基于NB-IoT的充电桩数据监控及合理分配

孙洁,房新灿,刘晓悦

(华北理工大学 电气工程学院,河北 唐山 063200)

0 引 言

随着社会的发展,工业减排已经初见效果,而汽车尾气的排放已经成为城市中最大的污染源。如何治理汽车尾气已经成为当代亟需解决的问题,寻找清洁能源才是治理汽车尾气的真正意义所在,其中电能首当其冲,成为代替汽油的第一选择。而电动汽车的出现给治理汽车尾气带来了希望。随着电动汽车的普及,如何能够快速充电,充电桩应该建在何处,充电桩应该建多少又成为新的问题。

如果能够及时收集充电地点与充电电量,然后进行统一规划,就可以分析出应该在城市建设多少充电桩,充电桩应该建在何处。基于数据的监控和充电桩的统一管理[1-2]来解决以上需求,本文提出了一种基于窄带物联网NB-IoT[3-4](narrow band Internet of Things)的充电桩信息采集远程监控,能够实时在线监测到每一座充电桩中电能的使用情况以及用户的消费情况。进而对该城市中充电桩的建设和分布进行统一规划[5]。

1 系统的总体设计

文章设计的充电桩数据采集系统主要是为了实现对用户信息的统一管理和每个充电桩电能的使用情况。

NB-IoT的主要运行方式如图1所示,为了能够更好地监测每一座充电桩,采集到每座充电桩的准确数据,采用了SIM卡关联方式,使得所有的通信终端必然和SIM卡相关联。

图1 充电桩通信网络拓扑结构

采用NB-IoT技术进行通信,可以将整个系统划分为感知层、网络层、应用层[6]。感知层的主要作用是对充电桩的各种数据信息进行采集,主要是当用户进行刷卡充电的行为时,采集当前用户的信息和用户在充电时所使用的电能消耗量。网络层以窄带物联网技术为主要的通信手段,NB-IoT模块把采集到的数据通过基站传输到云服务器进行存储。应用层中的Web服务器、数据库和管理平台三方共享云服务器中的数据信息,以起到对充电桩进行监管的目的。

2 方案对比

目前能够支持充电桩进行无线传输的无线组网分为以下三种:窄带网联网、Zigbee、LoRa。和其他两种无线组网相比,窄带网联网是5G时代物联网的技术核心,未来有非常可观的发展前景。Zigbee主要用于短距离数据传输,要想在超长距离进行数据传输必须有其他无线组网进行结合使用,目前与Zigbee相结合最多的无线组网是GPRS[7]。LoRa[8]可以进行超长距离传输,同时具备许多和NB-IoT相似的特点,低功率、大链接、低成本等特点,但是LoRa采用的免费的频段进行通信,而且意味着安全性低,还有就是LoRa需要建立单独的基站,使开销更大。表1为3种网络的参数对比。

表1 NB-IoT, Zigbee, LoRa参数对比表

通过对比不同的三种无线组网,发现NB-IoT的发射功率较其他两种要大得多,也就是说NB-IoT的覆盖范围更广,传输距离更远。而ZigBee无法进行远程传输,LoRa的安全性较低,再加上NB-IoT拥有低功耗,低成本,大容量等特点,最终选择了NB-IoT作为本次无线传输的技术手段。

3 硬件电路设计

3.1 充电桩采集系统总体设计

充电桩的数据采集系统主要以控制存储单元为主,同时辅以NB-IoT通信模块、智能卡信息采集模块、电能采集模块、温湿度采集模块。智能卡信息采集模块的主要作用是当用户进行刷卡时,对用户的刷卡信息进行采集,电能采集模块的主要作用是当用户完成刷卡之后,选择充电模式时对用户所使用的电能量进行计算。控制存储单元起到的作用是把电能模块和智能卡信息采集模块采集到信息进行数据处理,最终通过通信模块(NB-IoT)把处理之后的信息传输到上位机。采集系统总体设计图如图2所示。

图2 采集系统总体设计图

3.2 充电桩数据处理模块设计

通过对实现功能分析和物联网低功耗的特点,最终选择STM32103VE芯片完成对用户信息和电能信息进行数据采集和处理[9-10]。STM32103VE是基于32位的ARM Cortex-M3内核,并且它拥有独立的指令总线和数据总线,取指与数据访问可以同时进行。并且STM32103VE片上资源丰富,能够满足电能采集、智能卡信息采集、NB-IoT通信等需求。STM32103VE能够完全满足充电桩的所有要求而且功耗非常低,主要是因为物联网终端控制芯片大多处于待机模式,处于等待唤醒的状态。该芯片的电路图如图3所示。

3.3 充电桩智能卡模块设计

文中采用的RC522是应用于13.56 MHz非接触式通信中的高集成度的读写卡芯片,是进行用户信息采集的关键核心部件,拥有集成度高、价格便宜、工作电压低的特点。RC522支持MIFARE系列更高速的非接触式通信,数据传输速率非常快,最高可高达424 kbit/s,通信方式采用的是串行通信,优点是连线少,芯片体积小。RC522提供三种不同的模式可供用户自行选择,分别是SPI,IIC和UART模式,减少内部的连线,使PCB集成度更高,同时也能节约成本。图4为智能卡信息采集电路图。

图4 智能卡信息采集电路图

3.4 充电桩电能采集模块设计

充电桩的电能采集模块不仅是充电桩的一个重要组成部分,更是本次设计的核心内容。通过电能采集模块能够更加清晰地了解到每个地区的电能使用情况,还能了解到该区域对充电桩的使用频率和使用节点。在此基础上,能够更好地对充电桩的分布进行规划和管理。

文中采用的电能采集模块为IM1281,IM1281的工作电压为DC 3.3V～5.5V,能够满足低功耗的要求。IM1281模块电路图如图5所示。

图5 电能采集模块电路图

该模块的通信规约采用Modbus-RTU 通信协议,拥有高兼用型,更加方便通信和开发。由图5可以得知,PE6控制继电器完成充电,用IC卡刷卡时,PE6的电平高低跳转[11]。

由图5可以知,为了使电能采集模块可以有效地与控制存储单元进行通信,IM1281的RXD的引脚与STM32的PA2引脚相连,IM1281的TXD引脚与STM32的PA3引脚相连,电能采集模块采集到的数据信息传输到控制存储单元进行处理。

3.5 充电桩通信模块电路设计

采用的NB-IoT通信模块为NB73,NB73的电源输入范围是3.1 V～4.2 V,电压典型值为3.8 V。Active模式下的发射电流为302 mA,接受电流为64.5 mA,Idle模式下电流为4.3 mA,PSM模式下电流为5 μA,完全符设计要求。

图6 为NB73 的接口电路图,由图6可知,通信模块除了NB73之外还多加入了一个B0503S-2W 模块和一个ADUM1201模块,起到隔离作用。

图6 NB73 的接口电路图

由图6可知,ADUM1201的ViB和VoA引脚各串联一个10 kΩ的电阻,作用是使ADUM1201和NB73进行电平匹配,使数据采集控制器能够有效地与通信模块进行通信。图7为SIM卡外围电路图,其中 SIM_CLK为SIM卡的时钟引脚,SIM_DAT为SIM卡的数据引脚,SIM_RST为SIM卡的复位引脚,这三个引脚分别和图6中NB73相应的引脚相接。

图7 SIM 卡外围电路图

由图7可知,除了SIM卡电路图,还有一个ESD模块电路图,其目的是为了保护SIM卡在充电桩中通信工作时免受干扰。

4 软件设计

4.1 智能卡模块软件设计

采用S50非接触式IC卡作为智能卡,具有防冲撞机制,支持多卡操作。容量为8 Kbit的EEPROM,共分为16各扇区,每个扇区由四块组成,分为块0、块1、块2、块3,每个扇区有独立的一组密码和访问控制[12]。第0扇区的第0块用于存放厂商代码,不可更改。每个扇区的块0,块1,块2为数据块,其目的是为了储存数据。而每个扇区的块3为控制块,包括密码A、存取控制及密码B[13-14]。

当用户进行刷卡操作的时候,S50与RC522进行通信,而控制存储单元就会在SPI模式下把指令发送到RC522,完成用户信息的采集。智能卡的软件流程图8所示。

图8 智能卡软件流程图

4.2 电能采集模块软件设计

电能模块的通信规约采用的是Modbus-RTU通信协议,数据格式包括地址码、功能码、数据区和CRC校验码。

当通信命令由发送设备(主机)发送至接收设备(从机)时,符合相应地址码的从机接收通信命令,并根据功能码及相关要求读取信息,如果CRC校验无误,则执行相应的任务,然后把执行结果(数据)返送给主机[15]。返回的信息中包括地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码。如果CRC校验出错就不返回任何信息。具体的流程图如图9所示。

图9 电能采集软件流程图

4.3 通信模块电路软件设计

NB-IoT负责充电桩终端和服务器之间的数据交互,通过AT指令来进行发送与接收数据的。充电桩的终端通过串口以AT指令的形式将数据发送到NB-IoT模块,之后NB-IoT模块把接收到的数据通过CoAP协议将数据发送至物联网管理平台。本设计用到的AT指令集及其功能说明见表2所示。

表2 主要的 AT 指令表

4.4 云服务软件设计

应用层软件采用Java语言开发,工程由主流的SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis) 框架搭建[16]。该部分主要实现的是通过物联网平台北向接口获取数据以及进行处理显示,方便管理人员查看。为了方便管理人员,应用层主要包括以下各模块:(1)充电桩管理。在充电桩管理可以查看所有桩的详细信息。包括充电桩编码、设备名称、所属站、充电类型、运营状态、充电桩登记时间。同时可以对充电桩进行新建、搜索、修改、注销、升级、重启、查看日志等功能操作。(2)充电站管理。在充电站管理可以查看所有站的详细信息。包括 充电站名称、充电桩数量、所属区域、运营状态、投运时间。同时可以对充电桩进行新建、搜索、修改、注销、升级、重启、查看日志等功能操作。(3)计费规则。管理员对充电桩、充电站的计费规则进行管理设置,包括查看、新建、修改、下发等功能。(4)充电桩监控。模块负责监控充电桩当前运营数据和状态,管理员可以根据运营商和站点查看正常服务的充电桩、网络离线的充电桩、发生告警的充电桩、有历史告警的充电桩、停止运营的充电桩以及全部充电桩的数据和状态。(5)告警管理。对充电桩发生故障告警查询,包括告警发生的时间、平台告警码、告警原因、处理结果等信息。

5 系统测试

通过NB-IoT平台和云服务器通信,保证了信号安全可靠的传输。实地安装完成后,在应用层软件中添加每一个充电桩的信息,软件接入高德地图,将每个充电桩的位置标注在地图上,鼠标点击标识点可以显示该充电桩的电量的使用情况和收入,通过监控某个地区的充电桩的电量使用情况,可以很清楚地了解到该地区对充电桩电量的需求,进而可以更好的对充电桩进行合理的规划。

经过一段时间的测试,每一个充电桩终端都能够及时反应告警信息,可以实现充电桩温湿度异常、设备异常等告警。能够有效地帮助管理人员对充电桩的监管,协助工作人员对充电桩进行维护。

以华商2号站为例,当想要查看该地区的电能使用情况的时候,直接在地图上点击该地区就可以清楚地了解到该地区充电桩的电能使用情况和服务量,如图10所示。当然也可以在电脑终端上查看该地区一段时间内的电能使用情况。以华商2号站为例,如图11所示,这是一个月来华商2号站充电桩的电能使用情况和服务数量。通过图11 可以看出华商2号站这一个月来,电能使用量最高的一天才不过30 kW·h电量,服务量最高的一天才6次。由此可以看出该地区放置两个充电桩有些浪费,应该做出相应的减量,放置一个充电桩是比较合理的。

图10 华商2号充电站详情

图11 充电桩电能使用情况

6 结束语

基于NB-IoT的充电桩数据监控,结合电能采集模块、智能卡信息采集模块、通信模块(NB-IoT),能够在远程终端清楚地监测到每一充电桩的电能使用情况,进而合理地对某一地区充电桩进行合理规划。

该方案的实施能够在很短的时间内对多地区的充电桩同时进行监控,经过一段时间的试用,可以清楚地了解到每个地区,每个充电桩的电能使用情况,然后结合现实情况,对该地区的充电桩进行合理地调整,使得充电桩资源分配更加合理化。