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摘要： 本文设计并实现了一种以STM32F103ZET6单片机为核心的智能充电桩计费系统。系统通过电压/电流传感器（ACS712/INA226）实时监测充电参数，并具备过压、过流、欠压、过温等多重保护机制。采用RFID模块（RC522）进行用户身份认证和充电过程管理，实现刷卡计费功能。通过OLED显示屏进行本地参数显示，通过WiFi模块（ESP8266）或4G模块（EC200N）将数据上传至云平台，用户可通过手机APP进行远程监控与参数设置。测试结果表明，该系统运行稳定，计量准确，安全可靠，满足了智能充电桩的基本需求。
关键词： STM32；充电桩；计费系统；RFID；安全保护；物联网

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一、引言

（一）研究背景及意义

随着电动汽车和电动自行车的普及，充电需求呈现爆发式增长。传统充电方式存在管理不便、计费不透明、安全性不足等问题。智能充电桩作为能源补给与物联网技术的结合点，能够实现远程监控、精准计费、安全防护和高效管理，对于推动新能源汽车产业发展、建设智慧城市基础设施具有重要意义。本项目旨在设计一款低成本、高可靠性、具备联网功能的智能充电桩计费系统原型。

（二）国内外研究现状

目前，国内外智能充电桩市场发展迅速。国外厂商如特斯拉、ChargePoint等提供了从高端超充到商用充电的整体解决方案。国内国家电网、特来电、星星充电等企业也在大力布局充电网络。这些商用充电桩功能完善但系统复杂、成本高昂。在社区、商场等场景下，对两轮/三轮电动车进行充电的智能插座式充电桩需求巨大。本项目聚焦于此，提供一个集成计量、计费、控制和联网功能的嵌入式解决方案，具有较高的工程实践价值。

二、系统总体设计

（一）系统架构

系统采用分层设计：

1. 主控层： STM32作为核心控制器，负责所有业务的处理。

2. 感知层： 电压电流检测模块、温度传感器、RFID读卡器。

3. 执行层： 继电器（控制电路通断）。

4. 交互层： OLED显示屏、按键。

5. 通信层： WiFi/4G模块，负责与云平台通信。

6. 应用层： 云平台和手机APP，提供远程服务。

（二）功能模块划分

1. 电力监测模块： 电压、电流采样与计算。

2. 安全保护模块： 过压、过流、欠压、过温保护与自动断电。

3. 计费管理模块： RFID身份识别、计时/计电度计费。

4. 人机交互模块： 按键设置、OLED显示。

5. 通信模块： 无线数据上传与远程控制。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

系统硬件配置与功能说明表

1. 主控单元

器件名称	推荐型号	接口	功能说明
STM32单片机	STM32F103C8T6	-	作为系统核心，负责数据采集、安全保护、计费计算、通信处理。

2. 检测与输入单元

器件名称	推荐型号/类型	接口	功能说明
电压检测模块	分压电阻网络	ADC	实时监测充电电压，范围0-60V，精度±0.1V。
电流检测模块	ACS712	ADC	实时监测充电电流，范围0-20A，精度±0.1A。
温度传感器	DS18B20	单总线	监测充电桩温度，范围-55°C至+125°C，防止过热。
RFID读卡模块	RC522	SPI	识别用户IC卡，实现刷卡计费功能。
按键模块	轻触开关 × 4	GPIO	功能：参数设置、模式切换、确认、取消。

3. 执行器单元

器件名称	推荐型号/类型	接口	功能说明
电源继电器	30A大功率继电器	GPIO	控制充电电源通断，支持过流、过压、过热保护断电。
OLED显示屏	SSD1306	I²C	显示电压、电流、功率、费用、温度等信息。
蜂鸣器	5V有源蜂鸣器	GPIO	操作提示和报警提示音。
状态指示灯	RGB LED	PWM	显示系统状态：绿色(充电中)、蓝色(待机)、红色(故障)。

4. 通信单元

器件名称	推荐型号	接口	功能说明
WiFi模块	ESP-01S	UART	连接云平台，实现远程监控和数据管理。

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核心功能逻辑说明

1. 安全保护系统

• 过压保护：

  • if (电压 > 设定过压阈值) { 立即断电; 蜂鸣器报警; OLED显示"过压保护"; }

• 过流保护：

  • if (电流 > 设定过流阈值) { 立即断电; 蜂鸣器报警; OLED显示"过流保护"; }

• 温度保护：

  • if (温度 > 设定温度阈值) { 立即断电; 蜂鸣器报警; OLED显示"过热保护"; }

• 充电状态检测：

  • if (电压 < 1V && 电流 < 0.1A) { 判断为未充电状态; 自动断电; }

2. 计费系统

• 刷卡启动：

  • 用户刷卡 → 读取卡号 → 开始计时计费 → 启动充电

• 计费算法：

  • 费用 = 时间(小时) × 费率(元/小时) + 电量(度) × 电费(元/度)

  • 支持时间和电量双重计费模式

• 刷卡结束：

  • 再次刷卡 → 停止计时 → 计算总费用 → 断电 → 显示费用信息

3. 参数设置功能

• 可设置参数：

  • 过压保护阈值（默认58V）

  • 过流保护阈值（默认15A）

  • 温度保护阈值（默认75°C）

  • 计费费率（元/小时）

  • 电费价格（元/度）

4. OLED显示界面

充电状态显示：
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电压: 54.2V    电流: 8.5A
功率: 460W     温度: 45°C
时间: 01:25:36 费用: 3.50元
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故障报警显示：
----------------
   过压保护！
  请检查设备
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5. 远程监控功能

• APP实时显示：

  • 实时电压、电流、功率

  • 充电时间和累计费用

  • 设备温度状态

  • 历史充电记录

• APP远程控制：

  • 远程参数设置

  • 费率调整

  • 故障报警通知

  • 远程紧急断电

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

• IDE： Keil MDK或STM32CubeIDE

• 库： HAL库或标准库

• 系统： 考虑业务逻辑复杂，可引入FreeRTOS实时操作系统，将数据采集、通信、UI显示等任务分离，提高系统稳定性和响应性。

（二）系统软件流程图（基于FreeRTOS）

（三）关键功能代码片段

1. 电力数据采集与计算（代码片段）

// 使用INA226
float Read_BusVoltage(void) {
    uint16_t reg_val = INA226_ReadRegister(INA226_REG_BUS_VOLTAGE);
    return (float)reg_val * 0.00125; // LSB=1.25mV
}

float Read_Current(void) {
    uint16_t reg_val = INA226_ReadRegister(INA226_REG_CURRENT);
    // return (float)reg_val * Current_LSB; // Current_LSB需根据采样电阻校准计算
    return reg_val * 0.1; // 示例简化
}

void Energy_Calculation_Task(void *pvParameters) {
    float power, energy_Wh = 0;
    TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
    const TickType_t xFrequency = pdMS_TO_TICKS(1000); // 每1秒计算一次

    for(;;) {
        power = Read_BusVoltage() * Read_Current(); // 计算瞬时功率 (W)
        energy_Wh += power / 3600.0;                // 累计能量 (Wh = W * s / 3600)
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
    }
}

2. 安全保护逻辑（代码片段）

void Safety_Protection_Task(void *pvParameters) {
    for(;;) {
        float v = Read_BusVoltage();
        float i = Read_Current();
        float t = DS18B20_ReadTemp();

        if((v > OVER_VOLTAGE_THRESHOLD) || (i > OVER_CURRENT_THRESHOLD)) {
            Relay_OFF();
            printf("ALARM: Over Voltage/Current!\r\n");
        } else if(t > OVER_TEMP_THRESHOLD) {
            Relay_OFF();
            printf("ALARM: Over Temperature!\r\n");
        } else if((v < 1.0) && (i < 0.1)) { // 电压低于1V且电流很小，判定为空载
            Relay_OFF();
            printf("ALARM: No Load/Charging Finished!\r\n");
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200)); // 200ms检查一次
    }
}

3. RFID计费逻辑（代码片段）

void RFID_Task(void *pvParameters) {
    uint8_t uid[10];
    for(;;) {
        if(RC522_CheckCard(uid)) { // 检测到卡
            Card_Info card = Get_Card_Info_From_EEPROM(uid); // 从数据库（EEPROM）查询卡信息

            if(card.status == IDLE) {
                card.status = CHARGING;
                card.start_time = xTaskGetTickCount();
                card.start_energy = energy_Wh;
                Relay_ON();
                Save_Card_Info(uid, card); // 更新卡状态
            } else if(card.status == CHARGING) {
                card.status = IDLE;
                card.end_time = xTaskGetTickCount();
                card.end_energy = energy_Wh;
                Relay_OFF();

                float used_energy = card.end_energy - card.start_energy;
                float cost = used_energy * UNIT_PRICE; // UNIT_PRICE 单价（元/度，1度=1kWh）
                card.balance -= cost;

                Save_Card_Info(uid, card); // 扣费并保存
            }
            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 防止重复读卡
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
    }
}

4. 云平台通信（伪代码）

// 基于AT指令的ESP8266 MQTT通信示例
void MQTT_Publish_Data(void) {
    char json_buffer[256];
    sprintf(json_buffer,
            "{\"voltage\":%.2f,\"current\":%.2f,\"power\":%.2f,\"energy\":%.2f,\"temp\":%.1f,\"status\":%d}",
            voltage, current, power, energy_Wh, temperature, relay_status);
    // 示例AT指令: AT+MQTTPUB=0,"device/topic",json_buffer,0,0
    ESP8266_Send_Command("AT+MQTTPUB=0,\"device/topic\",\"%s\",0,0\r\n", json_buffer);
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

1. 计量精度测试： 使用标准功率计与系统测量值进行对比，校准INA226的采样电阻和计算参数。

2. 功能测试：

   • RFID计费： 模拟刷卡开始、结束，检查扣费金额是否正确。

   • 保护测试： 模拟过压、过流、过温条件，测试继电器是否及时断开。

   • 通信测试： 测试数据上传和远程控制指令的下发是否正常。

3. 长时间老化测试： 带载运行24小时以上，检查系统稳定性、温升情况。

（二）测试结果与分析

测试项目	测试条件	预期结果	实际结果	结论
计量精度	接入5A/50V负载	测量值与标准表误差<±2%	误差约±1.5%	合格，需软件校准
过流保护	电流超过15A	继电器在1s内断开	约800ms后断开	合格
RFID扣费	充电消耗0.5kWh	按预设单价正确扣费	扣费金额准确	合格
数据上传	网络正常	数据成功上报云平台	数据实时更新	合格

（三）系统优化

1. 软件校准： 在代码中增加校准系数，对电压、电流的测量值进行线性补偿，进一步提高计量精度。

2. EEPROM存储： 将系统参数（单价、阈值）和用户卡信息存储在STM32的片内Flash或外置EEPROM芯片中，防止掉电丢失。

3. 看门狗： 启用STM32的独立看门狗（IWDG）和窗口看门狗（WWDG），在程序跑飞时自动复位，提高系统可靠性。

4. 故障记录： 在EEPROM中循环存储最近10条故障记录（如过流、过压发生的时间和数据），便于后期诊断维护。

六、结论与展望

（一）结论

本项目成功设计并实现了一个功能完备的智能充电桩计费系统原型。系统完成了电力参数监测、RFID身份识别与计费、多重安全保护、本地人机交互和远程监控等核心功能。硬件选型合理，软件设计采用FreeRTOS，稳定可靠。测试结果表明，系统达到了设计目标，为实际产品化打下了坚实的基础。

（二）未来展望

1. 支付集成： 集成二维码识别模块，支持微信、支付宝等扫码支付，适应更广泛的用户习惯。

2. 屏幕升级： 采用触摸屏，提供更丰富的交互体验和更详细的信息展示。

3. 有序充电： 与后台管理系统结合，实现峰谷电价计费、充电队列调度等功能，优化电网负荷。

4. 标准协议： 遵循OCPP（Open Charge Point Protocol） 等国际标准协议进行开发，实现与不同充电运营管理平台的互联互通。

5. GPRS/4G联网： 针对户外场景，升级为4G Cat.1或NB-IoT通信，实现更广域的覆盖。

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