引言

近年來，尋找可再生清潔能源成為人們研究的焦點，電動汽車的應用也是其中一個重要方面。之前的電動汽車充電站多為電力系統直接供電，本文采用光伏這一新能源對其供電，既節約能源，又為未來智能電網的建設奠定基礎。為保證未來高速公路上電動汽車光伏儲能充電站的安全和智能運行，要建立起完善的光伏儲能電動汽車充電站監控系統。

嵌入式技術經過近些年的發展，已經在各個領域得到廣泛的應用。尤其是網絡技術的快速發展，為以數據采集、信息處理、遠程傳輸和終端監控為核心的實時智能監控系統的開發供應了強大的技術保障。傳統的監控系統都是采用有線方式將監測數據傳送到遠程監控中心，布線困難，耗費人力、物力及財力。本文設計了基于ZigBee和4G移動網絡的電動汽車光伏儲能充電站的在線監控系統。

ZigBee技術的特點是：通信距離近、功耗低、傳輸速率較低、節點成本低、協議復雜度低并且能夠自組網，在無線定位和數據傳輸等領域有明顯優勢。

1光伏儲能及電動汽車充電站監控系統

1.1光伏儲能充電站整體框架

參考文獻介紹的光伏儲能電動汽車充電站是光伏與電網協調配合對電動汽車進行充電。電站在使用清潔能源對電動汽車充電的基礎上，可與電網協調、配合，實現削峰填谷的用途，符合智能電網的要求。本系統是依據參考文獻優化后的光伏并網運行的充電站設計，整體框架如圖1所示。

1.2充電站監控系統的整體設計

系統網絡采用分布式部署方式，即在充電站內建立站內控制中心，通過ZigBee將相關數據傳遞給監控中心，由監控中心統一管理、公布。

光伏儲能電動汽車充電站監控系統的網絡結構分為三層，結構圖如圖2所示。

第一層為遠程監控中心，包括數據服務器、Web服務器和監控主機等設備;第二層為監控工作站，包括數據處理和數據傳輸模塊;第三層是充電站的各監控終端子系統，包括配電監控、充電監控、煙霧監視、溫濕度監測和視頻監視等監控子系統。視頻監控子系統直接與監控工作站相連，其他的子系統均采用ZigBee的方式間接地與工作站連接。監控工作站將采集到的數據處理后，利用移動無線網絡將數據傳輸到中央監控管理系統，實現對整個充電站的數據匯總、統計、故障顯示和監控。

1.3監控系統的功能

充電監控系統由一臺或多臺工作站或服務器組成，當充電站的規模較小、充電機數量不多時，采用單臺監控工作站即可滿足監控要求;當充電站的規模較大、充電機數量較多時，可以采用兩臺或兩臺以上監控工作站。

充電監控功能是整個充電站監控系統的核心功能，監控系統監控所有充電機的運行數據、故障報警信號，以及所有充電電池組的單體電池電壓和溫度，并供應充電機遠程控制功能，設置運行參數、參數編號及充電容量等數據;同時監控開關機，修改電池管理系統，保證充電站正常運行。

2監控系統的硬件設計

2.1監控工作站的硬件設計

主控模塊采用FS4412核心板，重要由CpU(EXYNOS4412)、內存(4個DDR3，每個256MB)、EMMC、pMU(TpS65910A3，電源管理芯片)及其他外圍電路組成。

Samsung公司研發的嵌入式微處理器EXYNOS4412是一款基于ARMv7指令集的CortexA9核的4核32位RISC微控制器，主頻最高支持1.4GHz。

EXYNOS4412芯片包含很多強大的硬件編解碼功能，內建MFC，支持MpEG-1/2/4、H.263及H.264等格式視頻的編解碼，支持模擬/數字TV輸出。該處理器具有功耗低、實時性快、性價比高等優點，特別適用于對成本要求低、處理速度快的應用領域，如工業控制行業，電子、通信、醫療機械、多媒體、安全消防、車載電子、金融行業、消費類電子、手持終端、顯示控制器、多媒體教學等領域。監控工作站系統硬件結構圖如圖3所示。

2.2數據采集模塊的硬件設計

數據采集模塊在硬件結構上分為三部分，分別為傳感器模塊、數據處理發送模塊和電源模塊。其中，數據處理發送模塊是數據采集模塊的核心，包括了處理器和無線發射器。現在的數據處理發送模塊設計重要分為兩類，一種是將處理器芯片與無線發射芯片分開設計，另一種是將兩者集成在一個芯片上。

將處理器芯片和無線發射芯片分開的設計方法的優勢在于，可以選用更為專業的處理器芯片，芯片的功能比較強大，實現的功能比較多，但是這種設計方式會造成功耗和制造成本的新增，并且整個電路及其布線較為復雜。

針對第一種設計帶來的負面影響，本系統選擇TI公司為ZigBee協議量身定做的CC2530芯片作為處理發送模塊，集成符合2.4GHzIEEE802.15.4的無線收發器。它能夠以很低的成本建立功能和規模強大的網絡節點。CC2530具有優良的RF收發性能，內置了標準的增強型8051CpU，系統內具有可編程閃存與8KBRAM。

CC2530芯片具有不同的休眠運行模式，使得它適合具有超低功耗要求的系統。TI公司搭配CC2530系列芯片，公布了ZigBee協議棧Z-Stack協議棧，利用CC2530芯片與Z-Stack協議棧可以建立強大和完整的ZigBee系統。

2.3無線通信模塊

無線通信模塊以中興公司的ME3760芯片為核心設計，該芯片支持4GTDD-LTE/FDD-LTE網絡、全頻段，適用于TDD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMAHSpA三種基本網絡。通過EXYNOS4412的UART0(RXD0)、UART0(TXD0)分別與EM3760TXD1、RXD1相連，通過串口AT命令實現對EM3760數據通信。在數據傳輸速度的提高、音頻信號的傳輸以及多媒體業務的擴展上和前三代有所不同。4G無線網絡在不同的環境具有不同的數據傳輸速率，在室內、室外和動態的環境中能夠分別支持下行100Mbps、上行50Mbps的傳輸速率。

3系統軟件的設計

光伏充電站實時監控系統的軟件設計采用C/S模式，以EXYNOS4412平臺作為客戶機，以pC上位機監測中心作為服務器。客戶機的重要任務是把實時采集的數據通過無線網絡發送到Internet上，服務器的任務是從Internet上接收所監測到的數據并存儲到數據庫。

3.1系統移植

3.1.1環境搭建

本文以pC機為宿主機，在Win7系統上安裝虛擬機軟件模擬計算機，并裝有Ubuntu12操作系統。本文采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.6.4，將壓縮包解壓到安裝目錄下，命令行輸入#tar-xvfArm-linux-gcc-4.6.4.tgz-c/命令后完成解壓;再把編譯器路徑加入系統環境變量，執行命令#vim～/.bashrc編輯～/.bashrc文件，在最后一行添加exportpATH=(編譯器的安裝目錄)/bin：$pATH，這樣虛擬機上就安裝好了交叉編譯環境。

開發時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及鏈接工具形成可執行的二進制代碼，然后通過串口利用Windows上的超級終端軟件把可執行文件下載到目標板上運行。

3.1.2Bootloader的移植

Bootloadm以其本身的含義來講就是下載和啟動系統，它類似于pC中的BIOS(基本輸入輸出系統)，使用Uboot作為引導加載程序。首先，選擇Uboot的版本，本文選擇的是最新的支持使用的CpU版本，CpU是EXYNOS4412，Uboot-2013.01.tar.gz版本是支持比較完善的，具有BOARD功能的型號。選擇好版本后到官網下載源碼，然后解壓縮，最后配置編譯源碼(盡量少改代碼，先保證最基本的編譯通過、能運行)。具體步驟如下：

①修改Makefile，改成上面安裝的交叉編譯工具鏈;

②使用官網上已經公布的和本系統開發板最接近的board配置，編譯運行。

3.1.3內核移植

目標板采用的內核版本是Linux-3.14，解壓后進入源碼的頂層目錄，具體的步驟：

①修改Makefile，指定交叉編譯工具鏈;

②導入配置，選擇最接近本系統板子的官方配置，執行命令#Makeexynos_defconfig;

③輸入命令#makemenuconfig進入內核配置界面，完成對串口、SD卡、CMOS攝像頭和USB無線上網卡等多項驅動的配置，并對YAFF2S根文件系統進行配置，配置完成后在主菜單選擇保存退出;

④輸入命令makeuImage開始編譯內核，編譯完成后會在arch/arm/boot目錄下生成內核鏡像文件uImage;

⑤編譯設備樹，執行命令#makedtbs。

最后將編譯好的內核和設備樹文件下載到板子上運行。

3.2ZigBee模塊的軟件設計

TI公司為CC2530芯片搭配了ZStack協議棧，用戶使用這款芯片可以很簡單地開發自己的應用程序。ZStack協議棧使用了名叫OSAL的操作系統來對協議棧中的進程進行調度，不要了解這個操作系統的細節，只要調用系統供應的ApI接口來開發程序，就如同開發Windows應用程序相同。

ZStack由主函數main()函數開始執行，重要完成兩項工作：一是系統初始化，二是進行輪詢操作。時間查詢流程圖如圖4所示。

服務器使用socket()函數創建一個套接字，然后用bind()函數將套接字與本地地址和端口號進行綁定;綁定成功后，客戶端根據服務器域名獲取服務器的Ip地址，然后利用socket()創建套接字;客戶端調用sendto()函數向服務器發送服務請求報文，調用recvfrom()函數等待并接收服務器的應答報文;雙方通過socket套接字進行數據的發送與接收，實現CortexA9平臺與pC上位機之間通信。

其他的檢測信息和控制命令采用基于連接的、可靠的TCp/Ip協議進行傳輸。

結語

設計了一個基于嵌入式Linux的光伏電動汽車充電站的監控系統，以嵌入式微處理器EXYNOS4412為核心，結合ZigBee模塊和4G無線網絡模塊，實現與底層傳感器和上位機的通信。

在本系統中應用了設備樹方式編寫驅動，簡化了代碼。經測試，該系統具有性能穩定、實時性好、可靠性高等優點，可廣泛應用在我國高速公路網中的光伏儲能電動汽車充電站中，以解決監測中的問題。