基于物联网的远程充电故障监测报警系统_张敏.pdf

2023.7电脑编程技巧与维护1背景随着新能源的不断发展和深入研究，电池的充放电及续航都有了极大的进步，在日常生产生活中，电池凭借其体积小、容量大、使用寿命长等优点，已被广泛应用于各领域。但随着电池的大范围应用，众多电池安全问题也逐渐显现，电池管理变得尤为重要。传统的电池管理系统无法满足现代社会对电池监控的要求，因此更多人开始研究智能电池远程监控系统。建立配套充电站，实现远程实时监测控制，可以更好地保障生命财产安全。远程充电监测系统可以通过小程序控制和监测用电的实时情况，具有控制断电、监测充电情况、自我保护功能等，并可以在异常情况下进行自我断电保护，保障用电安全。此外，该系统计量交流功率，具有更高的通用性、更低的价格和更高的可维护性，适用于小区车棚等电动车集中停放的场景中。2硬件系统设计文中设计的远程充电实时监测系统需要实现的基本功能是：用户通过小程序进行充电，可以在小程序上实时监测充电情况并控制断电。根据上述功能要求，将系统分成若干个模块，根据其功能单位选用相应的芯片进行设计，每个模块都有一个处理器协同工作，最终将各模块通过面包板相连。采用4G通信消息队列遥测传输（MQTT）协议上传数据和下发指令，使用户可以通过手机控制充电的开始和结束。设计原理图如图1所示。STC15W408AS属于STC8051系列的新一代单片机。它的代码可完全兼容8051系列单片机，但相比传统的STC8051，STC15W408AS拥有更快的速度、更低的功耗与更强的抗干扰能力，且STC15W408AS管脚配置符合所需功能的要求。在设计过程中，考虑到实用性、可发展性等因素，电能计量模块芯片采用ACS712。ACS712是一款霍尔效应电流传感器，在工业、商业和电信系统等各领域具有多种应用，例如，电动机控制、负载控制、电源和波形保护。仪器具有霍尔传感器准确的线性相位，低极化和铜电流靠近晶体表面。铜电流中使用的电流产生磁场，感应霍利克积分，并将其转化为相对应力，同时霍尔传感器附近的磁性信号优化了设备的精度。该电路在工厂内经过精心编程，通过BICMOS HALL电路获得了准确的相对应力。新设计的通信模块所使用的是Air724UG 4G模块，通过4G网络实现数据的上传。CATAir724 UG 4G可以适应不同的运营商和服务，并在产品开发方面提供最大的灵活性和自由度。该模块提供STC15W408AS和MQTT无缝通用分组无线业务（GPRS）作者简介：张敏（1984），男，本科，高级工程师，研究方向为传输与数据、物联网应用；董雪（1997），女，硕士，助理工程师，研究方向为电量监控与预测；宋庆霖（2000），男，本科在读，研究方向为物联网应用；孙金泽（1999），男，硕士，研究方向为物联网应用。基于物联网的远程充电故障监测报警系统张敏1，董雪2，宋庆霖3，孙金泽3（1.山东省邮电规划设计院有限公司，济南250101；2.临沂供电公司罗庄供电部，山东 临沂276017；3.临沂大学信息科学与工程学院，山东 临沂276000）摘要：设计采用了低功耗、高性能的 STC15W408AS 作为主控芯片，完成了基于物联网的远程充电故障监测报警系统，为充电用户提供了更安全的充电环境；用户可以通过 4G 网络随时检查充电情况，也可以根据电流传感器检测电流强度决定是否需要断电保护。系统全程语音提示，具有便捷可操作性、为用户提供了更加友好的使用体验。关键词：充电；远程实时监测；Air724UG 模块；ACS712 传感器图1设计原理图原理图4G模组语音模组串口串口电源5V单片机IO口ADC继电器电流检测负载2164DOI:10.16184/prg.2023.07.0462023.7电脑编程技巧与维护传输，满足统一计算机通信网络的需求。4GDTU数据传输速度比NB IOT快，支持传输控制协议（TCP）/用户数据报协议（UDP）/MQTT/超文本传输协议（HTTP）等多种协议传输、具有ESD波保护和逆变器保护。在Tas-lte-363看门狗软件的帮助下，确保设备的正常运行，同时配备心率设置、记录包和自动中止复位装置，可以为硬件上的活动请求分配命令，可以用缓慢的数据传输速度取代NB网络设备。与WiFi相比，4G具有网络稳定，室外使用灵活性强等特点，在山、河流和景点等一切4G网络覆盖的开阔地都可以使用。采用模块作为语音模块。JQ6500-16P本身是一个提供串口的MP3芯片，不需要复杂底层操作，通过串口指令即可使扬声器发出所需声音。相比于其他芯片，JQ6500-16P具有操作性高、使用方便、可靠性强，成本低等优点。该系统采用5 V直流系统作为通用电源，电路简单、稳定，可与通用串行总线（USB）电缆连接。该系统一端与直流电源连接；另一端与5 V电源连接，开启后指示灯变为红色，系统电源为5 VDC。电路采用滤波电容，保证了输出电压的稳定性。采 用ACS712收 集 电 流 电 压 数 据，然 后 传 输 到STC15W408AS单片机，每隔10 s检测，无电流自动关闭。ACS712型 的 电 流 感 应 器 在0.54.5 V范 围 内，STC15型的主控芯片采用3.3 V的基准模数转换。在此基础上，采用了运算放大器以达到控制系统的取样需求。电压输出信号由相应的动作放大器降低，混合滤波器由RC低频滤波器实现，其中选择4个mv324运算放大器作为低压导轨之间的运算放大器输出，工作电源为2.7 V和5.5 V。mv324运算放大器的输出电压范围设置为0.6，低压导轨放大器的输出电压范围设置为0.3 V和2.7 V。由VIOUT端输出电信号，通过模数（A/D）转换器，得到ADC值判断计算电流值。采用24A/D转换集成电路HX711组成的A/D转换IC，与均匀型芯片相同，集成了电流调节器、芯片发生器等外部器件，集成度高，响应速度快，抗干扰能力好。芯片和多点控制器（MCU）的接口和程序通过按键来实现对各控制器的控制，不需要通过可编程的芯片来实现。输入选择机切换可以与可程控声学系统相连的任意频道A或B频道中进行选择，能够与放大电路相分离。频道A可程式地扩大到64或128，各输入信号的差异是20 mV。采用B信道来决定32项系统的参数，而不需要仿真功率，可以对芯片的外置感测器和A/D变换进行直接的控制。发声芯片无需任何外接装置。语音模块采用的JQ6500-16P，具有强大的引脚功能，可以实现UART串口数据上行下发、多种音频模式及外接扬声器。在模块设计中，将扬声器接入SPK+与SPK-引脚，串口引脚接入STC15W408AS单片机，通过串口指令控制扬声器的应用。在编程中将所需声音进行编写、烧录，即可得到所需的语音提示功能。文中设计并实现了一个基于MQTT的网络通信系统。MQTT协议可以更加便捷地实现物联网发布/订阅模式，中间经过服务器中转。电流计量芯片测得电流数据后，通过Air724芯片、4G通信、MQTT协议上传数据至物联网平台。手机客户端通过MQTT协议实现控制，下发指令。3软件系统设计整个软件程序的设计包含4个部分：实时监控、过电压警告、远程控制、自动控制。文中设计的软件具有简洁、程序合理、可扩充、兼容等特点。软件的函数部分可以进行模块化的开发，便于进行系统的调试、连接、后期的更改、迁移等，使存储器空间得到了良好的布局。在软件的开发过程中，应按照设计原理来保证软件的鲁棒性和后期的维护。主函数主要是对各个模块的汇总，执行不同的命令进行相关的操作。平台的开发工具采用Keil Vision5集成开发环境，客户端采用HbuilderX构建，通过Nginx反向代理H5部署到服务器。云服务器选用阿里云多环境版服务器。使用统一建模语言（UML）来对正在进行的软件中的风险和重要的案例进行描述。在此基础上，使用UML的用例图来描述用户和用例、用例的相互关联。使用UML的类图来描述被开发的软件所依据的各个方面的观念和观念的联系。开发采用小程序作为客户端显示模块。用户可以通过小程序实时监测、控制充电的情况，并控制通断电以提供更安全的充电环境，充分保障生命财产安全；实时便捷操作，提供更加友好的用户体验。开发时根据电流传感器检测电流强度决定是否需要断电保护，并且用户可以通过4G网络随时检查充电情况并控制充电结束。全程语音提示，方便用户操作，并实现一机多控。用户通过小程序进行充电，可以在小程序上进行实时的控制断电和监测充电情况。系统本身也有自我保护功能，并且每隔10 s检测电流，若有异常则关闭充电，充分保障安全。计量交流功率，相比直流输出的充电桩拥有更高的通用性、更低的价格和更高的可维护性，适用于小区车棚等电动车集中停放的场景中。人机界面设计通过HbuilderX和JavaScript汇编。1652023.7电脑编程技巧与维护3孙东旭,贾世伟,孟玉慈,等.综合模块化航电系统FC网络的机内测试设计J.航空计算技术,2016,46(6):108-112.4徐志山.基于CAN总线的开关控制电路设计与实现J.西安文理学院学报,2018,21(2):44-49.5李瑞金.基于CAN总线的网络通信信道的建模与研究J.测控技术,2018,37(7):9-13.6张庆松.航空电子系统光纤通道性能研究J.重庆理工大学学报,2017,31(8):145-149.(上接第163页)主要进行了界面布局设计，执行框体设计与通过MQTT协议的软硬互联。设置单击卡片的方法，发送字符串指令，通过MQTT与云平台连接，将指令下发到硬件，并作出相应的反应。使用JavaScript脚本语言汇编设计窗体，其中包括窗体设计中的各个元素、窗体框架等。设计以两个充电设备为基础模型，在界面上可以看到两个可执行框体，用户可以单击框体即可进行充电控制。项目开发的AIR724UG负载控制系统是一个典型的单片机系统。设备的一个重要特点是硬件和软件的精确集成。因此，在负载控制系统的设计过程中，首先要对设备进行查找和测试，然后对软件进行故障排除和测试。两者相互独立、相互联系。调试功能清单如表1所示。打开控制界面，单击1号机，可听到语音提示“1号机开始充电”，发光二极管（LED）显示屏上电流值增加，设置为充满状态时，10 s后自动停止充电，也可手动单击停止充电，LED显示屏上的电流值恢复，可听到提示音“1号机充电完成”；单击2号机，可听到语音提示“2号机开始充电”，LED显示屏上电流值增加，状态为持续充电状态，并10 s检测一次电流，手动单击停止充电，LED显示屏上的电流值恢复，听到“2号机充电完成”。系统实物如图2所示。4结语设计采用了低功耗、高性能的主控芯片，用户可以通过4G网络随时检查充电情况并控制充电结束，提供了更加安全的充电环境；系统具有自我保护功能，可以在异常情况下进行自我断电，全力保障用户的生命和财产安全。操作过程全程语音提示，简单易懂，能够为用户提供更加友好的充电服务。参考文献1李秀娟我国新能源技术产业发展现状与对策探讨J 黑龙江科技信息,2008(30):592王晓宁中国新能源发展现状与趋势J 高科技与产业化,2008(1):60-623沈苏彬,范曲立,宗平,等物联网的体系结构与相关技术研究J 南京邮电大学学报（自然科学版），2009,29(6):1-114张应福物联网技术与应用J 通信与信息技术，2010(1):50-535朱洪波,杨龙祥,朱琦物联网技术进展与应用J 南京邮电大学学报（自然科学版）,2011,31(1):1-96毕道治 21世纪电池技术展望J 电池工业,2002(3):205-2107毛国龙锂离子动力电池发展现状及应用前景J 中国电子商情（基础电子）,2009(8):14-148左俊平.基于物联网技术的电池组远程监测系统设计D.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2014.9雷晶晶,李秋红,陈立宝,等动力锂离子电池管理系统的研究进展J 电源技术,2010(11):1192-119510朱嘉宁.基于物联网技术的动力锂电池远程监测系统设计D.杭州:中国计量大学,2019.名称期望结果AIR724UG保证模块正常运行4G指示灯亮电源提供稳定电压可见稳定5 V电压电能计量监测监测电流电压每隔10 s成功监测硬件与软件通信数据传输准确成功通过软件控制软件显示显示数据成功显示充电时长表1调试功能清单图2系统实物166