浅谈基于WSN监控的电动汽车并行数据采集系统设计与研究
2021-09-06 13:50:16 来源：安科瑞王蒙蒙
摘要：针对传统使用VIX总线采集电动汽车并行数据方法的不足之处，提出依托WSN监控的并行数据采集系统设计方式。在深入分析电动汽车充电桩传感器节点分布状况基础上，对电动汽车路面节点分布定位实施融合处理，通过WSN监控法构建并向数据信心传输信道模型，并借助DSP数字处理芯片对系统硬件电路展开设计。经仿真实验证实，所用系统采集的并行数据准确率较高，能够实施采集电动汽车运行状态数据并实施融合处理，提升对这类汽车实际运行时的监控及管理能力。
关键词：WSN监控；电动汽车；并行数据采集；设计
引言
随着能源及环境问题日益严峻，传统需要燃油的汽车引起更多人的担忧。因电动汽车展现出环保、节能等特征，越来越多国家将目光瞄准电动汽车，期望通过电动汽车改善环境污染、降低对于石油的依赖。电动汽车就是以燃料电池为动力电源的一种汽车，所用电池化学反应中不会出现有害产物，且支持采用充电的方法补充能量。从环境保护及节约能源视角分析，电动汽车作为理想状态下的车辆，具有良好的应用前景。但电动汽车充电问题方面的研究依然不够成熟，因充电站及充电桩的显著，如何迅速定位及搜索充电站，成为促进电动汽车发展的重要依据。通过采集电动汽车运行条件下的并行数据，迅速定位、搜索电动汽车充电桩及充电站，成为有效解决电动汽车发展的热点问题。有学者研究指出，依托LLC谐振逆变控制的电动汽车处于运行条件下采集并行数据，并利用AD7656-1AD转换芯片提取节能控制特征，但这种方法会使得控制环节发生耦合失真的情况，不具有良好的数据采集性能。针对以上问题，本研究提出基于WSN监控设计电动汽车并行数据采集系统设计方式。
一、设计电动汽车传感器节点分布模型
电动汽车实际行驶过程中，由于受到供电情况等问题的限制，需要对汽车运行环节的数据展开实时采集。本研究使用WSN传感器网络监控模型，通过中间件技术完成对于电动汽车充电站网络异构数据的融合，以此合理分布电动汽车传感器网络节点，并利用物联网及WSN分布技术将电动汽车组成相应地车载传感器网络，从而实现实时监控，所设计的模型如图1所示。
图1构建电动汽车WSN网络模型结构
二、系统融合算法及硬件设计
1、融合算法分析
基于WSN监控对电动汽车并行数据进行分发及采集操作，WSN尾节点接收后方头节点数据时，采用车辆不同节点之间的交互性评估车载多信道情况，车辆节点运用射频识别技术完成数据状态收发，并实施传输。获得相应地迭代方程：
其中，Rn表示发送信标信息后需考虑当前网络状态参数，若在T时间对电动汽车状态进行检测，其阀值Rn比Rmax小，接收到前方车辆邻居节点信道列表之内的总线信心，以此加大电动汽车功率消耗，获取闲置条件下电动汽车功耗是Rn，Rn求解公式为：
明确车辆节点射频接口后，采用并行动态跟踪法对电动汽车的射频接口实施融合处理，并在位置未改变的前提下，获得其自适应迭代步长求解公式：
以上式子中，σ2x1(k)代表第k次迭代信道处于繁忙的状态时间，x1(k)表示电动汽车并向数据所提取的特征结果，根据以上分析，获得电动汽车并行数学采集系统结构模型，如图2所示
图2电动汽车并行数据采集系统设计
根据上述系统设计，通过HPE1433A建立与之对应的整流二级管输入电压调节系统，x、y轴方向的阵元间距分别设置为dx、dy，每一个HPE1433A均有TTL电平外部触发输入，获取相应地触发电平功率补偿增益：
利用较小方差估算，顺利完成对于系统并向采集线圈的死锁逻辑控制，并测定每一个传感器阵元，对于所输出Xi(t)依次加权ωi(θ)，依托求方差获得控制电路输出的v(t,θ)，即：
2、系统硬件设计
传统利用VIX总线采集方式获取电动汽车并行数据，由于电动汽车分布空间和节点不断增加，并行总线上容易发生数据拥堵的情况，引起监测性能不良[5-8]。为有效克服传统方式的不足之处，本研究依托WSN监控提出电动汽车并行数据采集系统设计方式。通过这种方法雕制并行数据信息传输信道模型，获得相应地数据调制过程，如图3所示。
图3调制并行数据信息传输信道模型效果
基于此，利用DSP数字处理芯片对系统硬件电路展开设计。所设计的电动汽车并行数据采集系统均运用电压信号合理控制D/A电路，通过DSP数字信号处理芯片完成系统的主控电路设计，AD554芯片所输出的较大范围是±15V[9-11]。对系统进行设计时，D/A电路采用AD5545、AD8674，获得所采集的并行数据。
电动汽车充电线路中的磁场分布位置。通过两个PI控制器完成电流波形整流控制，获得系统输出阻抗及谐振角频率：
此时，WSN监控节点设定的供电范围是5~15V，AD5545两路输出利用运放AD8674展开数模转换，更好地模拟电源、地间增加10uF电容对系统实施去耦、滤波处理[13-15]。根据2.5V电压基准，AD5545数字接口利用电容实现交流耦合，获得输出电压：
假定V表示耦合电容C的直流偏置，依托对偏差补偿进行测量，能有效提升数据采集可靠性。
三、系统测试与性能分析
系统要把采集的并行数据到计算机中，并对其开展合理的组织，构建完整的电动汽车并行数据采集系统。采用不同传感器、变换器测量不同的数据，将其转换为电信号。计算机依托数据采集卡获取相应的数据，并重视保存数据，并将结果表示为便于理解的方法表达出来，如图4所示。
图4数据采集系统构成框图
四、安科瑞充电桩运营管理平台
1、系统架构
安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。
充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：
资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。
交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表
用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理
充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等
微信小程序：扫码充电，账单支付等功能
数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析
变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。
2、平台功能
2.1平台登录
在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。
2.2平台首页
平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。
2.3实时监控
充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。
充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。
2.4微信小程序
微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示
用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示：
初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。
l 充电
扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。
个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能
3、硬件配置
3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。
推荐硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）
若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：
3.2现场推荐硬件配置清单：
五、结束语
本研究中针对WSN节点监控技术，提出基于这一监控技术的电动汽车并行数据采集系统设计，在概述系统的传感器节点分布模型基础上，详细介绍系统融合算法及硬件设计。此外，对系统的性能展开测试，研究结果表明，使用该系统采集电动汽车并行数据准确度较高，且具有良好的融合处理能力，对于提升电动汽车运行状态管理能力发挥着重要的作用。
参考文献
[1] 刘莹，周喜平.基于WSN监控的电动汽车并行数据采集系统设计[J].科技通报，2016，32（6）:205-208，218.
[2] 李进忠，李银苹，史张宇.基于WSN监控的电动汽车并行数据采集系统设计与研究
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：陆晓君，女，本科 安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电
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