一种新型电动汽车充电桩控制系统设计与应用
杨涛+程耕国+程骅+王海涛
摘 要： 针对充电桩推广过程中通信方式不兼容问题，基于手机强大的通信网络和蓝牙近距离通信的特点，设计一种新型电动汽车充电桩控制系统。该系统以手机作为数据中转站，通过蓝牙和充电机控制电路建立连接；使用APP客服端完成充电业务并上传实时数据至云服务器；运用混合加密技术保证蓝牙通信安全。APP客服端在云服务器的配合下可实现充电桩搜寻、智能充电、移动支付等功能。通过测试，系统在多种复杂环境下正常工作，用户体验良好，适合广泛推广使用。
关键词： 充电桩； 蓝牙； APP客服端； 混合加密
中图分类号： TN876?34； TM910.6 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）15?0179?04
Abstract： Since the communication mode of charging pile is incompatible in promotion process， a new charging pile control system for electric vehicle was designed， which is based on the characteristics of powerful mobile communication network and Bluetooth short?distance communication. The mobile phone is taken as the data transfer station in the system， and connected through Bluetooth and charger control circuit. The APP customer service?side is used to charge the electric vehicle， and transfer the real?time data to the cloud server. The hybrid encryption technology is adopted to ensure the security of Bluetooth communication. The functions of charging pile search， intelligent charging， mobile payment are realized by means of the coordination of APP customer service?side and cloud server. The test results show that the system can work normally in the multiple complex environments， has perfect user experience， and is suitable to promote and use widely.
Keywords： charging pile； Bluetooth； APP customer service?side； mixed encryption
0 引 言
近年来国家对新能源产业的大力推广促进了电动汽车的快速发展[1]，但与之配套的充电桩建设进度缓慢，目前充电桩与新能源汽车的比例只有0.41左右，距離国务院办公厅印发的关于加快充电基础设施建设规划中到2020年的充电桩与新能源汽车的比例11仍有很大发展空间[2]，预计未来几年充电桩建设将进入井喷式发展状态。当前国内充电桩的发展在几个龙头企业的带领下运行模式也趋于成熟，浅析目前成熟的充电桩运行模式，数据通信主要通过有线网络、GPRS、WiFi加数据中转站方式和运营商服务器、银行支付平台进行数据对接[3?4]，账单支付多采用预充的射频卡、银联刷卡方式完成[5]，上述几种运营方式在面向小区、地下停车场、偏远地区等复杂环境下推广存在数据通信不兼容、通信设备成本高、用户体验不佳等问题。
针对上述问题，本文设计了一种基于蓝牙通信的新型充电桩控制系统，简化数据通信方式，通过蓝牙和手机自有的通信网络建立充电桩、APP客户端、云服务器之间的数据通信，智能APP完成充电支付功能，为充电桩大规模推广提供一种新思路。
1 系统总体框架
充电桩控制系统由控制电路、APP客服端、云服务器组成，充电桩控制系统组成如图1所示。
控制电路是用户和充电机之间的桥梁，根据APP客服端发送指令对充电机发出相应的充电操作，实时监测充电机输入输出状态信息，上传至APP。
APP客服端是系统具有用户注册、用户身份信息验证、充电操作、状态信息显示、消费记录查询、故障信息整理上传等功能。
云服务器负责数据接收、处理、保存、发布等功能，为用户和运营商提供业务请求。
系统网络通信架构如图2所示。手机和充电桩硬件电路采用蓝牙通信；APP客户端基于手机的3G，4G，WiFi网络和服务器建立数据连接；移动终端和电脑通过自带WiFi、光纤、移动网络和云服务器后台连接。
为了保证蓝牙通信数据安全，用户需要通过APP客服端扫描充电桩上面的二维码标识或者手动输入充电桩设备号，APP客服端从服务器获取蓝牙秘匙和充电桩建立蓝牙连接。数据通信中采用一种基于RC4和RSA的混合加密算法[6]，数据加密解密过程如图3所示。利用RC4在数据加密的高效率和RSA在秘匙管理上的优势，首先使用RC4对数据进行加密处理，然后再对RC4秘匙进行RSA加密组成一包完整的数据进行通信。接收端接收数据，通过RSA进行解密还原RC4秘匙，进而对数据原文进行解密还原。蓝牙通信采用的是自主研发的UOE通信协议，多重数据校验确保数据完整无误。
2 充电桩控制系统设计
2.1 控制电路
控制电路设计分为硬件电路设计和软件设计两个部分。
2.1.1 硬件电路设计
硬件电路主要由控制器、充电机控制接口、蓝牙模块、E2PROM等部分组成，硬件电路结构如图4所示。为了增强系统的稳定性，控制器和充电机接口通过CAN总线通信，采用外接TJA1050型号收发器；串口蓝牙模块和主控MCU串口2直接相连；E2PROM通过I2C和控制器I/O口通信。
控制器采用意法半导体STM32F407ZET6处理器，功能强大，拥有串口IAP功能，可通过APP客服端实现固件升级。充电机控制接口为充电机和控制器信息交换窗口，接收控制器控制指令返回充电状态信息，数据传输采用J1939通信协议[7]，根据任务需求和透传数据类型定义4种报文，分别为控制器向充电机发送握手报文、控制器回送握手报文、充电机向控制器发送充电机输出电压电流大小和蓄电池电压信息报文、充电机向控制器发送充电机温度剩余充电时间和已充电量报文。蓝牙模块采用NRF51822低功耗蓝牙，蓝牙4.0协议栈，串口AT指令操作，稳定可靠[8]。E2PROM用来保存充电桩运行状态过程的用户信息、充电桩输出状态信息、故障日志等，掉电不易失的特点保证系统有良好的容错能力。
2.1.2 软件设计
为提高开发效率，控制电路搭载μC/OS?Ⅱ V 2.91软件平台[9]。根据控制电路功能需求设计5个控制任务并分配不同的优先级，任务之间通过邮箱传递数据，系统任务优先级规划如表1所示。优先级高（数值小）代表任务有较高CPU使用权，向充电机发送充电控制任务负责发送开启充电和停止充电指令，享有最高优先级，确保出现异常故障即刻停止充电。
充电桩硬件控制电路接收APP客服端发送的指令开启充电，充电模式分为自动充（充满为止）、定量充、定时充3种，定时充是由用户设定充电时长，定时充程序流程图如图5所示。用户选择定时充电，等待充电枪连接后锁定充电枪开启充电，实时判断充电时间是否结束、电池是否充满、是否收到结束充电指令，任一条件满足结束充电，等待用户支付，解锁充电枪完成此次充电。充电过程将充电桩输出状态信息通过蓝牙模块发送至APP客服端，充电过程出现异常立即结束充电，并将故障信息写入E2PROM，等待蓝牙连通上传至服务器。
2.2 APP客服端
APP客服端作为用户、控制电路、服务器三者的信息处理平台，在系统中起着至关重要的作用，客服端采用C/S结构体系，按照人机界面、业务逻辑、功能应用三层结构设计[10]。APP客服端主要负责用户管理、人机交互、充电桩搜索、智能预约排队充电、充电模式选择、故障日志上传、社区互动、账单支付等功能。为满足用户需求分别设计了支持Android和IOS版本的客服端。
（1） 用户管理。用户通过手机号码完成注册，APP客服端通过手机号作为用户ID完成信息管理。
（2） 人机交互。通过交互界面可完成信息查询，指令下达，充电机状态信息显示。
（3） 充电桩搜索。服务器数据库录入充电桩的坐标信息和惟一标识码，APP客服端调用百度地图获取附近充电桩位置和空闲状态。
（4） 智能预约排队充电。可提前预约充电场地和充电时间，当前无空闲充电桩可用也可使用智能排队充电，将备用充电枪和电动汽车相连，等待充电机空闲自动完成充电任务。
（5） 充电桩模式选择。充电桩支持定时充、定量充、自动充三种充电模式。
（6） 故障日志上传。充电过程出现故障，APP客服端会将错误信息上传给服务器，供运营商排除故障。
（7） 社区互动。针对每一个充电场地设置互动社区，用户可留言讨论，方便其他用户的同时反馈用户意见，方便运营商改进服务质量。
（8） 账单支付。充电完成，APP客服端可使用支付宝、微信、银联等方式完成支付。
2.3 云服务器
简单的通信方式意味着云服务后台有着强大的数据处理、加工能力，云服务器主要由超级计算机、大型信息存储单元、网络通信设备、平台软件等部分组成。为满足用户全方位需求和运营商复杂的增值业务，云服务器具有高可靠性、广泛适用性、可扩展性[11]等特点。云平台开发主要围绕数据处理、数据分析、数据共享三个方向展开。
（1） 数据处理。针对充电桩充电环节中多级客户需求，利用云技术和计算机数据加工存储功能完成来自终端的海量终端设备和后台管理员的数据处理。为满足大量客户集中访问，避免高并发现象，使用高性能的服务器、数据库以及负载均衡技术缓解服务器压力。
（2） 数据分析。云服务器通过对海量充电信息进行深度挖掘，运用相应的数据挖掘算法和数据分析方式深度解析充电时间和地点等数据，为电网用户、运营商、电力公司提供一个标准、高效、快捷的数据后台接口。
（3） 数据共享。针对数据处理过程中的数据共享、交换难题，设计一种数据共享交换平台。数据共享平台建设遵循标准化、规范化、开放性、全面集成原则，对多级用户需求采用分层设计，制定规范数据接口，确保数据互用，多级子系统差异数据统一融合处理。
3 应用实例
系统委托深圳天瑞科技有限公司进行测试，目前已经通过测试开始面向湖北部分地区推广使用。通过对大型地下停车场、小区、偏远村庄等多个复杂环境进行现场实测，数据均符合要求。APP功能展示如图6所示，用户在客户端首页可获取附近充电桩地址、空闲状态、资费等信息，用户根据需求预约相应的快充和慢充地点，配合地圖导航到达目的地选择相应的充电模式开启充电，充电过程中可实时获取当前充入电量、剩余充电时间等状态信息，充电中途用户离开充电桩，系统也可根据预先设定模式完成充电操作，现场实测快充模式下1 h可完成80%的电量，充电结束，用户可选择使用支付宝、微信完成支付。
4 结 论
系统基于蓝牙通信优势和手机强大的通信网络，结合APP客服端和云服务器设计一种适合广泛推广的新型充电桩控制系统。解决传统充电桩控制系统中充电机、客户端、服务器之间数据通信复杂，面向多种环境通信不兼容的问题，简化数据链路，降低设备成本，通过APP客服端即可完成预约充电、地图导航、移动支付等功能，方便快捷，结合云服务后台为用户的个性化需求、运行商推广、电网用电分析提供有力支持。
参考文献
[1] 李良，郭艺.充电桩建设面临的突出问题及亟待落实的政策[J].中国能源，2016，38（1）：37?40.
[2] 国务院办公厅.关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见[EB/OL].[2015?10?09].http：//www.gov.cn/xinwen/2015?10/09/Content_2944047.htm.
[3] 范晓燕，丁立波，马河祥，等.基于嵌入式系统的电动汽车交流充电桩设计[J].现代电子技术，2012，35（16）：178?180.
[4] 叶冠南.基于GPRS的充电桩数据管理系统的设计与实现[D].浙江：浙江工业大学，2014.
[5] 李建坡，姜雪，隋吉生.电动汽车充电站RFID智能信息管理系统[J].自动化仪表，2013，34（11）：62?65.
[6] 冯益斌.基于Android系统及混合加密的蓝牙远程控制研究[J].现代电子技术，2016，39（5）：89?92.
[7] 许炳华，潘明.基于J1939协议的车辆通信系统的设计[J].科学技术与工程，2012，12（33）：9114?9117.
[8] 刘百芬，李图之，陈鹏展.基于nRF51822的汽车无线姿态测量系统设计[J].科学技术与工程，2014，14（17）：87?91.
[9] 王磊，王耀南，陈斯斯，等.μC/OS? II在嵌入式智能视觉监控系统中的应用[J].微计算机信息，2008，24（11）：6?8.
[10] 张琳，任鸿秋，苏新.基于嵌入式Linux的电动汽车交流充電桩的设计[J].电气技术，2012（7）：19?21.
[11] 殷树刚，龚桃荣，刘瑞，等.基于云平台的电动汽车智能充电系统设计与应用[J].供用电，2015（7）：43?47.
[12] 徐向东.蓝牙技术中的一种基于DES加密的安全策略[J].通讯技术，2008， 41（11）：150?152.
摘 要： 针对充电桩推广过程中通信方式不兼容问题，基于手机强大的通信网络和蓝牙近距离通信的特点，设计一种新型电动汽车充电桩控制系统。该系统以手机作为数据中转站，通过蓝牙和充电机控制电路建立连接；使用APP客服端完成充电业务并上传实时数据至云服务器；运用混合加密技术保证蓝牙通信安全。APP客服端在云服务器的配合下可实现充电桩搜寻、智能充电、移动支付等功能。通过测试，系统在多种复杂环境下正常工作，用户体验良好，适合广泛推广使用。
关键词： 充电桩； 蓝牙； APP客服端； 混合加密
中图分类号： TN876?34； TM910.6 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）15?0179?04
Abstract： Since the communication mode of charging pile is incompatible in promotion process， a new charging pile control system for electric vehicle was designed， which is based on the characteristics of powerful mobile communication network and Bluetooth short?distance communication. The mobile phone is taken as the data transfer station in the system， and connected through Bluetooth and charger control circuit. The APP customer service?side is used to charge the electric vehicle， and transfer the real?time data to the cloud server. The hybrid encryption technology is adopted to ensure the security of Bluetooth communication. The functions of charging pile search， intelligent charging， mobile payment are realized by means of the coordination of APP customer service?side and cloud server. The test results show that the system can work normally in the multiple complex environments， has perfect user experience， and is suitable to promote and use widely.
Keywords： charging pile； Bluetooth； APP customer service?side； mixed encryption
0 引 言
近年来国家对新能源产业的大力推广促进了电动汽车的快速发展[1]，但与之配套的充电桩建设进度缓慢，目前充电桩与新能源汽车的比例只有0.41左右，距離国务院办公厅印发的关于加快充电基础设施建设规划中到2020年的充电桩与新能源汽车的比例11仍有很大发展空间[2]，预计未来几年充电桩建设将进入井喷式发展状态。当前国内充电桩的发展在几个龙头企业的带领下运行模式也趋于成熟，浅析目前成熟的充电桩运行模式，数据通信主要通过有线网络、GPRS、WiFi加数据中转站方式和运营商服务器、银行支付平台进行数据对接[3?4]，账单支付多采用预充的射频卡、银联刷卡方式完成[5]，上述几种运营方式在面向小区、地下停车场、偏远地区等复杂环境下推广存在数据通信不兼容、通信设备成本高、用户体验不佳等问题。
针对上述问题，本文设计了一种基于蓝牙通信的新型充电桩控制系统，简化数据通信方式，通过蓝牙和手机自有的通信网络建立充电桩、APP客户端、云服务器之间的数据通信，智能APP完成充电支付功能，为充电桩大规模推广提供一种新思路。
1 系统总体框架
充电桩控制系统由控制电路、APP客服端、云服务器组成，充电桩控制系统组成如图1所示。
控制电路是用户和充电机之间的桥梁，根据APP客服端发送指令对充电机发出相应的充电操作，实时监测充电机输入输出状态信息，上传至APP。
APP客服端是系统具有用户注册、用户身份信息验证、充电操作、状态信息显示、消费记录查询、故障信息整理上传等功能。
云服务器负责数据接收、处理、保存、发布等功能，为用户和运营商提供业务请求。
系统网络通信架构如图2所示。手机和充电桩硬件电路采用蓝牙通信；APP客户端基于手机的3G，4G，WiFi网络和服务器建立数据连接；移动终端和电脑通过自带WiFi、光纤、移动网络和云服务器后台连接。
为了保证蓝牙通信数据安全，用户需要通过APP客服端扫描充电桩上面的二维码标识或者手动输入充电桩设备号，APP客服端从服务器获取蓝牙秘匙和充电桩建立蓝牙连接。数据通信中采用一种基于RC4和RSA的混合加密算法[6]，数据加密解密过程如图3所示。利用RC4在数据加密的高效率和RSA在秘匙管理上的优势，首先使用RC4对数据进行加密处理，然后再对RC4秘匙进行RSA加密组成一包完整的数据进行通信。接收端接收数据，通过RSA进行解密还原RC4秘匙，进而对数据原文进行解密还原。蓝牙通信采用的是自主研发的UOE通信协议，多重数据校验确保数据完整无误。
2 充电桩控制系统设计
2.1 控制电路
控制电路设计分为硬件电路设计和软件设计两个部分。
2.1.1 硬件电路设计
硬件电路主要由控制器、充电机控制接口、蓝牙模块、E2PROM等部分组成，硬件电路结构如图4所示。为了增强系统的稳定性，控制器和充电机接口通过CAN总线通信，采用外接TJA1050型号收发器；串口蓝牙模块和主控MCU串口2直接相连；E2PROM通过I2C和控制器I/O口通信。
控制器采用意法半导体STM32F407ZET6处理器，功能强大，拥有串口IAP功能，可通过APP客服端实现固件升级。充电机控制接口为充电机和控制器信息交换窗口，接收控制器控制指令返回充电状态信息，数据传输采用J1939通信协议[7]，根据任务需求和透传数据类型定义4种报文，分别为控制器向充电机发送握手报文、控制器回送握手报文、充电机向控制器发送充电机输出电压电流大小和蓄电池电压信息报文、充电机向控制器发送充电机温度剩余充电时间和已充电量报文。蓝牙模块采用NRF51822低功耗蓝牙，蓝牙4.0协议栈，串口AT指令操作，稳定可靠[8]。E2PROM用来保存充电桩运行状态过程的用户信息、充电桩输出状态信息、故障日志等，掉电不易失的特点保证系统有良好的容错能力。
2.1.2 软件设计
为提高开发效率，控制电路搭载μC/OS?Ⅱ V 2.91软件平台[9]。根据控制电路功能需求设计5个控制任务并分配不同的优先级，任务之间通过邮箱传递数据，系统任务优先级规划如表1所示。优先级高（数值小）代表任务有较高CPU使用权，向充电机发送充电控制任务负责发送开启充电和停止充电指令，享有最高优先级，确保出现异常故障即刻停止充电。
充电桩硬件控制电路接收APP客服端发送的指令开启充电，充电模式分为自动充（充满为止）、定量充、定时充3种，定时充是由用户设定充电时长，定时充程序流程图如图5所示。用户选择定时充电，等待充电枪连接后锁定充电枪开启充电，实时判断充电时间是否结束、电池是否充满、是否收到结束充电指令，任一条件满足结束充电，等待用户支付，解锁充电枪完成此次充电。充电过程将充电桩输出状态信息通过蓝牙模块发送至APP客服端，充电过程出现异常立即结束充电，并将故障信息写入E2PROM，等待蓝牙连通上传至服务器。
2.2 APP客服端
APP客服端作为用户、控制电路、服务器三者的信息处理平台，在系统中起着至关重要的作用，客服端采用C/S结构体系，按照人机界面、业务逻辑、功能应用三层结构设计[10]。APP客服端主要负责用户管理、人机交互、充电桩搜索、智能预约排队充电、充电模式选择、故障日志上传、社区互动、账单支付等功能。为满足用户需求分别设计了支持Android和IOS版本的客服端。
（1） 用户管理。用户通过手机号码完成注册，APP客服端通过手机号作为用户ID完成信息管理。
（2） 人机交互。通过交互界面可完成信息查询，指令下达，充电机状态信息显示。
（3） 充电桩搜索。服务器数据库录入充电桩的坐标信息和惟一标识码，APP客服端调用百度地图获取附近充电桩位置和空闲状态。
（4） 智能预约排队充电。可提前预约充电场地和充电时间，当前无空闲充电桩可用也可使用智能排队充电，将备用充电枪和电动汽车相连，等待充电机空闲自动完成充电任务。
（5） 充电桩模式选择。充电桩支持定时充、定量充、自动充三种充电模式。
（6） 故障日志上传。充电过程出现故障，APP客服端会将错误信息上传给服务器，供运营商排除故障。
（7） 社区互动。针对每一个充电场地设置互动社区，用户可留言讨论，方便其他用户的同时反馈用户意见，方便运营商改进服务质量。
（8） 账单支付。充电完成，APP客服端可使用支付宝、微信、银联等方式完成支付。
2.3 云服务器
简单的通信方式意味着云服务后台有着强大的数据处理、加工能力，云服务器主要由超级计算机、大型信息存储单元、网络通信设备、平台软件等部分组成。为满足用户全方位需求和运营商复杂的增值业务，云服务器具有高可靠性、广泛适用性、可扩展性[11]等特点。云平台开发主要围绕数据处理、数据分析、数据共享三个方向展开。
（1） 数据处理。针对充电桩充电环节中多级客户需求，利用云技术和计算机数据加工存储功能完成来自终端的海量终端设备和后台管理员的数据处理。为满足大量客户集中访问，避免高并发现象，使用高性能的服务器、数据库以及负载均衡技术缓解服务器压力。
（2） 数据分析。云服务器通过对海量充电信息进行深度挖掘，运用相应的数据挖掘算法和数据分析方式深度解析充电时间和地点等数据，为电网用户、运营商、电力公司提供一个标准、高效、快捷的数据后台接口。
（3） 数据共享。针对数据处理过程中的数据共享、交换难题，设计一种数据共享交换平台。数据共享平台建设遵循标准化、规范化、开放性、全面集成原则，对多级用户需求采用分层设计，制定规范数据接口，确保数据互用，多级子系统差异数据统一融合处理。
3 应用实例
系统委托深圳天瑞科技有限公司进行测试，目前已经通过测试开始面向湖北部分地区推广使用。通过对大型地下停车场、小区、偏远村庄等多个复杂环境进行现场实测，数据均符合要求。APP功能展示如图6所示，用户在客户端首页可获取附近充电桩地址、空闲状态、资费等信息，用户根据需求预约相应的快充和慢充地点，配合地圖导航到达目的地选择相应的充电模式开启充电，充电过程中可实时获取当前充入电量、剩余充电时间等状态信息，充电中途用户离开充电桩，系统也可根据预先设定模式完成充电操作，现场实测快充模式下1 h可完成80%的电量，充电结束，用户可选择使用支付宝、微信完成支付。
4 结 论
系统基于蓝牙通信优势和手机强大的通信网络，结合APP客服端和云服务器设计一种适合广泛推广的新型充电桩控制系统。解决传统充电桩控制系统中充电机、客户端、服务器之间数据通信复杂，面向多种环境通信不兼容的问题，简化数据链路，降低设备成本，通过APP客服端即可完成预约充电、地图导航、移动支付等功能，方便快捷，结合云服务后台为用户的个性化需求、运行商推广、电网用电分析提供有力支持。
参考文献
[1] 李良，郭艺.充电桩建设面临的突出问题及亟待落实的政策[J].中国能源，2016，38（1）：37?40.
[2] 国务院办公厅.关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见[EB/OL].[2015?10?09].http：//www.gov.cn/xinwen/2015?10/09/Content_2944047.htm.
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[7] 许炳华，潘明.基于J1939协议的车辆通信系统的设计[J].科学技术与工程，2012，12（33）：9114?9117.
[8] 刘百芬，李图之，陈鹏展.基于nRF51822的汽车无线姿态测量系统设计[J].科学技术与工程，2014，14（17）：87?91.
[9] 王磊，王耀南，陈斯斯，等.μC/OS? II在嵌入式智能视觉监控系统中的应用[J].微计算机信息，2008，24（11）：6?8.
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