基于NB-IoT的充電樁數據監控及合理分配

孫潔,房新燦,劉曉悅

(華北理工大學 電氣工程學院,河北 唐山 063200)

0 引 言

隨著社會的發展,工業減排已經初見效果,而汽車尾氣的排放已經成為城市中最大的污染源。如何治理汽車尾氣已經成為當代亟需解決的問題,尋找清潔能源才是治理汽車尾氣的真正意義所在,其中電能首當其沖,成為代替汽油的第一選擇。而電動汽車的出現給治理汽車尾氣帶來了希望。隨著電動汽車的普及,如何能夠快速充電,充電樁應該建在何處,充電樁應該建多少又成為新的問題。

如果能夠及時收集充電地點與充電電量,然后進行統一規劃,就可以分析出應該在城市建設多少充電樁,充電樁應該建在何處。基于數據的監控和充電樁的統一管理[1-2]來解決以上需求,本文提出了一種基于窄帶物聯網NB-IoT[3-4](narrow band Internet of Things)的充電樁信息采集遠程監控,能夠實時在線監測到每一座充電樁中電能的使用情況以及用戶的消費情況。進而對該城市中充電樁的建設和分布進行統一規劃[5]。

1 系統的總體設計

文章設計的充電樁數據采集系統主要是為了實現對用戶信息的統一管理和每個充電樁電能的使用情況。

NB-IoT的主要運行方式如圖1所示,為了能夠更好地監測每一座充電樁,采集到每座充電樁的準確數據,采用了SIM卡關聯方式,使得所有的通信終端必然和SIM卡相關聯。

圖1 充電樁通信網絡拓撲結構

采用NB-IoT技術進行通信,可以將整個系統劃分為感知層、網絡層、應用層[6]。感知層的主要作用是對充電樁的各種數據信息進行采集,主要是當用戶進行刷卡充電的行為時,采集當前用戶的信息和用戶在充電時所使用的電能消耗量。網絡層以窄帶物聯網技術為主要的通信手段,NB-IoT模塊把采集到的數據通過基站傳輸到云服務器進行存儲。應用層中的Web服務器、數據庫和管理平臺三方共享云服務器中的數據信息,以起到對充電樁進行監管的目的。

2 方案對比

目前能夠支持充電樁進行無線傳輸的無線組網分為以下三種:窄帶網聯網、Zigbee、LoRa。和其他兩種無線組網相比,窄帶網聯網是5G時代物聯網的技術核心,未來有非常可觀的發展前景。Zigbee主要用于短距離數據傳輸,要想在超長距離進行數據傳輸必須有其他無線組網進行結合使用,目前與Zigbee相結合最多的無線組網是GPRS[7]。LoRa[8]可以進行超長距離傳輸,同時具備許多和NB-IoT相似的特點,低功率、大鏈接、低成本等特點,但是LoRa采用的免費的頻段進行通信,而且意味著安全性低,還有就是LoRa需要建立單獨的基站,使開銷更大。表1為3種網絡的參數對比。

表1 NB-IoT, Zigbee, LoRa參數對比表

通過對比不同的三種無線組網,發現NB-IoT的發射功率較其他兩種要大得多,也就是說NB-IoT的覆蓋范圍更廣,傳輸距離更遠。而ZigBee無法進行遠程傳輸,LoRa的安全性較低,再加上NB-IoT擁有低功耗,低成本,大容量等特點,最終選擇了NB-IoT作為本次無線傳輸的技術手段。

3 硬件電路設計

3.1 充電樁采集系統總體設計

充電樁的數據采集系統主要以控制存儲單元為主,同時輔以NB-IoT通信模塊、智能卡信息采集模塊、電能采集模塊、溫濕度采集模塊。智能卡信息采集模塊的主要作用是當用戶進行刷卡時,對用戶的刷卡信息進行采集,電能采集模塊的主要作用是當用戶完成刷卡之后,選擇充電模式時對用戶所使用的電能量進行計算。控制存儲單元起到的作用是把電能模塊和智能卡信息采集模塊采集到信息進行數據處理,最終通過通信模塊(NB-IoT)把處理之后的信息傳輸到上位機。采集系統總體設計圖如圖2所示。

圖2 采集系統總體設計圖

3.2 充電樁數據處理模塊設計

通過對實現功能分析和物聯網低功耗的特點,最終選擇STM32103VE芯片完成對用戶信息和電能信息進行數據采集和處理[9-10]。STM32103VE是基于32位的ARM Cortex-M3內核,并且它擁有獨立的指令總線和數據總線,取指與數據訪問可以同時進行。并且STM32103VE片上資源豐富,能夠滿足電能采集、智能卡信息采集、NB-IoT通信等需求。STM32103VE能夠完全滿足充電樁的所有要求而且功耗非常低,主要是因為物聯網終端控制芯片大多處于待機模式,處于等待喚醒的狀態。該芯片的電路圖如圖3所示。

3.3 充電樁智能卡模塊設計

文中采用的RC522是應用于13.56 MHz非接觸式通信中的高集成度的讀寫卡芯片,是進行用戶信息采集的關鍵核心部件,擁有集成度高、價格便宜、工作電壓低的特點。RC522支持MIFARE系列更高速的非接觸式通信,數據傳輸速率非常快,最高可高達424 kbit/s,通信方式采用的是串行通信,優點是連線少,芯片體積小。RC522提供三種不同的模式可供用戶自行選擇,分別是SPI,IIC和UART模式,減少內部的連線,使PCB集成度更高,同時也能節約成本。圖4為智能卡信息采集電路圖。

圖4 智能卡信息采集電路圖

3.4 充電樁電能采集模塊設計

充電樁的電能采集模塊不僅是充電樁的一個重要組成部分,更是本次設計的核心內容。通過電能采集模塊能夠更加清晰地了解到每個地區的電能使用情況,還能了解到該區域對充電樁的使用頻率和使用節點。在此基礎上,能夠更好地對充電樁的分布進行規劃和管理。

文中采用的電能采集模塊為IM1281,IM1281的工作電壓為DC 3.3V～5.5V,能夠滿足低功耗的要求。IM1281模塊電路圖如圖5所示。

圖5 電能采集模塊電路圖

該模塊的通信規約采用Modbus-RTU 通信協議,擁有高兼用型,更加方便通信和開發。由圖5可以得知,PE6控制繼電器完成充電,用IC卡刷卡時,PE6的電平高低跳轉[11]。

由圖5可以知,為了使電能采集模塊可以有效地與控制存儲單元進行通信,IM1281的RXD的引腳與STM32的PA2引腳相連,IM1281的TXD引腳與STM32的PA3引腳相連,電能采集模塊采集到的數據信息傳輸到控制存儲單元進行處理。

3.5 充電樁通信模塊電路設計

采用的NB-IoT通信模塊為NB73,NB73的電源輸入范圍是3.1 V～4.2 V,電壓典型值為3.8 V。Active模式下的發射電流為302 mA,接受電流為64.5 mA,Idle模式下電流為4.3 mA,PSM模式下電流為5 μA,完全符設計要求。

圖6 為NB73 的接口電路圖,由圖6可知,通信模塊除了NB73之外還多加入了一個B0503S-2W 模塊和一個ADUM1201模塊,起到隔離作用。

圖6 NB73 的接口電路圖

由圖6可知,ADUM1201的ViB和VoA引腳各串聯一個10 kΩ的電阻,作用是使ADUM1201和NB73進行電平匹配,使數據采集控制器能夠有效地與通信模塊進行通信。圖7為SIM卡外圍電路圖,其中 SIM_CLK為SIM卡的時鐘引腳,SIM_DAT為SIM卡的數據引腳,SIM_RST為SIM卡的復位引腳,這三個引腳分別和圖6中NB73相應的引腳相接。

圖7 SIM 卡外圍電路圖

由圖7可知,除了SIM卡電路圖,還有一個ESD模塊電路圖,其目的是為了保護SIM卡在充電樁中通信工作時免受干擾。

4 軟件設計

4.1 智能卡模塊軟件設計

采用S50非接觸式IC卡作為智能卡,具有防沖撞機制,支持多卡操作。容量為8 Kbit的EEPROM,共分為16各扇區,每個扇區由四塊組成,分為塊0、塊1、塊2、塊3,每個扇區有獨立的一組密碼和訪問控制[12]。第0扇區的第0塊用于存放廠商代碼,不可更改。每個扇區的塊0,塊1,塊2為數據塊,其目的是為了儲存數據。而每個扇區的塊3為控制塊,包括密碼A、存取控制及密碼B[13-14]。

當用戶進行刷卡操作的時候,S50與RC522進行通信,而控制存儲單元就會在SPI模式下把指令發送到RC522,完成用戶信息的采集。智能卡的軟件流程圖8所示。

圖8 智能卡軟件流程圖

4.2 電能采集模塊軟件設計

電能模塊的通信規約采用的是Modbus-RTU通信協議,數據格式包括地址碼、功能碼、數據區和CRC校驗碼。

當通信命令由發送設備(主機)發送至接收設備(從機)時,符合相應地址碼的從機接收通信命令,并根據功能碼及相關要求讀取信息,如果CRC校驗無誤,則執行相應的任務,然后把執行結果(數據)返送給主機[15]。返回的信息中包括地址碼、功能碼、執行后的數據以及CRC校驗碼。如果CRC校驗出錯就不返回任何信息。具體的流程圖如圖9所示。

圖9 電能采集軟件流程圖

4.3 通信模塊電路軟件設計

NB-IoT負責充電樁終端和服務器之間的數據交互,通過AT指令來進行發送與接收數據的。充電樁的終端通過串口以AT指令的形式將數據發送到NB-IoT模塊,之后NB-IoT模塊把接收到的數據通過CoAP協議將數據發送至物聯網管理平臺。本設計用到的AT指令集及其功能說明見表2所示。

表2 主要的 AT 指令表

4.4 云服務軟件設計

應用層軟件采用Java語言開發,工程由主流的SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis) 框架搭建[16]。該部分主要實現的是通過物聯網平臺北向接口獲取數據以及進行處理顯示,方便管理人員查看。為了方便管理人員,應用層主要包括以下各模塊:(1)充電樁管理。在充電樁管理可以查看所有樁的詳細信息。包括充電樁編碼、設備名稱、所屬站、充電類型、運營狀態、充電樁登記時間。同時可以對充電樁進行新建、搜索、修改、注銷、升級、重啟、查看日志等功能操作。(2)充電站管理。在充電站管理可以查看所有站的詳細信息。包括 充電站名稱、充電樁數量、所屬區域、運營狀態、投運時間。同時可以對充電樁進行新建、搜索、修改、注銷、升級、重啟、查看日志等功能操作。(3)計費規則。管理員對充電樁、充電站的計費規則進行管理設置,包括查看、新建、修改、下發等功能。(4)充電樁監控。模塊負責監控充電樁當前運營數據和狀態,管理員可以根據運營商和站點查看正常服務的充電樁、網絡離線的充電樁、發生告警的充電樁、有歷史告警的充電樁、停止運營的充電樁以及全部充電樁的數據和狀態。(5)告警管理。對充電樁發生故障告警查詢,包括告警發生的時間、平臺告警碼、告警原因、處理結果等信息。

5 系統測試

通過NB-IoT平臺和云服務器通信,保證了信號安全可靠的傳輸。實地安裝完成后,在應用層軟件中添加每一個充電樁的信息,軟件接入高德地圖,將每個充電樁的位置標注在地圖上,鼠標點擊標識點可以顯示該充電樁的電量的使用情況和收入,通過監控某個地區的充電樁的電量使用情況,可以很清楚地了解到該地區對充電樁電量的需求,進而可以更好的對充電樁進行合理的規劃。

經過一段時間的測試,每一個充電樁終端都能夠及時反應告警信息,可以實現充電樁溫濕度異常、設備異常等告警。能夠有效地幫助管理人員對充電樁的監管,協助工作人員對充電樁進行維護。

以華商2號站為例,當想要查看該地區的電能使用情況的時候,直接在地圖上點擊該地區就可以清楚地了解到該地區充電樁的電能使用情況和服務量,如圖10所示。當然也可以在電腦終端上查看該地區一段時間內的電能使用情況。以華商2號站為例,如圖11所示,這是一個月來華商2號站充電樁的電能使用情況和服務數量。通過圖11 可以看出華商2號站這一個月來,電能使用量最高的一天才不過30 kW·h電量,服務量最高的一天才6次。由此可以看出該地區放置兩個充電樁有些浪費,應該做出相應的減量,放置一個充電樁是比較合理的。

圖10 華商2號充電站詳情

圖11 充電樁電能使用情況

6 結束語

基于NB-IoT的充電樁數據監控,結合電能采集模塊、智能卡信息采集模塊、通信模塊(NB-IoT),能夠在遠程終端清楚地監測到每一充電樁的電能使用情況,進而合理地對某一地區充電樁進行合理規劃。

該方案的實施能夠在很短的時間內對多地區的充電樁同時進行監控,經過一段時間的試用,可以清楚地了解到每個地區,每個充電樁的電能使用情況,然后結合現實情況,對該地區的充電樁進行合理地調整,使得充電樁資源分配更加合理化。