CN102905255A - 一种基于嵌入式系统的充电设施数据采集终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于嵌入式系统，模块化设计的充电设施数据采集终端，考虑多种有线无线通信组合，支持穿透力强的5.8G无线自组网技术，配置专用的安全模块，支持程序的自动更新，远程组态配置，运营管理智能化，实现电动汽车、充电设施、智能电网数据安全交互的充电设施数据采集终端。所述数据采集终端支持自动报警、记录自动生成、事故判别与处理等方面，还具有强大的在线自诊断、自愈、自适应、定时任务功能，实现运行管理智能化。

Description

一种基于嵌入式系统的充电设施数据采集终端

技术领域

本发明涉及一种基于嵌入式系统设计的充电设施数据采集终端，适用于电网、充电设施、电动汽车智能互动的充电设施数据采集，属于电动汽车充电设施技术领域。

背景技术

发展电动汽车被世界各国普遍确立为保障能源安全和转型低碳经济的重要途径，我国把电动汽车列为战略性新兴产业，大力推进其产业化应用。我国在国内25个城市开展“十城千辆”节能与新能源汽车示范推广应用工程试点，在6个城市开展私人购买新能源汽车补贴试点。国家科技部拟定了《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，将进一步加大对电动汽车科技研发的投入，使我国成为节能及新能源汽车的强国。工信部牵头制定的《节能与新能源汽车产业发展规划（2011～2020年）》草案中明确中国未来的新能源汽车发展规划将以插电式混合动力汽车及纯电动汽车为战略方向。分两个阶段实施，第一阶段到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车初步实现产业化，市场保有量超过50万辆。第二阶段是从2015年到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车实现产业化，市场保有量达到500万辆，充电站网络支撑纯电动汽车实现城际间和区域化运行。

随着研发投入不断增大和关键技术的突破，未来我国将进入电动汽车快速发展时期，形成电动汽车的规模化应用后，将对充电设施发展和电网运行带来新的挑战：（1）引发新的负荷增长，进一步增大电网峰谷差；（2）产生大量充电设施建设需求，对电网升级改造和规划建设提出更高要求；（3）充电需求具有随机性和分散性特点，加大配电网运行管理难度。在智能电网背景下，融合了现代通信技术、现代软件技术、现代数据安全技术、数据存储技术的充电设施数据采集终端能使电动汽车、充电设施、智能电网三者实时、安全、高速的信息交互。保障在受控状态下电动汽车的能量与电网之间的双向、实时、高速交换，可避免电动汽车充电需求对电网造成的不利影响，并提高电网的运营效率。

现有已应用的充电设施数据采集终端有的是在变电站通信管理机的基础上裁剪而来，有的是用电数据集中器采集终端的翻版。

现有充电设施数据采集终端技术方案存在以下问题：一、没有考虑到电动汽车充电服务在有序充电要求下数据的实时、安全、高速的信息交互要求。不满足数据的安全传输、存储、访问要求。二、没有考虑到充电设施所处位置的通信环境，充电设施经常处在无线公网无法覆盖位置，对多种通信组合的支持不够，特别是对穿透力强的无线自动组网的技术支持不够，没有认识到无线自组网的便利性、经济性、可操作性。三、通信接口大多采用私有通信协议，兼容性差，不满足互联互通互操作性要求。四、不能同时支持自动报警、记录自动生成、事故判别与处理、在线自诊断、自愈、自适应、程序自动更新、远程组态配置、定时任务功能，运行管理智能化程度不够。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明的发明目的是提供一种基于嵌入式系统，模块化设计，考虑多种有线无线通信组合，支持穿透力强的5.8G无线自组网技术，配置专用的安全模块，支持程序的自动更新，远程组态配置，运营管理智能化，实现电动汽车、充电设施、智能电网数据安全交互的充电设施数据采集终端。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于嵌入式系统的充电设施数据采集终端，基于嵌入式系统设计，嵌入式系统由嵌入式硬件系统PowerPC，嵌入式操作系统Linux组成，包括如下部分：

主CPU板；

串口扩展板，插在总线底板上，根据需求配置串口扩展板个数；

无线数据传输模块；

5.8G无线通信模块；

安全模块，安全模块包括了安全通信子模块和安全存储子模块，其中采用新的消息摘要算法；

状态显示模块；

电源模块；

总线底板。

根据本发明的一个方面，所述主CPU板采用基于PowerPC体系结构的嵌入式芯片MPC8315，可在MPC8315和Linux组成的嵌入式系统上运行应用层程序，实现智能处理、数据通信、数据存储、安全访问功能；

根据本发明的一个方面，所述串口扩展板插在总线底板上，根据需求配置串口扩展板个数；

根据本发明的一个方面，所述新的消息摘要算法为：包括重要数据A1需要发送时，当A1是充电交易数据时，A1与用户卡密钥CK1、充电设施密码CFK1计算得到固定长度的消息摘要B1，A1与B1合成为C发送，当C传到另一端时，分解成A2与B2，A2与提取的CK2、CFK2计算得到消息摘要B3，比较消息摘要B2与B3，消息摘要B2与B3一致时处理A2，不一致时放弃A2；当A1不是充电交易数据时，CK1和CK2不参与计算。

根据本发明的一个方面，所述的安全通信子模块分为三个层次设计：

a)通信传输层：通信传输层将底层各类通信设备操作进行封装，为上层提供统一的数据收发接口；

b)安全层：负责应用数据的加解密操作，与主站设备进行双向身份认证，以及安全层自身的配置管理与状态监测；

c)应用解析层：接收原始应用数据，进行应用规约解析、数据转换及标准化封装，处理完成后送入安全层进行加密封装。

根据本发明的一个方面，5.8G无线通信模块配置两个以太网口，一个与安全通信子模块通信，用于与充电设施交互数据，一个接高清视频，将充电设施区域视频信号实时上传；5.8G无线通信模块与高性能基站建立无线通道，高性能基站一般建在电网公司的变电站、营业厅等地方的高处，通过以太网口直接接入电力内网，然后连上运营系统。

根据本发明的一个方面，包括后台辅助组态与调试软件，实现远程系统维护和程序升级。

根据本发明的一个方面，支持自动报警、记录自动生成、事故判别与处理，还具有强大的在线自诊断、自愈、自适应、定时任务功能，实现运行管理智能化。

本发明还提出了一种数据传输方法，用于充电设施的数据传输，包括如下步骤：

当重要数据A1需要发送时，采用新的消息摘要算法：

当A1是充电交易数据时，A1与用户卡密钥CK1、充电设施密码CFK1计算得到固定长度的消息摘要B1，A1与B1合成为C发送，当C传到另一端时，分解成A2与B2，A2与提取的CK2、CFK2计算得到消息摘要B3，比较消息摘要B2与B3，消息摘要B2与B3一致时处理A2，不一致时放弃A2；

当A1不是充电交易数据时，CK1和CK2不参与计算。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的系统框图；

图3是本发明的消息摘要实现图；

图4是本发明的安全通信子模块实现图；

图5是5.8G无线自组网通信系统图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

消息摘要算法的主要特征是加密过程不需要密钥，并且经过加密的数据无法被解密，只有输入相同的明文数据经过相同的消息摘要算法才能得到相同的密文。本发明利用充电服务的特点，在充电交易数据等重要数据中加入密钥来计算消息摘要，使理论上能被破解的消息摘要算法变为不可能，保证了重要数据被篡改。

5.8G无线自组网技术：5.8GHz频段是一个开放的ISM频段，频段较干净，受雨衰影响不大，配合定向天线，适合远距离桥接。采用基于OFDM多载波技术，信道带宽能达到20M；配合前向纠错技术，实现在多径和干扰条件下保证系统稳定、可靠的运行；采用分集技术以增强非视距传输能力，极大改善传统无线通讯设备对环境条件的苛刻要求；采用的直接序列扩频技术，加强抗干扰能力；专门的流量带宽分配机制来确保服务质量和延时，实现全充电过程的实时监控和高清视频的稳定传输。

如图1图2所示，本数据采集终端由主CPU板、串口扩展板、无线数据传输模块、5.8G无线通信模块、安全模块、状态显示模块、电源模块、总线底板构成嵌入式系统硬件平台。主CPU板引出3个以太网口和1个JTAG调试口根据需要配置1-4个串口扩展板，每个串口扩展板引出2个RS232口，1个RS485口，1路CAN口。嵌入式linux系统软件平台主要包括bootloader、linux kernel和文件系统。驱动程序包括CPU的初始化，串口，网口和相关文件系统所需要的驱动。在构建的嵌入式系统上开发所需要的应用程序,通过总线与安全模块中的安全通信子模块，安全存储子模块进行数据交互。为了保证充电设施与数据采集终端的高速数据交换，采用以太网口或CAN口与充电设施通信，实现对同一区域内充电设施的运行状态、故障告警、负荷参数、交易记录以及刷卡维护等信息进行集中。收集的信息进行分类处理，重要数据比如充电交易数据、参数配置数据通过安全存储子模块实现大容量的安全存储。数据采集终端可以通过安全模块进行数据的加解密、协议转换，针对每个数据中心不同的管理需求，采用电力光纤内网、无线公网、5.8G无线自组网多种通信方式连接多个数据中心，将区域内的电动汽车充电设施的运行状态、故障告警、负荷参数、充电交易指令，充电交易数据等进行定制转发。

考虑到MPC8315有足够的计算能力，为了防止数据被篡改，特别设计了一种消息摘要的计算方法。如图3所示，重要数据A1需要发送时，当A1是充电交易数据时，A1与CK1（用户卡密钥）、CFK1（充电设施密码）计算得到固定长度的消息摘要B1，A1与B1合成为C发送，当C传到另一端时，分解成A2与B2，A2与提取的CK2、CFK2计算得到消息摘要B3，比较消息摘要B2与B3，消息摘要B2与B3一致时处理A2，不一致时放弃A2。当A1不是充电交易数据时，CK1和CK2不参与计算。充电设施密钥CFK1与CFK2要定时更换，安全保存。采集终端的密钥保存在安全存储子模块中，防止被拷贝或非法访问。

针对数据采集终端通过无线通道传输存在的非授权访问、数据泄漏等风险，在数据采集终端上采取各种软、硬件防护手段进行全面防护。其中安全通信子模块主要解决数据采集终端的安全接入与传输数据的保密性问题，解决数据采集终端的身份认证与访问授权问题。

如图4所示安全通信子模块软件分为三个层次：

⑴通信传输层：通信传输层将底层各类通信设备操作进行封装，为上层提供统一的数据收发接口；

⑵安全层：负责应用数据的加解密操作，与主站设备进行双向身份认证，以及安全层自身的配置管理与状态监测；

⑶应用解析层：接收原始应用数据，进行应用规约解析、数据转换及标准化封装，处理完成后送入安全层进行加密封装。

安全密码算法采用对称SM1算法实现数据的加解密，非对称RSA或ECC算法实现通信双方的高强度身份认证。

如图5所示，5.8G无线通信模块配置两个以太网口，一个与安全通信子模块通信，用于与充电设施交互数据，一个接高清视频，将充电设施区域视频信号实时上传。5.8G无线通信模块与BHS高性能基站建立无线通道，BHS高性能基站一般建在电网公司的变电站、营业厅等地方的高处，通过以太网口直接接入电力内网，然后上运营系统。每个5.8G无线通信模块带宽可达到20M，充电设施监控和高清视频通道的带宽可以根据需要分配，每个基站可以连接多个5.8G无线通信模块，将每个基站覆盖范围内所有的子站接入到该基站。保障充电设施的高速稳定数据交互和高清视频的流畅传输。

根据本发明的一个实施例，数据采集终端包括：主CPU板、串口扩展板、无线数据传输模块、5.8G无线通信模块、安全模块、状态显示模块、电源模块、总线底板。

所述主CPU板采用Freescale基于PowerPC体系结构的嵌入式芯片MPC8315。MPC8315是面向高性能、低功耗、小体积的通信设备而开发的处理器，利用内嵌通信处理单元，引出网口控制器，串口控制器，并辅以大规模FPGA可编程芯片，主CPU板和其他板件之间使用PCI高速数据总线实现数据交互。由定制的bootloader、Linux kernel和文件系统搭建嵌入式操作系统。在MPC8315和Linux组成的嵌入式系统上运行自主开发的应用层程序，实现智能处理、数据通信、数据存储、安全访问功能。

所述串口扩展板插在总线底板上，总线底板上设计4个串口扩展板插槽，根据需求配置串口扩展板个数。串口扩展板采用单芯片解决方案，每个串口扩展板采用1片Freescale的MCF52234 ColdFire微控制器，自带CAN 2.0B控制器，3个UART口，MCF52234通过100M以太网与主CPU板组成局域网，数据高速共享，每块串口扩展板设计引出2个RS232口，1个RS485口，1个CANBUS总线口，加设安全防护；

所述无线数据传输模块插拔式独立设计，根据需求不同配置不同，可以支持GPRS、CDMA、WCDMA三种无线网络制式中的一种。当使用支持GPRS、CDMA模块时，原始数据经过RS232口与无线数据传输模块数据交换；当使用支持WCDMA模块时，原始数据经过以太网口与无线数据传输模块数据交换。无线数据传输模块内部集成TCP/IP协议栈、支持自动心跳，链路支持永久在线、透明传输、远程参数配置，永久保存；

所述5.8G无线通信模块插拔式独立设计，5.8GHz频段是一个开放的ISM频段，可以组成高容量点到多点系统，支持高级OFDM&MIMO 2×2/分集技术以增强非视距能力，高发送功率以支持长距离覆盖，无障碍穿透能力，强抗干扰能力，专门流量带宽分配机制，专门用于解决无线公网信号无覆盖，或者需要承载高清视频监控图像，无线公网带宽不够的场合。

所述安全模块包括安全通信子模块和安全存储子模块，实现安全存储、数据加解密、双向身份认证、访问控制等安全功能。

所述状态显示模块采用LED灯显示电源状态、装置工作状态，各个CPU工作状态，以太网、串口、CAN网通信状态；

所述电源模块采用抗干扰能力强的开关电源组成，接入220V交直流电压，为装置提供工作电源；

所述总线底板，包含一个支持Linux命令的JTAG调试口，与主CPU板、串口扩展板、无线数据传输模块、5.8G无线通信模块、安全模块、状态显示模块、电源模块之间通过PCI高速数据总线连接，实现高速数据交换。

所述数据采集终端还包括后台辅助组态与调试软件，实现远程系统维护和程序升级。

所述数据采集终端支持自动报警、记录自动生成、事故判别与处理等方面，还具有强大的在线自诊断、自愈、自适应、定时任务功能，实现运行管理智能化。

虽然已在具体实施方案中描述了本发明的实施方案及其各种功能组件，但是应当理解，可以用硬件、软件、固件、中间件或它们的组合来实现本发明的实施方案，并且本发明的实施方案可以用在多种系统、子系统、组件或其子组件中。当用软件或固件来实现时，本发明的单元是用于执行必要任务的指令/代码段。程序或代码段可被存储在机器可读介质(例如，处理器可读介质或计算机程序产品)中，或者在传输介质或通信链路中，通过包含在载波或由载波调制的信号中的计算机数据信号来传输。机器可读介质可以包括可存储或传输机器(例如，处理器、计算机等)可读并可执行形式的信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子线路、半导体存储器件、ROM、闪存、可擦除可编程ROM(EPROM)、软盘、压缩盘(CD-ROM)、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路等。计算机数据信号可以包括可在传输介质上传播的任何信号，所述传输介质例如是电子网络信道、光纤、空气、电磁介质、射频(RF)链路、条形码等。代码段可以经由因特网、企业内部网等网络来下载。

虽然本发明已经详细的示出并描述了一个相关且特定的实施范例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上做出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于嵌入式系统的充电设施数据采集终端，基于嵌入式系统设计，嵌入式系统由嵌入式硬件系统PowerPC，嵌入式操作系统Linux组成，其特征在于，包括如下部分：

主CPU板；

串口扩展板，插在总线底板上，根据需求配置串口扩展板个数；

无线数据传输模块；

5.8G无线通信模块；

安全模块，安全模块包括了安全通信子模块和安全存储子模块，其中采用新的消息摘要算法；

状态显示模块；

电源模块；

总线底板。

2.根据权利要求1所述的充电设施数据采集终端，其特征在于：

所述主CPU板采用基于PowerPC体系结构的嵌入式芯片MPC8315，可在MPC8315和Linux组成的嵌入式系统上运行应用层程序，实现智能处理、数据通信、数据存储、安全访问功能。

3.根据权利要求1所述的充电设施数据采集终端，其特征在于：

所述串口扩展板插在总线底板上，根据需求配置串口扩展板个数。

4.根据权利要求1所述的充电设施数据采集终端，其特征在于：

所述新的消息摘要算法为：包括重要数据A1需要发送时，当A1是充电交易数据时，A1与用户卡密钥CK1、充电设施密码CFK1计算得到固定长度的消息摘要B1，A1与B1合成为C发送，当C传到另一端时，分解成A2与B2，A2与提取的CK2、CFK2计算得到消息摘要B3，比较消息摘要B2与B3，消息摘要B2与B3一致时处理A2，不一致时放弃A2；当A1不是充电交易数据时，CK1和CK2不参与计算。

5.根据权利要求1所述的充电设施数据采集终端，其特征在于：

所述的安全通信子模块分为三个层次设计：

d)通信传输层：通信传输层将底层各类通信设备操作进行封装，为上 层提供统一的数据收发接口；

e)安全层：负责应用数据的加解密操作，与主站设备进行双向身份认证，以及安全层自身的配置管理与状态监测；

f)应用解析层：接收原始应用数据，进行应用规约解析、数据转换及标准化封装，处理完成后送入安全层进行加密封装。

6.根据权利要求1所述的充电设施数据采集终端，其特征在于：

5.8G无线通信模块配置两个以太网口，一个与安全通信子模块通信，用于与充电设施交互数据，一个接高清视频，将充电设施区域视频信号实时上传；5.8G无线通信模块与高性能基站建立无线通道，高性能基站一般建在电网公司的变电站、营业厅等地方的高处，通过以太网口直接接入电力内网，然后连上运营系统。

7.根据权利要求1所述的充电设施数据采集终端，其特征在于：

包括后台辅助组态与调试软件，实现远程系统维护和程序升级。

8.根据权利要求1所述的充电设施数据采集终端，其特征在于：

支持自动报警、记录自动生成、事故判别与处理，还具有强大的在线自诊断、自愈、自适应、定时任务功能，实现运行管理智能化。

9.一种数据传输方法，用于充电设施的数据传输，其特征在于，包括如下步骤：

当重要数据A1需要发送时，采用新的消息摘要算法：

当A1是充电交易数据时，A1与用户卡密钥CK1、充电设施密码CFK1计算得到固定长度的消息摘要B1，A1与B1合成为C发送，当C传到另一端时，分解成A2与B2，A2与提取的CK2、CFK2计算得到消息摘要B3，比较消息摘要B2与B3，消息摘要B2与B3一致时处理A2，不一致时放弃A2；

当A1不是充电交易数据时，CK1和CK2不参与计算。 

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