個充電樁產(chǎn)品。對于用戶而言，可以無需下載對應(yīng)智能充電樁廠家的App，提高了用戶體驗；對廠家而言，增加了用戶粘性，可以吸引更多用戶使用其產(chǎn)品。

6 結(jié)論

互聯(lián)互通性作為智能充電樁的一項重要技術(shù)指標(biāo)，一直是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品流通和使用的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)今智能充電樁產(chǎn)品仍有許多設(shè)備未能實現(xiàn)互聯(lián)互通性。本文提出了一個基于EDP協(xié)議和RESTful API搭建的通信方案，該方案能夠有效解決充電樁應(yīng)用的互聯(lián)互通問題，實現(xiàn)不同廠商云平臺和設(shè)備之間的相互通信、相互兼容，有效地提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、提升設(shè)備的管理效率、以及減少用戶在使用過程中的不便。

圖6 云平臺監(jiān)測界面

圖7 智能充電樁產(chǎn)品圖

圖8 微信小程序充電界面