跨平台的电动汽车充电站监控终端软件设计

摘 要：针对目前电动汽车充电站监控系统所监控的设备种类繁多、标准不一、规约多样化问题，开发了一种跨平台的集多种协议转换、重用性、移植性好的电动汽车充电站监控终端软件平台。重点分析了该系统的总体架构设计、模块之间数据流及使用的关键技术，并结合大量的实际工程应用给出了典型用法。实践表明该系统能够满足充电站监控系统的要求。

关键词：电动汽车充电站；监控终端；跨平台技术；ACE

引言

电动汽车由于燃料的可再生性、清洁性，逐渐成为国家在新能源汽车产业大力发展的对象，而电动汽车充电站是电动汽车大规模产业化后不可缺少的电动汽车能源服务基础设施。在充电站建设中，实现其高效、安全、智能化管理已成为主流，充电站监控系统作为充电站自动化系统的核心，是目前电动汽车充电站建设产业研究的重要课题和热点[1]。

电动汽车充电站监控终端是充电站系统中的核心通讯控制设备，由于电动汽车充电站的建设还处于示范运营阶段，所监控管理的设备种类繁多，标准不一。包括各类配电保护设备、充/换电设备、各种表计、光伏发电、储能及电池维护等设备。另外不同厂家的设备指标、性能也不尽相同，通讯方式及通信规约更是多种多样，有CAN总线、RS-485总线、TCP/IP、UDP等通讯方式。因此导致目前的数据接入、监控装置也各式各样，例如有CAN转以太网设备、RS485转以太网设备、RS485转CAN设备等，这些设备功能单一，重用性、移植性差，增加了电动汽车充电站监控系统数据接入的复杂性、降低了系统稳定性、增加了软件开发成本和安装调试、维护成本。因此开发一种集多种协议转换、重用性、移植性好的电动汽车充电站监控终端软件平台是迫不及待的[2]。

1 总体架构设计

系统的软件架构分为基础平台层，数据接入层，业务处理层，界面展示层。具体结构如图1所示。基础平台层主要包括基础硬件（嵌入式处理器及外围设备），所使用的嵌入式操作系统，交叉编译环境，硬件底层驱动，开发API；数据接入层主要包括GPRS数据接入模块、RS485/RS232数据接入模块、CAN数据接入模块、TCP/IP数据接入模块；业务处理层主要负责对数据接入层的数据进行解析、数据处理、数据存储及和后台的数据交互；展示平台层主要从共享数据中获取数据进行监视设备状态和遥测值以图形、曲线、图表等形式展示，能在线修改配置、进行用户操作权限管理、报文在线监视、就地对监控设备进行下发控制定值。

2 系统软件设计思想

在搭建系统应用软件时我们采用了模块化设计思想。程序模块主要包括主程序模块，内存库模块，历史库模块、各种规约接入模块、业务处理模块。具体的模块及其之间的数据流如图2所示。

系统的数据模型和规约模型都以配置文件的形式生成，每种接入的通讯设备既物理通道生成一个配置文件或者是全部生成一个配置文件，看情况而定，配置文件里包括通道通讯参数和通道下面所挂载设备的各种信息。通道参数配置可以从界面在线修改，所有的配置文件同样可以由专门的配置工具配置后通过远程管理统一下载到装置里。主程序模块既组态模块通过加载适配器读取配置文件，根据配置建立每个通道下面所挂载的各个设备的共享内存库和历史库，然后以通道ID为参数启动相应规约的处理模块，规约处理模块启动后根据传入的通道ID从共享内存中读取相应通道配置，启动相应的设备进行通讯。

通讯数据由所接外设按照各自的通讯介质及通讯规约传送给各自的通讯处理模块（包括串口处理模块、CAN口处理模块、TCP处理模块），通讯处理模块按照规约模板的配置信息解析数据并转发给业务处理模块。业务处理模块按照内存库、历史库接口把数据入库，根据实际业务需要当需要向后台转发数据时，业务处理模块从内存库取出相应数据转发给后台监控系统。图形展示模块根据展示数据的需要从内存库读取所要的实时数据，从历史库里读取报警、历史数据。后台远程下发命令及本地下发命令不经过内存库，直接由后台或者是就地界面下发给业务处理模块，业务处理模块分发给下面的不同设备。

3 使用的关键技术

3.1 ACE跨平台通信框架

ACE自适配通信环境（Adaptive Communication Environment）是一套优秀的中间件。ACE框架服务能满足许多网络化软件的需求。开发者只需专注于实现最终用户所需的应用功能，无需开发ACE已经提供的能力，这将节省相当可观的时间和精力。ACE包含许多用于并发通信软件的核心模式。ACE通信框架具有良好的跨平台特性，在源代码级可以做到“一次编码，随处编译”的跨平台效果。通过提供一组丰富的可复用C++包装外观和构架组件，ACE可跨越多种平台完成通用的通信软件任务[3]。

3.2 数据、通信模型建立

为了解决系统所接设备种类繁多、规约非标准性、数据量多、数据结构的多样性，拟采用开放的XML语言描述接口来建立一个多异构总线协议软件平台的数据、通信模型来实现异构总线协议设备之间信息交互的高效性和稳定性。XML（eXtensible Markup Language）是一组规则和准则的集合，用户可以根据需要定义任何一种标签来描述文档中的数据元素。它的基本思想是利用数据标识表示数据的含意，利用简单的嵌套和引用来实现数据元素之间的关系[4]。XML是一个跨数据库平台，它的可扩展性、灵活性、维护性、移植性、自治性相当好，同时满足一定的实时性要求。

3.3 历史库选取

在嵌入式装置上使用网络型数据库开销大、效率极低，一般都使用嵌入式文件型数据库。本系统选用开源免费的SQLite数据库[5]。它抛弃了传统企业级数据库的许多复杂特性，只实现对于数据库而言必备的功能，系统开销小，检索效率高，支持 ACID 特性，支持SQL92 标准。由于此嵌入式系统需要跨平台运行，同时对实时性的要求特别高，数据量大。所以本系统采用数据库厂商提供的数据库访问C接口，这样版本更新最快，并且可以使用数据库提供的更高级的功能，这样访问数据库速度也最快。

3.4 图形界面

图形界面利用许继集团已有的Xview组态软件，此组态是基于QT的经历了10年以上开发完善后的产品。只就图形部分，在windows和unix下已经得到了成功的验证。只要在嵌入式arm + linux下成功编译Xview，并且开发出图形适配器使图形界面与通信数据接口连接起来就可以得到易于操作、功能强大的图形开发界面。

4 在工程中的应用

电动汽车充换电站监控终端主要应用于各种类型的电动汽车充换电站的站级监控系统中。对RS232、RS485、CAN、以太网及GPRS等通讯介质、通讯协议的设备进行数据采集，数据转发、数据就地展示、远程/就地控制、定值下发。所监控的相关设备包括站内配电保护设备、整车充电设备、分箱充/放电设备、电池更换设备、电池管理设备、仪表电度表设备、APF设备、光伏及储能设备等。截止目前为止此监控终端已经在青岛薛家岛充换储放一体化电站、天津海泰南路充换电站、南京药科大学充换电站等多座大型充换电站中投入使用。具体的通讯结构如图3所示。

5 结束语

本文所介绍的跨平台电动汽车充换电站监控终端产品自2010年完成整个系统的功能开发及测试后，至今已有近1000套在充换电站现场投入运行。该产品以其功能强大、性能稳定、运行可靠、易于扩展、二次开发简单，赢得了良好的声誉。同时，随着计算机、嵌入式技术的不断发展，跨平台的嵌入式监控终端设备在工业系统信息化中也将发挥更大的作用。

参考文献

[1]申超群.电动汽车充电站智能监控系统研究与设计[B].华东电力，2011，6[39]；

[2]严辉.电动汽车充电站监控系统的设计与实现[J].电网技术，2009，12；

[3]崔桂香.ACE框架在网络通讯软件设计中的应用研究[J].北京电子科技学院学报，2004，4；

[4]尹禄高.基于XML的测控系统统一数据模型[A].兵工自动化，2012，31[6]；

[5]杨柳.嵌入式Linux及SQLite数据库在智能监控中的应用研究[A].嵌入式软件应用，2010，12-2；

作者简介：倪健，（1975.1-）女 河北邯郸，硕士，副教授，研究方向：软件测试、计算机图形学、模式识别方向.