摘  要： 針對目前電動自行車大量增加，同時充電問題困難的情況，設(shè)計了一種小區(qū)用刷卡付費電動車充電樁，可以解決小區(qū)內(nèi)私拉亂接電線為電動車充電的問題。充電樁收費采用M1卡進行結(jié)算，通過時間控制繼電器的通斷實現(xiàn)電動車的充電，按照充電時間進行收費。充電剩余時間采用LED液晶顯示，每臺充電樁可以控制10路負荷的通斷。該充電樁還能夠?qū)﹄妱榆嚦潆娯摵蛇M行檢測，當負荷超過限值時斷開負載，保證電動車充電故障時能隔離故障。實踐證明，充電樁能夠正常付費工作，方便地解決了城市小區(qū)居民對電動車充電。

　　關(guān)鍵詞： 電動自行車；充電樁；M1卡

0 引言

　　作為新型、節(jié)能、高效的交通工具，電動自行車日益受到市民的歡迎。同時，由于電動車電池特別是摩托式電動車電池不易拆卸，小區(qū)存在隨意私拉、亂接電線給電動自行車充電的現(xiàn)象，給小區(qū)埋下巨大的安全隱患。市場呼喚一種方便進行充電的設(shè)備[1]。2014年6月4日，鄭州市公安局、城鄉(xiāng)規(guī)劃局、城鄉(xiāng)建設(shè)委員會、住房保障和房地產(chǎn)管理局、民政局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于在住宅小區(qū)建設(shè)電動自行車充電庫（棚）的通知》，要求按照市場化運行模式，規(guī)劃增建或改建電動自行車充電庫（棚），同時杜絕私拉亂接電線進行[2]。電動自行車充電樁可以實現(xiàn)對電動自行車的充電，同時實現(xiàn)按照充電時間收費，實現(xiàn)了對電動自行車充電的商業(yè)化運營，可以滿足電動自行車充電的要求。

1 電動自行車充電樁模式

　　目前市場上常見充電樁模式主要有兩種，一種是提供低壓直流電（如48 V），直接對電動車蓄電池充電，供電動自行車快速充電，但是這種方案只能解燃眉之急，長時間使用會大大縮短蓄電池的使用壽命[3-4]。同時由于各種電動車的蓄電池電壓不同[5]，需要制作多種電壓規(guī)格。此外，由于針對蓄電池的充電方法日新月異，人們不斷提出如分級恒電流充電法、脈沖式充電法、定化學反應(yīng)狀態(tài)法、變電流間歇/定電壓充電法、變電壓間歇充電法、模糊控制充電法等[6]，單一的提供低壓直流電的充電方法無法適應(yīng)市場對延長蓄電池壽命的要求[7]。

　　另外一種是直接提供220 V交流電供電動自行車充電，電動車充滿電需要耗時幾個小時，適用于慢速充電場合，需要電動車自帶充電器。這種充電方法可以針對每一臺電動車采用合適的充電器，延長蓄電池壽命，特別適合在小區(qū)以及電動自行車充電站使用。

2 充電樁架構(gòu)設(shè)計

　　本文所設(shè)計的充電樁架構(gòu)設(shè)計分為付費模塊、控制模塊和檢測模塊3個模塊。其中付費模塊與控制模塊之間采用I2C總線進行通信，控制模塊與檢測模塊之間通過UART口進行通信，如圖1所示。采用多個模塊進行設(shè)計使得多個模塊的軟件設(shè)計分離，其中一個模塊的軟件更改不會影響到其他軟件，大大簡化了軟件的設(shè)計，有利于設(shè)計出健壯可靠的軟件。

3 付費模塊設(shè)計

　　本充電樁采用商業(yè)運營模式。市場上常用的售電付費模式主要有投幣式和刷卡式。由于投幣式需要預(yù)先準備零錢，同時維護方需要定期取錢，運作起來比較麻煩，本設(shè)計購售電采用刷卡方式進行。

　　3.1 付費卡設(shè)計

　　刷卡采用M1卡進行。M1卡是一種無源被動式射頻卡，屬于非接觸邏輯加密卡，技術(shù)成本低廉，交易流程簡明，系統(tǒng)架構(gòu)較為簡單，常用于門禁以及付費系統(tǒng)[8-9]。M1卡的能量和數(shù)據(jù)都由天線來傳輸。當射頻接口電路接收到13.56 MHz的調(diào)制信號后，將信號送至調(diào)制解調(diào)模塊，經(jīng)過整流電路和穩(wěn)壓電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波后輸出，以支持卡內(nèi)電路的工作。M1卡分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4塊，共64塊數(shù)據(jù)。其中第0扇區(qū)的塊0用于存儲廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。其他各扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，用于存儲數(shù)據(jù)；塊3為控制塊，存放密碼A、存取控制字、密碼B。M1卡各扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據(jù)實際需要設(shè)定各自的密碼存取控制。

　　M1卡采用一卡一密的方式進行加密，密碼A和密碼B配合使用。同時針對居民對電動自行車充電需要的用電量較小、金額有限[2]，對單個M1卡實現(xiàn)最大金額限制，使得用戶破解密碼的成本小于收益成本，保證M1卡的安全性。

　　3.2 讀寫卡模塊設(shè)置

　　用戶只需要在充電樁上刷卡區(qū)刷一下就可以完成一次購電。用戶通過M1卡刷卡購買用電時間，充電樁根據(jù)用戶購買用電時間對相應(yīng)的插座供電，從而實現(xiàn)對電動自行車的充電。

　　讀寫卡芯片采用復旦微電子設(shè)計的FM1702芯片實現(xiàn)。FM1702是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6 m CMOS EEPROM工藝，支持13.56 MHz 頻率下的typeA非接觸通信協(xié)議，支持多種加密算法，兼容Philips的MF RC530（SPI接口）讀卡機芯片。芯片采用高集成度的模擬電路，只需最少量的外圍線路，操作距離可達10 cm，內(nèi)部帶有加密單元，支持SPI接口模式，發(fā)射口采用單端輸出?；贔M1702讀寫芯片設(shè)計的非接觸式IC卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、易于維護，被廣泛應(yīng)用于校園一卡通、考勤、門禁等不同領(lǐng)域[10-11]。

　　FM1702的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 控制模式設(shè)計

　　為了經(jīng)濟地實現(xiàn)產(chǎn)品，該充電樁可以實現(xiàn)對多路插座市電的獨立通斷控制。對充電回路的控制通過繼電器來實現(xiàn)。用戶可以通過按鍵選擇相應(yīng)的市電通路，實現(xiàn)對相應(yīng)通路的購電。

　　相對于目前常用的采用保險絲限制電動車充電功率的做法[12]，本文采用了對功率進行實時檢測的方法，當功率超過限值時，斷開該回路，實現(xiàn)對功率的限制。相對于采用保險絲的做法，本文方法減少了故障次數(shù)，也省掉了更換保險絲的麻煩。

　　正確購電后，相應(yīng)回路的剩余充電時間通過LED顯示，用戶可以看到剩余充電的分鐘數(shù)。當剩余充電的時間為0時，自動斷開繼電器，完成充電。

5 控制器硬件設(shè)計

　　產(chǎn)品各模塊硬件主芯片均采用ST公司的STM8S系列芯片。STM8S是基于8位框架結(jié)構(gòu)的微控制器，其CPU內(nèi)核有6個內(nèi)部寄存器。STM8S系列芯片的核具有16 MHz的內(nèi)部晶振，具有3級流水線，總線結(jié)構(gòu)采用哈佛結(jié)構(gòu)。芯片具有32 KB Flash存儲器和2 KB內(nèi)部RAM。還具有128 KB內(nèi)部EEPROM，可以經(jīng)受10萬次擦寫。工作電壓為2.95 V~5.5 V。具有時鐘監(jiān)視功能以保證時鐘安全。具有低功耗模式，也可以單獨關(guān)閉外設(shè)時鐘。具有一個異步UART口，支持全雙工異步通信，也可支持LIN主模式通信，還可以作為IRDA SIR編碼器解碼器。具有硬件I2C口，最高速率可以達到400 kb/s；具有一個硬件SPI口，最高速率可以達到8 Mb/s。具有10路精度10位的ADC采樣端口，可以進行模擬信號的采樣，實現(xiàn)對通路電流采樣的檢測。

6 控制流程軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計代碼采用C語言編寫。

　　刷卡模塊實現(xiàn)用電刷卡、收費和增加售電時間的功能?？刂颇K實現(xiàn)充電回路的通斷，檢測模塊實現(xiàn)對電路是否過流的檢測，檢測結(jié)果發(fā)送給控制模塊。由控制模塊控制繼電器的通斷，從而實現(xiàn)電動車充電回路的斷開和閉合。

　　用戶充電過程如下：

　?。?）當用戶需要充電時，用戶按下第n通路按鍵，控制模塊閉合第n通路繼電器，同時向檢測模塊發(fā)送第n通路檢測消息。

　?。?）檢測模塊接收到檢測命令后，根據(jù)第n通路的采樣值判斷第n通路是否正常接通。然后發(fā)送檢測結(jié)果給控制模塊。

　　（3）如果接收到通路正常消息，則控制模塊向刷卡模塊發(fā)送進入要求充電狀態(tài)消息，刷卡模塊進入要求充電狀態(tài)。

　?。?）刷卡模塊檢測到M1卡，進行扣費，如果扣費成功，則向控制模塊發(fā)送增加扣費時間消息。

　?。?）控制模塊接收到消息后，閉合繼電器，開始充電，同時啟動充電時間倒計時。

　　（6）倒計時結(jié)束，控制模塊斷開相應(yīng)回路的繼電器，充電結(jié)束。

　　6.1 刷卡模塊軟件設(shè)計

　　刷卡模塊的程序流程如圖3所示。每隔100 ms檢測一次刷卡區(qū)是否有用戶卡，如果有用戶卡，并在用戶要求充電（即某充電回路選中）狀態(tài)，則扣費，對相應(yīng)回路增加充電時間，同時顯示用戶卡內(nèi)的剩余金額。如果處于空閑狀態(tài)，則不扣費，僅顯示用戶卡內(nèi)的剩余金額。

　　6.2 控制模塊軟件設(shè)計

　　控制模塊主要實現(xiàn)繼電器的通斷電，在充電模式下，當開始充電后，控制模塊開始倒計時，倒計時完成后，繼電器斷開，完成本次充電。流程如圖4所示。

　　6.3 檢測模塊軟件設(shè)計

　　檢測模塊主要完成負載的檢測。通過芯片的AD采集功能，把接收到的模擬信號變換為數(shù)字信號。AD采樣采用10位AD采樣，采樣電路集成在芯片內(nèi)部。當接收到控制模塊的通路檢測命令時，檢測回路電流是否大于檢測門限值，當大于檢測門限值時，判斷為電路導通，發(fā)送電路導通消息給控制模塊；反之，發(fā)送電路故障消息給控制模塊，實現(xiàn)了當電路故障情況下，不會誤對用戶卡扣費。當檢測到過載時，檢測模塊發(fā)送過載消息給控制模塊，控制模塊斷開此路負載。相對于采用保險絲限制電流的負載，免除了更換保險絲的麻煩。

7 結(jié)論

　　本文實現(xiàn)了一種使用M1卡付費的電動車充電樁的軟件設(shè)計。實際使用證明，本方案設(shè)計的充電樁可以實現(xiàn)多路充電回路的通斷，用戶可以方便地使用M1用戶卡進行購電，同時可以對充電負荷功率進行控制，當用電負荷超過門限閾值時，能夠自動跳開相應(yīng)的繼電器，并上報出錯信息。本文設(shè)計的充電樁免除了更換保險絲的麻煩，適合小區(qū)以及社會上電動自行車商業(yè)充電站的需求。

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