电动汽车充电远程监控装置研究

摘要：本文结合电动汽车市场发展的需求，研究了一种基于单片机控制的、运用GSM模块进行通信，以用户手机作为监控终端的电动汽车充电远程监控装置。本装置中下位机硬件设计选用当今流行的电子器件及单片机进行测控，采用成熟的典型电路，工作可靠。在测控和通信软件设计中，单片机与GSM模块之间采用串行通信，GSM模块与手机之间采用短信的方式进行无线通信。上位机软件设计中，选用占市场份额70%以上的Android系统为手机平台，程序模块之间耦合度低，人机界面简洁易用，便于操作使用。

关键词：电动汽车；充电；远程监控；GSM通信；Android系统

中图分类号：G312 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）36-0212-03

1概述

由于目前的充电桩、特别是用户充电桩大多数不具备与车主进行信息交换的功能，对车辆的充电状况，需要车主到车上观察仪表才能掌握，这给广大车主带来了很多不便，特别是在生活节奏加快的现代社会，更是一种迫切需要解决的问题。因此有必要研制一种与电动汽车相配套的汽车电池充电监控装置，该装置除确保充电安全外，还具有与车主的手机进行通讯的功能，使车主能在不影响工作和休息的条件下对车辆的充电状况进行实时的有效的监控。该装置应设计成不仅能与公共充电桩配套使用，而且也能适用于在廉价的用户充电桩上使用，即使是车主在家中拉一条电源线进行充电，也能使用。

2 整体架构的设计

本文研究一种使用方便的汽车充电远程监控装置的设计与实现技术，主要研究内容包括：

电动汽车充电远程监控装置的硬件与软件实现。本文的目的是完成电动汽车充电远程监控装置的设计，因此必须在硬件电路的基础上完成全部软件调试，以证明设计的可行性。

本文所涉及的硬件主要有单片机、GSM模块和手机。为完成硬件和软件设计，涉及到GSM模块与单片机的连接、基于GSM模块的短消息工作流程、串行通信接口对短消息控制的模式、短消息AT指令，手机应用软件设计相关的Android系统构架、Android系统四大组件、Intent及 AndroidManifest.xml配置文件等背景知识。

本文设计并实现了电动汽车电池充电远程监控装置的下位机系统。设计了电源开关模块、电源及信号调理模块、控制与通信模块，重点对控制与通信模块（包括GSM模块）的软件流程进行了研究，编写了相应的软件并成功地进行了通信试验，证明了本装置设计的可行性。

最后还要实现了一个基于Andriod系统的手机APP（上位机）。在分析目前社会流行的手机市场情况和大众的使用习惯后，确定以Android操作系统为基础编写上位机应用软件。整体架构的设计如图1所示。

充电远程监控装置框图

2.1电源开关模块

电源开关模块的功能是连接充电桩的电源，控制向汽车电池充电。它内部接触器的供电触头处于常开状态，需要进行充电时，通过一个启动按钮人工控制闭合。在出现充电桩输出电压异常、充电电流异常、电池完成充电时，将自动或受单片机控制自动切断充电桩与汽车电池的连接，亦可通过车主手机发出的停止充电信号控制其断开。

2.2电源及信号调理模块

电源及信号调理模块的功能是：

1）为本装置的车载部分供电；

2）测量充电桩电压信号，发现超压时，自动切断供电电源；

3）将充电电流转换为单片机可以采样的电压信号。

2.3控制及通信模块

本模块由模数（A/D）变换模块、单片机模块、GSM模块以及SIM卡等组成。

控制及通信模块的功能是：

1）采集充电电流信号，发现电流异常（电流过大）时，自动控制断开电源开关，并通过GSM模块向车主发出过流短信；

2）采集充电电流信号，发现充电电流小于某一规定值后，即认为充电任务已实际完成，自动控制断开电源开关，并通过GSM模块向车主发出“充电完成”短信；

3）定时采集充电电流信号，进行电池已充电量累计统计，在车主询问时，通过GSM模块以短信回复；

4）具有和手机之间进行双向通信的能力，当车主发出中止充电信息时，控制断开电源开关。

2.4手机

手机是本装置的上位机，其功能是与本装置的车载部分（下位机）进行双向通信，接收下位机发出的信号，并对于下位机进行控制。

3控制及通信功能的件实现

3.1编程与调试环境构建

使用Keil uVision2作为单片机C语言软件开发系统，它是德国Keil Software公司出品的，该环境使用接近于传统C语言的语法来开发，可有效提高工作效率和缩短项目开发周期。该集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。

3.2短消息的串口通信函数

短信息的发送采用查询方式，通过循环查询条件，需要时执行相应动作。其发送函数send_uart将命令或数据送到数据缓冲寄存器SBUF中，TI复位。短信息的接收采用串口中断方式，当串口中断时，便判断是否为新消息，进一步执行相应动作，通过编写接收函数从数据缓冲寄存器SBUF中读取数据，RI复位。

3.3 GSM模块初始化

通过单片机发送AT指令对GSM模块的TC35进行初始化设置。

第1步发送“ATE0”指令关闭回显；

第2步发送“AT+CMGF=0”指令选择短消息信息格式为PDU编码模式；

第3步发送“AT+CNMI=2，2，0”指令设定接收到短消息，短消息储存到SIM卡，并且向TE发出通知。如果在数据线被占用的情况下，先缓冲起来，待数据线空闲，再通知；

第4步发送PDU模式16进制数据编码。

在程序编制中，单片机向GSM模块每发送1条AT指令， 都要以1个回车符和换行符来结束该指令。回车符和换行符的 ASCII 编码分别是0x0d， 0x0a，在程序中每次均需要使用通信函数send_uart（0x0D），send_uart（0x0A） 来完成回车符和换行符的动作。单片机向GSM模块发送PDU模式的16进制数据编码后，还需要发送Ctrl + Z，它的ASCII 编码是0x1A ，在程序中也要调用通信函数send_uart（0x1A）来完成Ctrl + Z的动作。

3.4单片机初始化

单片机初始化主要是设置串口、寄存器、定时器等参数。

3.5通信与控制软件流程图设计

通信与控制软件牵涉到单片机与GSM模块，根据设定的通信与控制任务，其流程图如图2所示。图中所设置的Flag标志的含义如下：Flag=0表示充电异常，Flag=1表示中止充电，Flag=2 表示充电完成。

4上位机的软件实现

4.1 Andriod开发软件平台与环境构建与选择

因为要使用Java语言开发环境，故首先下载安装JDK，然后配置JDK，需要设置JAVA_HOME、 Path、 ClassPath等环境变量。

1）Andriod studio软件开发工具

选择使用了Andriod studio软件开发工具，它提供了用于Android开发与调试的集成开发环境。Andriod Studio比过去常用的开发工具Eclipse更快，更智能，很多相关联的语句都可以自动完成添加，同时它整合了Gradle构建软件与Git版本控制软件，有效地提升了应用软件的开发效率，降低了错误率与劳动强度。Andriod studio软件开发工具的界面如图3所示。

2）Genymotion模拟器

Genymotion模拟器是基于Oracle VM VitualBox虚拟机的，它的速度快，操作流畅，只要下载相应的手机操作系统，可以支持多种设备。图4为VitualBox虚拟机与Genymotion模拟器界面。

4.2上位机总体设计

上位机软件设计中，选用占市场份额70%以上的Android系统为手机平台，使用Java语言编程，综合运用了广播、通知、活动、SQLite数据库、后台服务等Android组件进行编程，程序模块之间耦合度低，人机界面简洁易用，便于操作使用。

5结束语

提出了一种可对电动汽车电池充电状况远程监控的下位机设计，配合车主的手机（即上位机，需安装专用的应用软件），即可对汽车已充电量、充电完成情况、充电过程的安全性、按车主需要终止充电等进行远程监控。

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