基于CAN局域网的智能换电柜系统的研究与设计.pdf

叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期鄢深圳市科技计划项目渊JSGG20210802152544022冤智能换电柜是面向骑手尧快递员等高频换电咱1暂人群袁解决电池续航短咱2暂尧室内尧楼内充电安全隐患大等问题袁而布放的智能化设备遥智能换电柜基于物联网袁骑手可以直接将电动自行车的电池跟换电柜里的电池进行互换袁 将低电量的电池放到换电柜中袁再装上充满电的电池遥 本文设计一种高效安全的基于 CAN总线局域网的智能换电柜系统袁 从硬件和软件两个方面说明CAN 局域网智能换电柜系统的设计遥 使用自定义的 CAN 通信协议和数据流向保证数据的准确性遥1系统总体设计原理系统总体设计原理如图 1 所示袁 系统由主控一体机尧 检测板尧若干仓控板尧若干充电模块尧若干电池模块尧云服务器组成遥一体机与检测板尧 若干仓控板组成 CAN 局域网遥 仓控板使用STM32 芯片袁通过 RS232 控制充电模块工作曰通过 RS485 采集电池 BMS咱3暂数据遥 一体机使用 ARM A7 芯片袁运行 Linux 和 QT程序袁接收云服务器下发命令袁执行动作遥 一体机通过 CAN咱4暂局域网控制每个仓控板袁进而控制充电模块袁读取电池 BMS 数据袁监控充电情况遥 当发生异常时袁仓控板上传异常 CAN 帧到一体机遥检测板使用 STM8 芯片袁检测总的电压尧电流和功率袁并上传参数 CAN 帧到一体机袁当参数超出范围袁停止充电遥检测板有传感器袁当温度过高尧有水浸入时袁立即断电曰当有烟雾时袁断电并启动消防设施袁防止火灾发生咱5暂袁保证换电柜系统的安全性遥1.1 智能换电柜系统的硬件设计1.1.1 主控一体机的硬件设计原理考虑到一体机要进行大量CAN数据传输袁故选择主频792 MHz的 ARM A7核心的微处理器 iMX6ULL作为主控 CPU遥 iMX6ULL通过 CAN 与检测板尧仓控板组成 CAN 局域网遥外接 4G 模块与服务器通信遥为实现人机交互需外接液晶屏和触摸屏遥一体机硬件组成如图 2 所示院图 2主控一体机硬件基本结构图显示用群创 AT070TN83渊800伊480冤7 英寸 TFT 液晶屏遥 触摸用奕力科技 ILI2511 芯片的 USB 电容触摸屏遥采用 256 MB 的三星 K9F2G08R0A NAND Flash 芯片存放软件系统袁 包括 uboot尧Linux 内核尧 文件系统遥 使用四片HYB18M512160AF 芯片组成 256 MB 的 DDR3 内存袁 用于加载 Linux 操作系统和运行应用程序遥采用 24 MHz 晶振驱动 CPU遥 iMX6ULL 自带 CAN 接口袁需外接 CAN 收发器 TJA1040T遥 4G 模块使用移远 EC200T袁为4G 全网通模块遥 将 EC200T 的 USB 连接一体机的 USB Host袁换电柜数据便可通过 4G 网络传输到云服务器遥1.1.2 仓控板的硬件设计原理每个电池仓咱6暂一块仓控板袁选择 STM32F103C8T6 作为主控 CPU遥 自带 CAN袁外接 CAN 收发器 TJA1040T袁可接入 CAN局域网遥 自带 UART袁可通过 RS232 控制充电模块对电池充电遥另一路 UART袁 外接 MAX485 芯片袁 可通过 RS485 采集电池BMS 数据遥用 GPIO袁外接继电器袁控制仓门电子锁咱7暂的开关遥仓基于 CAN 局域网的智能换电柜系统的研究与设计鄢游张华渊深圳市华海联能科技有限公司袁广东 深圳 518101冤Intelligent Battery Exchange Cabinet System Based on CAN LAN摘要院智能换电柜面向骑手尧快递员等高频换电人群袁可解决电池续航短尧室内充电安全隐患大等问题遥换电柜可减少电池的充电时间袁提高换电效率袁同时集中充电袁减少充电的安全隐患遥系统由主控一体机尧检测板尧仓控板尧充电模块尧电池尧传感器组成遥 系统内部通过 CAN 总线组成局域网袁实现对电池的智能充电曰系统外部与云服务器通信袁实现换电业务遥 从硬件和软件两个方面讨论方案设计遥使用自定义的 CAN 通信协议和数据流向保证数据的准确性遥实验结果证明袁CAN 局域网通信稳定袁智能换电柜系统保证换电和充电业务的正确性袁传感器及时触发袁系统断电保证系统安全性遥关键词院CAN曰主控一体机曰检测板曰仓控板曰云服务器Abstract:The intelligent battery exchange cabinet system is composed of a main control machine,a detection board,multiple warehouse control boards,multiple charging modules,multiple batteries and multiple sensors.The internal systemuses CAN bus to form a local area network to realize the intelligent charging of the battery.The external system communi鄄cates with the cloud server to realize the battery exchange business.The scheme design is discussed from two aspects ofhardware and software.The customized CAN communication protocol and data flow direction are used to ensure the accu鄄racy of data.Keywords:CAN,main control machine,detection board,warehouse control board,cloud server图 1系统总体设计原理图11基于 CAN 局域网的智能换电柜系统的研究与设计控板硬件组成如图 3 所示院图 3仓控板硬件基本结构图1.1.3 检测板的硬件设计原理检测板选择 STM8S208S6T6C 作为主控 CPU遥 自带 CAN袁外接 CAN 收发器 TJA1040T袁可接入 CAN 局域网遥自带 SPI袁外接 CS5460A 芯片袁检测咱8暂系统的总电压尧总电流和总功率遥 使用多个 GPIO袁作为输入时接收检测传感器的电平袁作为输出时外接继电器袁控制脱钩器咱9暂给整个换电柜系统断电遥 检测板硬件组成如图 4 所示院图 4检测板硬件基本结构图1.2 智能换电柜系统的软件设计1.2.1 CAN 局域网的软件设计方法一体机尧检测板尧若干仓控板组成 CAN 局域网遥采用 CAN 标准帧传输遥 因 CAN 局域网发送数据袁数据会广播到所有节点袁故要对每个节点设置过滤器袁只接收需要数据遥 一体机过滤器接收检测板尧若干仓控板数据遥检测板过滤器只接收一体机数据遥仓控板过滤器接收一体机尧检测板数据遥 局域网数据流图如图 5 所示院图 5CAN 局域网数据流图CAN 的 11 位标识符定义袁最高 2 位为传输类型袁低 9 位为节点 ID遥 定义如表 1尧表 2 所示遥1冤数据方向院主控一体机寅检测板/仓控板遥表 1CAN 的 11 位标识符定义01 表示对检测板/仓控板主动上传数据的 ACK 响应曰10 表示主控一体机发命令到检测板/仓控板遥2冤数据方向院检测板/仓控板寅主控一体机遥01 表示检测板/仓控板主动上传数据到主控一体机曰10 表示主控一体机发命令后的检测板/仓控板返回遥CAN 的八字节数据定义袁第一字节为帧类型和参数袁第二到第八字节为数据遥 定义如表 3 所示院表 3CAN 的八字节数据定义00 表示单帧数据曰01 表示多帧数据的起始帧袁帧总数为一次连续帧数曰10 表示多帧数据的数据帧袁帧序号为当前是第几帧遥1.2.2 主控一体机的软件设计方法一体机软件接收服务器命令袁完成换电尧充电操作遥步骤院淤PPP咱10暂拨号接入 4G咱11暂网络曰于若收到服务器换电命令袁查询仓内是否有满电电池曰盂若有袁发送 CAN 命令给仓控板袁打开一个空仓门曰榆当骑手放入旧电池并关闭仓门袁发送 CAN 命令给仓控板袁对旧电池充电袁并打开一个满电电池仓门曰虞当骑手取出满电电池并关闭仓门袁完成换电遥 执行流程如图 6 所示院图 6充换电执行流程图一体机采集电池 BMS咱12暂数据袁异常数据上传服务器遥 步骤院淤定时向每个仓控板发送 CAN 查询命令曰于仓控板返回电池数据 CAN 帧曰盂当电池或充电模块异常袁仓控板主动发送异常信息 CAN 帧曰 榆当环境或系统异常袁 检测板主动发送异常信息CAN 帧曰虞一体机将信息上传服务器遥信息采集流程如图7 所示院图 7信息采集流程图1.2.3 仓控板的软件设计方法仓控板软件进行换电开仓袁控制充电模块对电池充电袁采集咱13暂电池 BMS 数据遥 步骤院淤收到 CAN 开仓命令帧袁控制继电器开门曰于收到 CAN 开始/停止充电命令帧袁通过 RS232 控制充电模块工作曰盂收到 CAN 查询命令帧袁通过 RS485咱14暂查询电池数据并返回 CAN 帧曰榆实时检测充电模块和电池袁一旦发生异常咱15暂立即上报异常 CAN 帧遥 执行流程如图 8 所示院图 8仓控板的执行流程图表 2CAN 的 11 位标识符定义12叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期1.2.4 检测板的软件设计方法检测板软件采集系统参数袁接收传感器信号袁根据情况停止充电或系统断电遥 步骤院淤实时检测系统的总电压尧总电流和总功率曰于当任一参数超范围袁发送 CAN 停止充电命令帧给每个仓控板袁停止充电袁上报停止信息 CAN 帧到一体机曰盂收到温度传感器尧水浸传感器尧烟雾传感器中任一触发电平袁控制继电器断开脱钩器袁系统断电遥 执行流程如图 9 所示院图 9检测板的执行流程图2系统实验2.1 实验组成包括 1 台换电柜尧1 个主控一体机尧1 块检测板尧12 块仓控板尧12 块电池尧1 个温度传感器尧1 个水浸传感器尧1 个烟雾传感器袁换电柜终端基本结构如图 10 所示院图 10换电柜终端基本结构图2.2 实验步骤淤将一体机尧检测板尧12 个仓控板组成 CAN 局域网袁进行CAN 通信测试曰于电池换电院将 员 块低电量的电池放入空仓袁再自动取出 员 块充满电的电池曰 盂电池充电院 将 员 块电池放入空仓袁检查充电状态曰榆当某个电池仓的参数超出范围袁检查该仓是否停止充电曰虞当温度传感器尧水浸传感器尧烟雾传感器任意一个触发时袁检查换电柜系统是否立即断电遥3结果和分析3.1 实验结果换电柜系统实验结果如表 源 所示院表 4换电柜系统实验结果3.2 结果分析CAN 通信正常说明局域网组网成功袁验证了自定义的 CAN通信协议满足要求遥 电池换电正常验证了服务器与换电柜通信成功袁一体机控制仓控板成功遥电池充电正常验证了仓控板控制电池充电成功遥参数超范围停止充电正常袁验证了仓控板实时采集各种参数成功遥传感器触发系统断电正常袁验证了系统能实时接收传感器中断触发并控制脱钩器断电遥4结束语本文介绍了基于 CAN 局域网的智能换电柜系统的设计遥CAN 局域网通信稳定袁自定义 CAN 通信协议传输数据准确遥 与云服务器通信袁高效完成换电和充电操作业务遥参数异常和传感器触发时袁能正确地进行相应安全操作遥本方案不仅大量减少了高频换电用户的时间成本袁也极大提高了电池充电效率袁从根本上保证系统的安全性袁可以在换电市场上实际运用遥参考文献咱1暂帅春燕袁杨芳袁欧阳鑫袁等.基于数据驱动的电动自行车换电需求预测咱J暂.交通运输系统工程与信息袁2021袁圆员渊圆冤院员苑猿原员苑怨咱2暂叶俊袁祁朝阳.电动自行车蓄电池安全隐患问题研究咱J暂.公安研究袁2021渊11冤院圆员原圆缘咱3暂杨磊袁王曦袁郑杰光.自动换电柜及换电方法和系统院CN110422148A咱P暂.2019原员员原园愿咱4暂LI Z,WANG D,KANG Q.The Development of Data Acquisi鄄tion System of Formula SAE Race Car Based on CAN BusCommunication Interface and Closed-Loop Design of RacingCarJ.Wireless Communications and Mobile Computing,2021:4211010.1-4211010.18咱5暂其鲁.电动车用锂离子二次电池咱酝暂.北京院科学出版社袁2010咱6暂王达袁周航袁焦遥袁等.离子嵌入电化学反应机理的理解及性能预测院从晶体场理论到配位场理论咱J暂.储能科学与技术袁2022袁11渊2冤院409原源猿猿咱7暂杨强袁李茜.锂离子电池国家标准 GB31241 与 UN38.3 的比较咱J暂.电池袁2016袁源远渊1冤院46-48咱8暂梁景新.电池安全问题浅谈咱J暂.科技资讯袁2007渊31冤院65咱9暂杨文荣袁李楠.基于菊花链结构电池管理芯片的级联通讯咱J暂.电子测量技术袁2012院90-94咱10暂酝amakos L,Lidl K,Evarts J,et al.A Method for Transmit鄄ting PPP Over Ethernet(PPPoE)R.The Internet Society,1999咱11暂E Dahlman S Parkvall,J Skold.4G:LTE/LTE-Advanced forMobile BroadbandJ.Elsvier Science,2011咱12暂OHARE T.In 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