智能充电桩互联互通设计方案探讨

侯慧健 肖思源 林永明

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

前言

新能源汽车和电动自行车作为近年来新型的交通工具，具有环保、节能的优点。在我国，新能源车的用户群日益庞大、保有量不断增长，充电难的问题显得尤为突出。为了解决充电难的问题，充电桩的建设成为了基础设施建设中重要的一环。目前，我国已随处可见智能充电桩。顺应物联网技术的发展趋势，这类智能充电桩也具备接入网络与服务提供商后台进行数据交互与验证的能力，这样的联网管理模式是设备的信息化管控以及未来智能化扩展的基础。

然而，虽然设备的制造商不断增加，为用户提供了更多的选择，但不同的充电桩品牌之间，其用户端的接入方式往往是不统一的，且云平台与设备间也无法互相兼容，缺乏互联互通能力。例如，用户在接入不同品牌的厂商提供的服务时，通常都需要安装对应的手机App；在充电桩设备与云平台的通信方面，厂商既可以采用底层的TCP/IP套接字方式进行高度自定义的开发，又可以采用高度封装、量级较大的应用层框架。由于采用的通信协议、接口规范方面的差异，不同厂商的设备、云平台之间无法相互通信，这显然是一种资源的浪费。实际上，充电桩物理设备本身就是通过统一的充电接口规范大大提升用户充电的便利程度，不同品牌的充电桩只要电源与接口合乎规范，便能够相互兼容。然而在软件服务与通信这一层面，却再度遇到了这一痛点。本文设计了一个电动自行车智能充电桩的互联互通方案，在保证系统各部分能高效率运作的同时，解决智能化充电中由于接入方式不统一导致的不便，并通过统一的、共享的管控提高管理的效率。

1 方案设想

在实现互联互通前，对于不同制造商生产的智能充电桩产品，用户必须使用不同的前端程序，访问设备对应厂商提供的云平台，以获取接入设备、使用服务的权限。对于手机用户来说，使用不同品牌的充电桩需要下载安装各自品牌的App，原本带来便利的技术革新反而制造了不便。如果不同品牌的产品能够使用统一的通信协议，则可以实现不同云平台、终端设备之间的相互兼容，达到互联互通的目的。具体的，如图1所示，在实现互联互通以前，B厂商的产品只能通过使用B厂商提供的App进行访问云平台进行远程接入；在实现互联互通以后，使用任意厂商的App访问对应的云平台，即可访问任意的采用统一通信协议的设备。这样一来不但为用户省去了安装多个App的烦恼，还能将不同品牌设备的管理进行集成，以提高管理效率。

2 通信架构

通信构架如图2所示，可分为设备层、业务应用层、云平台三个部分。

设备层：设备与云平台之间通过EDP协议进行通信，其中，设备端程序是基于EDP SDK进行开发的。在整个通信架构之中，EDP连接承载了业务数据和控制命令。设备会上报业务数据到云平台，而如果需要实时接收业务应用层下发的控制命令，则需要保持EDP长连接。

业务应用层：基于HTTP协议，前端通过RESTful API统一接入云平台，操作云平台提供的资源（设备、数据点、命令控制等资源的增删查改），可以自定义实现业务平台。

3 通信实现方案

在通信中，设备层使用CONN_XXX消息类型与云平台建立连接。在设备层将业务数据上报平台时，使用PUSH_DATA或者SAVE_DATA消息，同样的，云平台也使用这两种消息类型向设备层发送数据。此外，云平台使用CMD_XXX给设备层发控制消息。设备层与云平台之间通过PING_XXX保持长连接。具体命令表如表1所示。

在各个不同厂商的充电设备和云平台之间使用统一的通信协定，以实现设备间、不同层级间的互联互通。如表2所示，为设备与云平台间的通信接口。通信数据统一使用JSON格式进行封装，通过EDP协议进行连接的维护与数据传输，数据使用UTF-8编码。

图1 应用场景图

图2 通信架构

对比专业大型的充电站，智能充电桩能应用于城市的各个地下停车场、超市及小区的地上停车位等多个场所。如图3所示，多个电动自行车智能充电桩组网配合通信，通常采用“小网组合大网”（ZigBee+4G）的通信方式，即在电动自行车智能充电桩与总控制器之间先采用本地ZigBee网络终端进行通信，再通过总控制器采用4G网络与局域网连接设备或后台设备管理平台进行通信的通信方式。这种通信方式充分结合了ZigBee通讯可自组网、无需流量的通讯优点，更加便捷地对各个外接电动自行车智能充电桩设备进行有效化管理，仅总控制器采用4G网络通信，大大降低了4G网络通讯服务成本。

4 系统实现细节

4.1 设备实现

市面上的智能充电桩，不仅要做到外围设备的输出电压可控，以满足设备的通用性以及对外接设备的管理需要，更要满足各项应用功能，如人机交互、身份认证，信息保存、计量收费、远程信息交互等功能。因此，在其结构设计上，硬件方面，可以使用低功耗、速度快的微处理器。本文选用基于ARM架构的32位处理器，配合UART、SPI等串行接口和继电器控制电路来实现电路构成（如图4）。在软件方面，主要采用嵌入式操作系统，如Linux、Windows CE等，提高开发效率，提高系统的可靠性。

表1 EDP消息命令

表2 设备与平台之间的互联接口

图3 物联网终端通信融合

图4 设备硬件组成

4.2 安全性

整个智能充电桩的通讯数据传输过程应高效保密性，实现互联互通性关键在于使用统一的协议，且该协议应能广泛应用于多个不同的设备上，应用TCP连接的EDP协议即是当前最适用的通信协议。使用EDP协议在平台服务器上上传备份数据点，注册用户和创建新用户设备，不同设备通过创建和保存信息后，在登陆服务器时，接受设备信息方和发送信息方仅需在服务器独自鉴权登录，再由平台接收设备1数据，后将数据点内容复制转发到设备2；即可实现信息对传，做到不同设备在同一服务器上的互联互通。具体的数据存储转发流程如图5所示。

4.3 后台管理

智能充电桩的通讯互联互通性的实现满足了后台管理人员远程通过同一服务器对多个设备的实时监测的需求。在使用统一的通讯协议在平台注册信息后，后台管理人员可以使用云平台账号对在平台注册的信息进行在线管理，并且做到对设备的异地化管理，通过对设备向云平台发送的数据包类型和大小，判别设备的运行状态和设备信息，及时对设备故障进行发现排除，远程更新设备配置，共享传输资料等。云平台监测图如图6所示

图5 数据存储转发流程

5 产品验证

目前国内最大的云平台为阿里云平台和腾讯云平台，本次研究以电动自行车智能充电桩为基础，搭建了一个基于EDP协议和RESTful API搭建的通信方案的电动自行车智能充电桩。图7为智能充电桩产品图，用户可通过支付宝或微信扫智能充电桩上的二维码进入小程序，按指示付费充电。图8为微信小程序充电界面。

成功通过支付宝和微信扫描二维码的方式为电动自行车充电，实现单个充电桩对应多个云平台。各智能充电桩厂家若采纳该通讯方案应用到其产品上，那么就可以实现多个云平台对应多个充电桩产品。对于用户而言，可以无需下载对应智能充电桩厂家的App，提高了用户体验；对厂家而言，增加了用户粘性，可以吸引更多用户使用其产品。

6 结论

互联互通性作为智能充电桩的一项重要技术指标，一直是物联网产品流通和使用的关键技术，现今智能充电桩产品仍有许多设备未能实现互联互通性。本文提出了一个基于EDP协议和RESTful API搭建的通信方案，该方案能够有效解决充电桩应用的互联互通问题，实现不同厂商云平台和设备之间的相互通信、相互兼容，有效地提高网络资源的利用率、提升设备的管理效率、以及减少用户在使用过程中的不便。

图6 云平台监测界面

图7 智能充电桩产品图

图8 微信小程序充电界面