隨著國家對新能源技(ji)術(shu)的大(da)力扶持(chi)，電動(dong)汽(qi)車逐漸成為國家在新能源汽(qi)車產(chan)業大(da)力發展(zhan)的對象，而電動(dong)汽(qi)車充(chong)(chong)電站、快速充(chong)(chong)電機(ji)是電動(dong)汽(qi)車大(da)規(gui)模化后不可或缺的服務基礎(chu)設施之(zhi)一(yi)。大(da)量分布于各住宅小區、停車場(chang)的電動(dong)汽(qi)車用非(fei)車載(zai)智能快速充(chong)(chong)電機(ji)，實現高(gao)效(xiao)、安全(quan)、智能化的管(guan)理必定成為主(zhu)流。針(zhen)對目前快速充(chong)(chong)電機(ji)群實行無人值(zhi)守的運行情況，這就要求(qiu)快速充(chong)(chong)電機(ji)須具有較高(gao)的可靠性和自(zi)動(dong)化程度，功能更(geng)加完善(shan)，可遠程維護等功能。

　　這樣，使得分(fen)布式、模(mo)塊化(hua)(hua)、智能(neng)化(hua)(hua)成為(wei)(wei)快速充電(dian)機的(de)發(fa)展方向，而高性能(neng)、低成本的(de)充電(dian)機監控終端是其中的(de)關鍵(jian)技術(shu)。為(wei)(wei)管(guan)理(li)區(qu)域(yu)多(duo)臺(tai)充電(dian)機的(de)資源優化(hua)(hua)利用與管(guan)理(li)的(de)智能(neng)化(hua)(hua)，監控終端與Internet網的(de)交互成為(wei)(wei)一(yi)種必(bi)然。

　　1 監控網絡的整體方案

　　如圖1的的監控(kong)網絡結構圖所示，監控(kong)終端(duan)(duan)作為充電(dian)機(ji)與(yu)監控(kong)中心之間的一個重要網關。其有效的通信(xin)鏈路有：監控(kong)中心-監控(kong)終端(duan)(duan)；監控(kong)終端(duan)(duan)-充電(dian)機(ji)（或電(dian)池管理系(xi)統（BMS）、電(dian)動汽車等(deng)）。

　　

　　通過監(jian)(jian)控(kong)(kong)終(zhong)端(duan)作為(wei)媒(mei)介，實現(xian)了監(jian)(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心(xin)與(yu)(yu)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)及(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)(qi)車(che)的(de)(de)通信(xin)(xin)(xin)鏈(lian)路的(de)(de)建立。終(zhong)端(duan)通過CAN網絡與(yu)(yu)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)、BMS及(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)(qi)車(che)等(deng)相互通信(xin)(xin)(xin)，采集相關節點的(de)(de)數(shu)據(ju)信(xin)(xin)(xin)息(xi)并(bing)存儲，并(bing)將相關信(xin)(xin)(xin)息(xi)反饋給充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)。充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)根(gen)據(ju)相關信(xin)(xin)(xin)息(xi)從而實現(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)(qi)車(che)電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)智能(neng)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。終(zhong)端(duan)與(yu)(yu)監(jian)(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心(xin)之間是通過GPRS連接通信(xin)(xin)(xin)，終(zhong)端(duan)將充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)、電(dian)(dian)(dian)(dian)池、電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)(qi)車(che)等(deng)相關數(shu)據(ju)傳回監(jian)(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心(xin)，監(jian)(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心(xin)實現(xian)對(dui)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)遠程控(kong)(kong)制和實時監(jian)(jian)控(kong)(kong)功(gong)能(neng)，記錄充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)運行及(ji)故障情況(kuang)。車(che)主可(ke)以(yi)由監(jian)(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心(xin)查詢了解(jie)當(dang)前空閑的(de)(de)充(chong)(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)位置，實現(xian)資源充(chong)(chong)(chong)(chong)分利(li)用。

　　2 監控終端功能模塊

　　2.1 監控終端的總體設計

　　監控(kong)(kong)終端是連接監控(kong)(kong)中心與(yu)充電機的橋梁(liang)。其總體設(she)計結構如圖(tu)2所(suo)示，監控(kong)(kong)終端主要(yao)由Cortex- M3 內(nei)(nei)核的STM32ZGT6 的核心模(mo)塊、數據采集模(mo)塊（CAN 網絡）、用(yong)戶計費交(jiao)互信(xin)息模(mo)塊、數據存儲模(mo)塊、實時(shi)時(shi)鐘(zhong)模(mo)塊和GPRS通(tong)信(xin)模(mo)塊6個部分所(suo)組成。終端采用(yong)Co-tex-M3內(nei)(nei)核的STM32ZGT6微處理器芯(xin)片(pian)。該單片(pian)機具有豐富的片(pian)上硬件資源，內(nei)(nei)含CAN 2.0B的控(kong)(kong)制器，以及(ji)多(duo)達4 個串口，滿足終端CAN 與(yu)GPRS 網絡接口的需求。

　　

　　監控終端的(de)工作流程如下：用戶計(ji)費(fei)模(mo)塊(kuai)讀取用戶信(xin)息以及選擇充(chong)電(dian)模(mo)式，通過CAN 網絡(luo)向(xiang)充(chong)電(dian)模(mo)塊(kuai)發(fa)送相應充(chong)電(dian)命令；同時監控終端讀取CAN 網絡(luo)中的(de)關鍵(jian)數據幀如充(chong)電(dian)機的(de)運行狀(zhuang)況等，并將數據保存于NandFlash中。

　　定時將(jiang)當前(qian)充(chong)(chong)電用(yong)戶信(xin)息(xi)和(he)充(chong)(chong)電機等運行參數通過GPRS 發送到(dao)監(jian)(jian)控中心。監(jian)(jian)控終端可(ke)以根(gen)據用(yong)戶的需要，打印用(yong)戶的余(yu)額(e)或收(shou)費(fei)憑據等。

　　2.2 CAN總線模塊

　　為了(le)更好地保證CAN 總線可靠的傳輸(shu)，系(xi)統定(ding)義(yi)了(le)一套(tao)通用的應用層的CAN 總線協議。主(zhu)要針對CAN 2.0B協議的報文(wen)ID進(jin)行了(le)分配及定(ding)義(yi)。

　　如表1 所示。

　　

　　（1）優(you)(you)(you)先(xian)級(ji)確定(ding)。CAN協議(yi)規定(ding)報(bao)文(wen)ID越小，其報(bao)文(wen)的(de)(de)優(you)(you)(you)先(xian)級(ji)越高。在競(jing)爭(zheng)總線(xian)時，優(you)(you)(you)先(xian)級(ji)高的(de)(de)報(bao)文(wen)優(you)(you)(you)先(xian)發送，優(you)(you)(you)先(xian)級(ji)低的(de)(de)退出總線(xian)競(jing)爭(zheng)。CAN 總線(xian)競(jing)爭(zheng)的(de)(de)算法效率(lv)很(hen)高，是一種(zhong)非破(po)壞性(xing)競(jing)爭(zheng)［3］。因CAN協議(yi)規定(ding)標識符由高至低，前7位不(bu)能(neng)全為顯(xian)性(xing)位。所以優(you)(you)(you)先(xian)級(ji)1111b保留，故(gu)系統具(ju)有15 級(ji)優(you)(you)(you)先(xian)級(ji)別。

　　（2）類型碼。協(xie)議將(jiang)ID24~ID22 規定消息的(de)類型。

　　在(zai)本系(xi)統中(zhong)，用到的消(xiao)息(xi)類型(xing)主要有(you)：控制、狀態、測量、警告和(he)廣播(bo)5 種類型(xing)。根據將類型(xing)碼(ma)的具體分配(pei)如表2所示(shi)。

　　

　　（3）源地(di)址(zhi)(zhi)(zhi)。協議規(gui)定ID12~ID16 為源地(di)址(zhi)(zhi)(zhi)，ID17~ID21為目標(biao)地(di)址(zhi)(zhi)(zhi)，進(jin)而標(biao)識(shi)報文(wen)的各接收節(jie)點(dian)與發(fa)送節(jie)點(dian)。5位地(di)址(zhi)(zhi)(zhi)位，保(bao)留11111b為廣播地(di)址(zhi)(zhi)(zhi)，可以確定31個控制(zhi)節(jie)點(dian)，可滿足電(dian)動汽(qi)車充電(dian)機的監控需求。在此(ci)系統(tong)中，定義00000b為監控終端，00001b為充電(dian)機節(jie)點(dian)，00010b為電(dian)池管(guan)理(li)系統(tong)（BMS）節(jie)點(dian)。

　　（4）分段(duan)碼。因不(bu)(bu)同的(de)節點所發送的(de)數(shu)(shu)據(ju)量不(bu)(bu)同，可能會出現一個(ge)數(shu)(shu)據(ju)幀不(bu)(bu)能把從底層采集到的(de)數(shu)(shu)據(ju)一次性發送完畢（即超過8 個(ge)字節的(de)情況）。協議中將ID11~ID4定義(yi)為分段(duan)碼，如(ru)表3所示。

　　

　　在(zai)表(biao)3 中，某節(jie)(jie)點的(de)數(shu)據(ju)幀由(you)分段碼00H 開始(shi)，由(you)FFH結束，最大可支(zhi)持發送256×8字節(jie)(jie)的(de)數(shu)據(ju)。若(ruo)該節(jie)(jie)點只有一幀數(shu)據(ju)，定(ding)義FFH同時也為單幀數(shu)據(ju)。

　　例如，BMS節(jie)點，包含了電(dian)(dian)池(chi)組總電(dian)(dian)壓(ya)、電(dian)(dian)池(chi)組總電(dian)(dian)流、電(dian)(dian)池(chi)組SoC、電(dian)(dian)池(chi)組各個(ge)箱體（9個(ge)）的溫度(du)以及電(dian)(dian)池(chi)組狀態的信息(xi)等。每個(ge)數據(ju)占用2 B.顯然一個(ge)數據(ju)幀是(shi)無法發(fa)送該節(jie)點的全部信息(xi)，故須采用多幀方式(shi)發(fa)送。

　　2.3 數據發送模塊

　　終端是通過串(chuan)口(kou)外(wai)接(jie)周立功(gong)GPRS 模塊（ZWG-23A）連接(jie)到互聯網。通過GPRS網絡上網，連接(jie)到服務器之后(hou)，按照(zhao)通信協(xie)議定時向(xiang)服務器發(fa)送數(shu)據。根(gen)據《深圳(zhen)市電(dian)動汽車充電(dian)系統技術規范》標準文件，協(xie)議由報(bao)文起始(shi)標識、版本(ben)號、命令字(zi)、報(bao)文長度、數(shu)據內(nei)容、校(xiao)檢碼等組成的，其具體(ti)格式如表4 所示。

　　

　　（1）起始標識。設為0xFAF5，用于喚(huan)醒接收(shou)方準(zhun)備接收(shou)數據。

　　（2）報文長(chang)度。是由(you)［發送序列號］到(dao)［數據內容］的總長(chang)度。

　　（3）校驗碼(ma)。是(shi)從(cong)［起(qi)始標識］到［數據內(nei)容］的無進位累加和。

　　（4）接收（發(fa)送(song)）方類型與地址。監控中心(xin)為(wei)(wei)(wei)類型為(wei)(wei)(wei)“業務(wu)服務(wu)平臺”，其(qi)數(shu)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)1，其(qi)地址為(wei)(wei)(wei)在(zai)此類型碼(ma)下(xia)的某一個惟一地址；終端的類型為(wei)(wei)(wei)“調度終端”，其(qi)數(shu)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)255，地址為(wei)(wei)(wei)此類型下(xia)的某一個惟一地址。

　　（5）數(shu)據內容(rong)與命令字(zi)：不同的命令字(zi)決定該報文所攜帶的數(shu)據的內容(rong)的構成(cheng)及所占用的字(zi)節(jie)數(shu)。

　　數(shu)(shu)據(ju)內容(rong)一(yi)般由一(yi)個或(huo)(huo)多(duo)個數(shu)(shu)據(ju)對(dui)象組(zu)(zu)合(he)而成(cheng)，也(ye)可以為空(kong)。發(fa)送(song)方(fang)在應(ying)(ying)答(da)非正常或(huo)(huo)無應(ying)(ying)答(da)的(de)情況下，每條數(shu)(shu)據(ju)報文最多(duo)重復發(fa)6次，每次間隔時間為30 s.數(shu)(shu)據(ju)內容(rong)根據(ju)命令字的(de)不同其所組(zu)(zu)成(cheng)的(de)數(shu)(shu)據(ju)對(dui)象也(ye)不同，通常情況下，終(zhong)(zhong)端(duan)(duan)與(yu)監(jian)控中心(xin)的(de)通信包(bao)括(kuo)終(zhong)(zhong)端(duan)(duan)注冊(ce)、中心(xin)應(ying)(ying)答(da)、終(zhong)(zhong)端(duan)(duan)就緒(xu)、定時發(fa)送(song)4個階段(duan)。部分命令字與(yu)對(dui)應(ying)(ying)的(de)數(shu)(shu)據(ju)內容(rong)見(jian)表5所示。

　　

　　3 軟件設計

　　3.1 μC/OS-Ⅱ的多任務管理

　　移植μC/OS-Ⅱ實(shi)時(shi)操作系(xi)(xi)統為監(jian)控(kong)終端(duan)(duan)的(de)系(xi)(xi)統平臺，該系(xi)(xi)統是可剝奪(duo)性(xing)多(duo)任(ren)(ren)務(wu)內核的(de)實(shi)時(shi)操作系(xi)(xi)統，具有實(shi)時(shi)、可裁剪、可靠和(he)穩(wen)定性(xing)等優(you)點。μC/OS-Ⅱ的(de)系(xi)(xi)統資源豐富，除(chu)去自身(shen)的(de)系(xi)(xi)統任(ren)(ren)務(wu)外，用戶可以建立(li)多(duo)達(da)56個任(ren)(ren)務(wu)，并提(ti)供信號量、消息郵箱、消息隊列及內存管理等系(xi)(xi)統級(ji)服務(wu)，足以滿足充電樁的(de)監(jian)控(kong)終端(duan)(duan)的(de)系(xi)(xi)統要求。

　　為實現監控終端的(de)功能要求，在(zai)μC/OS-Ⅱ中設(she)計(ji)了(le)以下(xia)13個任務(wu)(wu)(wu)(wu)：顯示任務(wu)(wu)(wu)(wu)、鍵盤查詢任務(wu)(wu)(wu)(wu)、輸入處理任務(wu)(wu)(wu)(wu)、打印任務(wu)(wu)(wu)(wu)、數(shu)據(ju)的(de)存儲(chu)任務(wu)(wu)(wu)(wu)、IC 卡的(de)讀/寫任務(wu)(wu)(wu)(wu)、GPRS 的(de)發送(song)任務(wu)(wu)(wu)(wu)、CAN 數(shu)據(ju)的(de)接收任務(wu)(wu)(wu)(wu)、CAN 數(shu)據(ju)的(de)發送(song)任務(wu)(wu)(wu)(wu)、GPRS的(de)接收任務(wu)(wu)(wu)(wu)、命令控制任務(wu)(wu)(wu)(wu)、報警任務(wu)(wu)(wu)(wu)及看(kan)門狗的(de)喂狗和異常檢測任務(wu)(wu)(wu)(wu)。

　　μC/OS-Ⅱ的(de)(de)(de)(de)多任(ren)務(wu)的(de)(de)(de)(de)特點(dian)，規定(ding)每個(ge)任(ren)務(wu)都(dou)必須具有不同的(de)(de)(de)(de)優先(xian)級。根據任(ren)務(wu)的(de)(de)(de)(de)關聯性(xing)(xing)、關鍵性(xing)(xing)、緊迫性(xing)(xing)、頻繁(fan)性(xing)(xing)、實時(shi)要求性(xing)(xing)來確定(ding)任(ren)務(wu)的(de)(de)(de)(de)優先(xian)級，既要保證每個(ge)任(ren)務(wu)的(de)(de)(de)(de)相對獨立性(xing)(xing)，又(you)要避免任(ren)務(wu)調度頻繁(fan)致使系(xi)統的(de)(de)(de)(de)效率下降。任(ren)務(wu)的(de)(de)(de)(de)優先(xian)級規劃如表(biao)6所(suo)示。

　　

　　表(biao)1 中基本(ben)數據包括城市區號、停車(che)場序號、充電樁位置信息、報文發送時間以及充電機、BMS和用戶IC卡的相關信息共(gong)計(ji)209 B.

　　表(biao)中(zhong)各任務優先級(ji)之(zhi)間保留一(yi)定的(de)間隔，方便系(xi)統以(yi)后的(de)改進和升級(ji)。系(xi)統設定時鐘(zhong)節拍(pai)為10 ms，滿足充(chong)電樁的(de)實(shi)時性要求。μC/OS-Ⅱ系(xi)統利用信號量(liang)、消息(xi)郵箱和消息(xi)隊列三種(zhong)通信方式(shi)將(jiang)本系(xi)統中(zhong)的(de)13個應(ying)用任務關(guan)聯在(zai)一(yi)起，其關(guan)系(xi)如圖3所示。

　　

　　3.2 ZWG-23A模塊的配置

　　ZWG-23A 通(tong)過串口(kou)與終端鏈(lian)(lian)接(jie)(jie)，它通(tong)過移動通(tong)信的GPRS 網絡鏈(lian)(lian)接(jie)(jie)互聯網。由于周立功公司并(bing)沒有(you)提供(gong)基于μC/OS-Ⅱ的DTU 配置程(cheng)(cheng)序，所(suo)以系統中需要自行(xing)開(kai)發相關的配置程(cheng)(cheng)序，其(qi)配置DTU 的程(cheng)(cheng)序流程(cheng)(cheng)圖如圖4所(suo)示。

　　

　　假設終端每天(tian)與中(zhong)(zhong)心(xin)連接注冊(ce)一(yi)次，以(yi)每隔30 s的(de)心(xin)跳時(shi)間定時(shi)向中(zhong)(zhong)心(xin)發(fa)送監控信息，根(gen)據(ju)表6數據(ju)內容字節計算(suan)，一(yi)臺(tai)終端一(yi)天(tian)發(fa)送報文(wen)所(suo)(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)GPRS流量(liang)(liang)大約為 （228 × 2 × 60 × 24 + 294 × 2 + 100） （128 × 1 024） =5 MB，以(yi)每月30天(tian)計算(suan)，一(yi)年一(yi)臺(tai)終端所(suo)(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)GPRS流量(liang)(liang)為1.7 GB.采用2 GB的(de)包年流量(liang)(liang)套餐足以(yi)滿足終端一(yi)年所(suo)(suo)產生(sheng)(sheng)的(de)流量(liang)(liang)費。

　　4 結語

　　本文研究了電(dian)(dian)動汽車快速充電(dian)(dian)機監(jian)控網絡(luo)的結構(gou)組成，詳(xiang)細分(fen)析(xi)了監(jian)控終(zhong)端的通信(xin)網絡(luo)的CAN與GPRS的通信(xin)應用(yong)(yong)層協議(yi)。其CAN 網絡(luo)協議(yi)具(ju)有廣泛(fan)的通用(yong)(yong)性(xing)，GPRS的流量少(shao)，可推廣到自(zi)動化的其他領域中的應用(yong)(yong)。