隨著國家對(dui)(dui)新能(neng)源技術的大力(li)扶持，電(dian)(dian)(dian)動汽車(che)(che)逐(zhu)漸成(cheng)為(wei)國家在新能(neng)源汽車(che)(che)產業大力(li)發(fa)展(zhan)的對(dui)(dui)象，而電(dian)(dian)(dian)動汽車(che)(che)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)站、快(kuai)速(su)(su)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)是電(dian)(dian)(dian)動汽車(che)(che)大規模化后不可或缺的服務基礎(chu)設(she)施之一。大量分(fen)布于(yu)各住宅小(xiao)區、停(ting)車(che)(che)場的電(dian)(dian)(dian)動汽車(che)(che)用非車(che)(che)載智能(neng)快(kuai)速(su)(su)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)，實現高(gao)效(xiao)、安全、智能(neng)化的管理(li)必定成(cheng)為(wei)主流。針(zhen)對(dui)(dui)目前快(kuai)速(su)(su)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)群(qun)實行(xing)無人(ren)值守的運行(xing)情況，這就(jiu)要(yao)求(qiu)快(kuai)速(su)(su)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)須具(ju)有較高(gao)的可靠性和(he)自(zi)動化程度，功能(neng)更加完善，可遠程維護(hu)等功能(neng)。

　　這樣，使得分布式、模(mo)塊(kuai)化(hua)(hua)(hua)、智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)(hua)成為(wei)(wei)快速充電(dian)機(ji)的(de)發展方向，而高性能(neng)、低成本的(de)充電(dian)機(ji)監(jian)控終(zhong)(zhong)端是其中的(de)關(guan)鍵技術(shu)。為(wei)(wei)管(guan)理區域(yu)多臺(tai)充電(dian)機(ji)的(de)資源優化(hua)(hua)(hua)利用(yong)與管(guan)理的(de)智(zhi)能(neng)化(hua)(hua)(hua)，監(jian)控終(zhong)(zhong)端與Internet網的(de)交互成為(wei)(wei)一種必(bi)然。

　　1 監控網絡的整體方案

　　如圖1的的(de)監(jian)控(kong)網絡(luo)結(jie)構圖所示，監(jian)控(kong)終端(duan)(duan)作為充電機(ji)與(yu)監(jian)控(kong)中心之間的一個重要網關。其有效的通信鏈路有：監(jian)控(kong)中心-監(jian)控(kong)終端(duan)(duan)；監(jian)控(kong)終端(duan)(duan)-充電機(ji)（或電池管理(li)系統（BMS）、電動(dong)汽車等(deng)）。

　　

　　通(tong)(tong)過(guo)監(jian)控(kong)(kong)終端(duan)作為媒介，實(shi)(shi)現了監(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心與(yu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)及(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)動汽(qi)車的通(tong)(tong)信(xin)鏈路的建立。終端(duan)通(tong)(tong)過(guo)CAN網(wang)絡與(yu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)、BMS及(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)動汽(qi)車等相(xiang)(xiang)互通(tong)(tong)信(xin)，采(cai)集相(xiang)(xiang)關節點(dian)的數據信(xin)息并(bing)存儲，并(bing)將相(xiang)(xiang)關信(xin)息反饋給(gei)充(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)。充(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)根據相(xiang)(xiang)關信(xin)息從而(er)實(shi)(shi)現電(dian)(dian)(dian)動汽(qi)車電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的智能充(chong)電(dian)(dian)(dian)。終端(duan)與(yu)監(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心之間是通(tong)(tong)過(guo)GPRS連(lian)接通(tong)(tong)信(xin)，終端(duan)將充(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)、電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)、電(dian)(dian)(dian)動汽(qi)車等相(xiang)(xiang)關數據傳回(hui)監(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心，監(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心實(shi)(shi)現對充(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的遠程控(kong)(kong)制(zhi)和實(shi)(shi)時監(jian)控(kong)(kong)功(gong)能，記錄充(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的運行及(ji)(ji)故障情況。車主(zhu)可(ke)以由監(jian)控(kong)(kong)中(zhong)心查(cha)詢了解(jie)當前(qian)空閑(xian)的充(chong)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)位置，實(shi)(shi)現資源充(chong)分利用。

　　2 監控終端功能模塊

　　2.1 監控終端的總體設計

　　監(jian)控(kong)終端(duan)(duan)是連接監(jian)控(kong)中心與充電機的(de)橋梁。其總體設計結構如圖2所(suo)示(shi)，監(jian)控(kong)終端(duan)(duan)主要(yao)由Cortex- M3 內(nei)(nei)核(he)的(de)STM32ZGT6 的(de)核(he)心模(mo)(mo)塊(kuai)、數(shu)(shu)據(ju)采集(ji)模(mo)(mo)塊(kuai)（CAN 網絡）、用戶計費交互信(xin)息模(mo)(mo)塊(kuai)、數(shu)(shu)據(ju)存儲(chu)模(mo)(mo)塊(kuai)、實時時鐘(zhong)模(mo)(mo)塊(kuai)和GPRS通信(xin)模(mo)(mo)塊(kuai)6個部(bu)分所(suo)組成。終端(duan)(duan)采用Co-tex-M3內(nei)(nei)核(he)的(de)STM32ZGT6微處(chu)理(li)器芯片(pian)。該單(dan)片(pian)機具有豐富的(de)片(pian)上硬(ying)件資源，內(nei)(nei)含CAN 2.0B的(de)控(kong)制器，以及多達4 個串口，滿足終端(duan)(duan)CAN 與GPRS 網絡接口的(de)需求。

　　

　　監(jian)控終端的工(gong)作流程如下：用(yong)戶(hu)計費(fei)模(mo)(mo)塊讀(du)取用(yong)戶(hu)信息以及(ji)選擇充電模(mo)(mo)式(shi)，通過CAN 網絡向充電模(mo)(mo)塊發(fa)送(song)相應(ying)充電命令；同時監(jian)控終端讀(du)取CAN 網絡中(zhong)的關鍵數據幀如充電機的運行狀(zhuang)況(kuang)等(deng)，并將數據保存(cun)于NandFlash中(zhong)。

　　定(ding)時(shi)將當前(qian)充電(dian)用(yong)戶(hu)信息和(he)充電(dian)機等運(yun)行參數(shu)通過(guo)GPRS 發(fa)送到監控中(zhong)心。監控終端可以根據用(yong)戶(hu)的需要，打印用(yong)戶(hu)的余額(e)或收費憑據等。

　　2.2 CAN總線模塊

　　為了(le)更好(hao)地保證CAN 總線可靠的(de)(de)(de)傳輸，系統定(ding)義了(le)一套通用的(de)(de)(de)應用層的(de)(de)(de)CAN 總線協議。主要針對CAN 2.0B協議的(de)(de)(de)報文ID進行(xing)了(le)分配及(ji)定(ding)義。

　　如表(biao)1 所(suo)示。

　　

　　（1）優先(xian)級(ji)確(que)定(ding)。CAN協議(yi)規定(ding)報(bao)文(wen)ID越小，其報(bao)文(wen)的優先(xian)級(ji)越高(gao)。在競爭(zheng)總(zong)(zong)(zong)線時，優先(xian)級(ji)高(gao)的報(bao)文(wen)優先(xian)發送，優先(xian)級(ji)低(di)(di)的退出總(zong)(zong)(zong)線競爭(zheng)。CAN 總(zong)(zong)(zong)線競爭(zheng)的算(suan)法效率很(hen)高(gao)，是一種非破壞(huai)性(xing)競爭(zheng)［3］。因CAN協議(yi)規定(ding)標識符由高(gao)至(zhi)低(di)(di)，前7位不能全為顯性(xing)位。所以優先(xian)級(ji)1111b保留，故系統具有(you)15 級(ji)優先(xian)級(ji)別。

　　（2）類(lei)型碼。協議將ID24~ID22 規(gui)定消息的類(lei)型。

　　在本(ben)系統中，用到的(de)消息(xi)類型(xing)主要(yao)有：控(kong)制、狀(zhuang)態、測(ce)量、警(jing)告和廣播5 種類型(xing)。根據將類型(xing)碼的(de)具體分配如表(biao)2所(suo)示(shi)。

　　

　　（3）源地(di)(di)址(zhi)。協議規定ID12~ID16 為(wei)源地(di)(di)址(zhi)，ID17~ID21為(wei)目標地(di)(di)址(zhi)，進而標識報文的各接收節點(dian)與發送節點(dian)。5位(wei)地(di)(di)址(zhi)位(wei)，保留(liu)11111b為(wei)廣播(bo)地(di)(di)址(zhi)，可以確定31個控制節點(dian)，可滿足(zu)電動汽(qi)車充電機的監控需求。在此系統中，定義00000b為(wei)監控終(zhong)端，00001b為(wei)充電機節點(dian)，00010b為(wei)電池管理系統（BMS）節點(dian)。

　　（4）分段(duan)碼。因不(bu)同的節點所(suo)(suo)發送(song)(song)的數(shu)據(ju)量不(bu)同，可(ke)能會出現一個(ge)數(shu)據(ju)幀不(bu)能把從(cong)底層采集到的數(shu)據(ju)一次性(xing)發送(song)(song)完畢（即超(chao)過8 個(ge)字節的情況）。協議中將ID11~ID4定義為分段(duan)碼，如表3所(suo)(suo)示。

　　

　　在(zai)表3 中，某節點的數(shu)據幀由分段碼00H 開始，由FFH結束，最大可支(zhi)持發送256×8字節的數(shu)據。若該節點只有一幀數(shu)據，定義FFH同(tong)時也為單(dan)幀數(shu)據。

　　例如，BMS節點(dian)，包(bao)含了電(dian)池(chi)(chi)組(zu)總(zong)電(dian)壓、電(dian)池(chi)(chi)組(zu)總(zong)電(dian)流、電(dian)池(chi)(chi)組(zu)SoC、電(dian)池(chi)(chi)組(zu)各(ge)個(ge)(ge)(ge)箱體（9個(ge)(ge)(ge)）的溫(wen)度以及電(dian)池(chi)(chi)組(zu)狀(zhuang)態(tai)的信息等。每個(ge)(ge)(ge)數據(ju)占用(yong)2 B.顯然一個(ge)(ge)(ge)數據(ju)幀(zhen)是無法(fa)發(fa)(fa)送該節點(dian)的全部信息，故(gu)須采(cai)用(yong)多幀(zhen)方式發(fa)(fa)送。

　　2.3 數據發送模塊

　　終端(duan)是通過串口外接(jie)周立功GPRS 模塊（ZWG-23A）連接(jie)到互聯網(wang)。通過GPRS網(wang)絡(luo)上網(wang)，連接(jie)到服務器之后(hou)，按照(zhao)通信協(xie)(xie)議定時向服務器發送數(shu)據(ju)。根據(ju)《深(shen)圳市電動汽車充電系統(tong)技術規范(fan)》標(biao)(biao)準文件，協(xie)(xie)議由(you)報文起始標(biao)(biao)識、版本號、命(ming)令字、報文長度(du)、數(shu)據(ju)內容、校檢碼等組成的，其具體格(ge)式如表4 所示(shi)。

　　

　　（1）起始標識。設(she)為0xFAF5，用于(yu)喚醒(xing)接收(shou)方準備接收(shou)數據。

　　（2）報文長度。是由(you)［發送序列(lie)號］到［數據內容］的總長度。

　　（3）校驗碼。是從［起始標(biao)識］到［數據內容(rong)］的無進位累加和。

　　（4）接收(shou)（發送(song)）方類(lei)型與地(di)址(zhi)(zhi)。監控中心為(wei)(wei)(wei)類(lei)型為(wei)(wei)(wei)“業務(wu)服務(wu)平臺”，其(qi)數值為(wei)(wei)(wei)1，其(qi)地(di)址(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)在此(ci)類(lei)型碼下的(de)(de)某一(yi)個(ge)(ge)惟一(yi)地(di)址(zhi)(zhi)；終(zhong)端的(de)(de)類(lei)型為(wei)(wei)(wei)“調(diao)度終(zhong)端”，其(qi)數值為(wei)(wei)(wei)255，地(di)址(zhi)(zhi)為(wei)(wei)(wei)此(ci)類(lei)型下的(de)(de)某一(yi)個(ge)(ge)惟一(yi)地(di)址(zhi)(zhi)。

　　（5）數據內(nei)容與命令字：不同的命令字決(jue)定該報(bao)文所攜帶(dai)的數據的內(nei)容的構成及所占用的字節數。

　　數(shu)(shu)據(ju)內容一般由一個或多個數(shu)(shu)據(ju)對(dui)(dui)象(xiang)(xiang)組合而(er)成(cheng)(cheng)，也可以為空。發送方在應(ying)(ying)答非正常(chang)或無應(ying)(ying)答的(de)情況(kuang)下，每條數(shu)(shu)據(ju)報文最多重(zhong)復發6次，每次間隔時(shi)間為30 s.數(shu)(shu)據(ju)內容根據(ju)命令字(zi)的(de)不同(tong)(tong)其所組成(cheng)(cheng)的(de)數(shu)(shu)據(ju)對(dui)(dui)象(xiang)(xiang)也不同(tong)(tong)，通常(chang)情況(kuang)下，終端與監控中心的(de)通信包括終端注冊(ce)、中心應(ying)(ying)答、終端就緒(xu)、定(ding)時(shi)發送4個階(jie)段。部分命令字(zi)與對(dui)(dui)應(ying)(ying)的(de)數(shu)(shu)據(ju)內容見表5所示(shi)。

　　

　　3 軟件設計

　　3.1 μC/OS-Ⅱ的多任務管理

　　移(yi)植μC/OS-Ⅱ實時操作系(xi)(xi)統(tong)(tong)為監(jian)(jian)控(kong)終端的(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)平(ping)臺，該(gai)系(xi)(xi)統(tong)(tong)是可剝奪性多任務(wu)(wu)(wu)內核的(de)(de)實時操作系(xi)(xi)統(tong)(tong)，具有實時、可裁剪、可靠和穩定性等(deng)優點(dian)。μC/OS-Ⅱ的(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)資源豐富，除去(qu)自身的(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)任務(wu)(wu)(wu)外(wai)，用戶可以建(jian)立(li)多達56個任務(wu)(wu)(wu)，并提(ti)供信號量、消(xiao)息(xi)郵箱(xiang)、消(xiao)息(xi)隊列及內存(cun)管(guan)理等(deng)系(xi)(xi)統(tong)(tong)級服務(wu)(wu)(wu)，足(zu)以滿足(zu)充電(dian)樁的(de)(de)監(jian)(jian)控(kong)終端的(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)要求(qiu)。

　　為實現監控終端的(de)(de)功能要求，在μC/OS-Ⅱ中設計了以下13個任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)：顯(xian)示任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、鍵(jian)盤查詢(xun)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、輸入處理任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、打印任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、數(shu)據(ju)的(de)(de)存儲任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、IC 卡(ka)的(de)(de)讀(du)/寫任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、GPRS 的(de)(de)發送(song)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、CAN 數(shu)據(ju)的(de)(de)接收任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、CAN 數(shu)據(ju)的(de)(de)發送(song)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、GPRS的(de)(de)接收任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、命令控制(zhi)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)、報警(jing)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)及看門狗的(de)(de)喂狗和異(yi)常檢測任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)。

　　μC/OS-Ⅱ的(de)(de)多任(ren)務(wu)(wu)(wu)的(de)(de)特(te)點，規定每(mei)個任(ren)務(wu)(wu)(wu)都必須具有不(bu)同的(de)(de)優(you)先(xian)級。根據任(ren)務(wu)(wu)(wu)的(de)(de)關聯性(xing)、關鍵性(xing)、緊迫性(xing)、頻繁性(xing)、實時(shi)要(yao)求性(xing)來確定任(ren)務(wu)(wu)(wu)的(de)(de)優(you)先(xian)級，既要(yao)保證每(mei)個任(ren)務(wu)(wu)(wu)的(de)(de)相對獨立性(xing)，又要(yao)避免(mian)任(ren)務(wu)(wu)(wu)調度頻繁致使系統的(de)(de)效率下降。任(ren)務(wu)(wu)(wu)的(de)(de)優(you)先(xian)級規劃如表6所示。

　　

　　表(biao)1 中基本數(shu)據包(bao)括城市區(qu)號、停(ting)車場序號、充(chong)電樁位置(zhi)信息、報文發送時間以及充(chong)電機、BMS和用戶IC卡的相關信息共計209 B.

　　表中各任(ren)(ren)務(wu)優先級之間(jian)保留(liu)一(yi)定(ding)的(de)間(jian)隔(ge)，方(fang)便系(xi)(xi)(xi)統以后(hou)的(de)改進和(he)升(sheng)級。系(xi)(xi)(xi)統設定(ding)時(shi)鐘(zhong)節(jie)拍為10 ms，滿(man)足充電樁的(de)實時(shi)性要求。μC/OS-Ⅱ系(xi)(xi)(xi)統利用信(xin)號量、消(xiao)息(xi)郵箱和(he)消(xiao)息(xi)隊列三種通(tong)信(xin)方(fang)式將本(ben)系(xi)(xi)(xi)統中的(de)13個應用任(ren)(ren)務(wu)關聯在一(yi)起，其關系(xi)(xi)(xi)如圖3所示。

　　

　　3.2 ZWG-23A模塊的配置

　　ZWG-23A 通過(guo)串口與終端鏈接，它通過(guo)移動通信(xin)的(de)GPRS 網絡鏈接互(hu)聯網。由于周立(li)功公(gong)司并沒(mei)有提(ti)供(gong)基于μC/OS-Ⅱ的(de)DTU 配(pei)置(zhi)程(cheng)序，所以系統中需要自(zi)行開發(fa)相關的(de)配(pei)置(zhi)程(cheng)序，其配(pei)置(zhi)DTU 的(de)程(cheng)序流程(cheng)圖如圖4所示。

　　

　　假設(she)終端(duan)(duan)每天(tian)與中心連接(jie)注冊一(yi)(yi)(yi)次，以每隔(ge)30 s的(de)心跳時間定時向中心發(fa)送監控(kong)信息(xi)，根據表6數據內容字節計算，一(yi)(yi)(yi)臺終端(duan)(duan)一(yi)(yi)(yi)天(tian)發(fa)送報(bao)文所(suo)產(chan)生的(de)GPRS流量大(da)約為(wei) （228 × 2 × 60 × 24 + 294 × 2 + 100） （128 × 1 024） =5 MB，以每月(yue)30天(tian)計算，一(yi)(yi)(yi)年一(yi)(yi)(yi)臺終端(duan)(duan)所(suo)產(chan)生的(de)GPRS流量為(wei)1.7 GB.采用(yong)2 GB的(de)包年流量套(tao)餐足以滿足終端(duan)(duan)一(yi)(yi)(yi)年所(suo)產(chan)生的(de)流量費。

　　4 結語

　　本(ben)文研究了電(dian)動汽車快速充電(dian)機監控網絡的(de)結構組成，詳(xiang)細分析了監控終端的(de)通信網絡的(de)CAN與GPRS的(de)通信應(ying)用(yong)層協議(yi)。其CAN 網絡協議(yi)具(ju)有廣泛的(de)通用(yong)性，GPRS的(de)流量少，可推廣到自(zi)動化的(de)其他領域中的(de)應(ying)用(yong)。