基于 ARM 的电瓶车安全在线充电系统
摘要：基于 ARM 硬件平台，研究了电瓶车充电技术，提出了一种智能型电瓶车在线安全充电系统，该系统可根据实际充电情况实现智能断电，同时提供给用户一种远程充电、断电的平台，目的是防止电瓶车过度充电引发电瓶损伤和火灾等事故的发生。
关键词：ARM；电瓶车；充电
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0056-02.
0 引言
随着社会的发展，城市电瓶车数量迅猛发展，目前制约电瓶车行业发展的最大问题是电瓶问题，电瓶作为电瓶车的核心部件，选择最佳的充电方式至关重要，现有的几种充电方式均不太理想：首先，人为断电最无法保证电瓶安全，可能出现几天不断电的情况，事故多发皆由此生[1]；其次，投币式快速充电装置多采用大电流加反脉冲的工作原理，本身对电瓶即有损害，且充电时长仅取决于投币多少，时间到即断电，该时长不一定是最佳时间，多适用于车无电且急需用电的情况[2]；此外，自定义延时插座由于需在插座上另加延时插座，在公共场所容易被偷，且延时也仅从时间角度考虑，无法针对电瓶电量情况而自动确定[3]。
本文提出了一种基于ARM的电瓶车在线安全充电系统，包含多个现场充电装置，可根据实际的充电情况智能断电，同时提供给用户一个远程充电、断电的平台，可使得忘记拔充电的用户自动切断充电回路，以防电瓶的损伤和火灾等事故的发生。
1 系统结构设计
系统的总体设计方案如图 1 所示：本系统包括两套以上的现场充电装置，单套现场充电装置中包括现场充电的控制器一套，设置在充电插座低压回路中的电流传感器以 4~20mA模拟信号形式和控制器连接，在充电插座的插孔内设置机械式限位开关，限位开关触点和控制器相连，第一继电器和第二继电器设置在充电插座的低压回路中，第一继电器和第二继电器和控制器用以控制充电插座的电流通断，控制器以RS485形式连接票据打印机，同时现场所有充电装置的控制器集中连接至局域网，局域网内设有平台服务器搭建软件平台，平台服务器与外部互联网相连，通过互联网与用户的手机和电脑实现通讯。充电插座的低压回路供用户充电。
图 1 系统总体设计方案
其中，充电插座、票据打印机固定在墙壁上，控制器、电流 传感器、限位开关、第一继电器和第二继电器均在墙壁内部或背面隐式安装。
2 工作原理
本系统由 32 位 MCU 为主控制器，通过 A/D 转换,把信号送往 MCU 进行处理, 系统的主控制器采用 LM3S1138 微控制器，该微控制器围绕 ARM Cortex-M3 处理器内核来设计的。
Cortex-M3 是首款基于 ARMv7-M 架构的 ARM 处理器。
本系统采用现场多信号转换控制技术，根据充电回路电流的计算、普遍充电时间和远程用户的控制综合管理电瓶车充电时间。具体为以下几点。
2.1 限位采集
本系统利用充电插座内的限位开关感知是否有插头插入，当有插头插入时控制器开始运算处理并输出控制，当插头拔出时控制器停止控制工作，仅实现上位机的通讯巡回诊断，并恢复继电器 1、2 的状态。
2.2 电流信息的采集
本系统采用电流传感器采集充电回路电流，当电流不为零时利用控制器对电流进行计算，从而对继电器 1、2 实现控制。
2.3 票据打印
当用户将充电器插入充电插座时，限位开关感知有插头插入，则控制器通过RS485 通讯线控制票据打印机打印票据，票据内容包括：平台登录网址及配套二维码、所配随机验证码或用户名和密码。
2.4 控制器的处理与控制
控制器识别限位信息和回路电流信息进行计算处理，当有插头插入充电插座时，开始发送打印信息至票据打印机打印，同时开始充电计时 T1。
充电计时 T1 可按普遍时间规律和远程手动设定的时间来确定，普遍时间规律为大于一般电瓶车充电时长，以便控制器通过电流的计算控制断电，作为电瓶缺水等故障时电流信息不准的保障措施。手动设定优先级高于普遍时间规律，为用户熟知自己电瓶车性能后自定义的时间，当在此时间内充满电后，控制器也将控制回路断电。
充电计时时间内，控制器对充电电流的稳定性进行监控，按时间段计算电流波动偏差：△T=Tn-Tn-1，当|△T|<=T 限值，即当电流波动在可接受范围之内持续 5 分钟后，判定充电已经达到恒流状态（表现为充电器显示绿灯），此时开始延时计时 T2（一般为 1 个小时左右）。
当到达延时时间 T2 或设定时间 T1 后，控制器控制继电器 1、2 断电，断电后持续检测限位开关状态，当插头拔出时 限位开关恢复，此时控制继电器 1、2 恢复以便下次的循环。
控制器另有防浪涌功能，当检测出电流过大处于非正常使用状态时，自动控制继电器 1、2 断电，这样避免了一些事故的发生。
2.5 继电器控制
继电器 1、2 的作用主要是控制充电回路的通断，电充满、电流过大或充电时间到时，控制回路断电，此时插座无电；当限位开关从 1 到 0 时（即拔出插头的过程），继电器失电恢复原样，此时插座内有电。
2.6 系统平台建立与外部通讯
系统平台以平台服务器为载体，可采集多个现场控制器信息，集中式在界面上展现。平台服务器内部软件以 B/S 软件架构搭建，WEB 形式展现，以外部互联网形式发布，可在电脑、手机等可联网的设备上观看并操作。平台中心管理人员可集中监控所有充电电瓶车的状况，发现问题及时联络车主。
而个体用户，即电瓶车车主，可根据所取的票据远程登录平台，用相应的随机验证方式单独操作自己的电瓶车，监控电瓶车的状况。如发生过载使得充电停止后，用户可以手动远程操作控制器，使得电瓶车再次充电。如手动操作后仍然过载跳电，则用户可知需前往查看，更换充电口或者查验是否充电器有问题。
3 结语
本系统改变原有仅从时间上来控制电瓶车断电的方法， 利用插座和电流的信息，结合普遍规律的时间和用户自定义的时间综合控制电瓶车的充电，有助于电瓶的最优利用，保护不受损伤。
首先，用户可通过网络以手机、电脑等远程监控电瓶车充电状态，多模式遥控电瓶车的充断电，实现了信息的远程共享。
管理人员可通过平台实现电瓶车充电的集中式管理。即使用户什么都不操作，系统也可自动对电瓶车实行充电的控制和管理，对忘了拔电的用户提供保障功能。
其次，以票据形式打印充电信息，每次充电配置随机验证信息，除管理中心外每个人仅能操作自己的电瓶车，使得恶作剧的形式无处遁形。
最后，系统不对外部进行改造，而以暗装方式安装，避免了装置被盗的情况，且充电场所可开放公共用户，无需收费，避免了很多麻烦，可设置在办公楼、大型商场等公共场所，可大大方便用户，提高公共场所口碑。
参考文献：
[1] 曹奇.电瓶车火灾的发生机理与防范对策[C].中囯消防协会电气防火专业委员会, 2008
[2] 王刚,张万民.电动车充电过程起火原因分析及技术防范措施[J].消防科学与技术, 2012 (12)
[3] 陈玲君.电瓶车充电停车智能管理系统[J].电子测试,2015 (3)作者简介：瞿国庆（1976-），男，高级工程师，研究方向为计算机及物联网应用技术。
