孫潔,房新燦,劉曉悅

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院,河北 唐山 063200)

0 引 言

隨著社會的發(fā)展,工業(yè)減排已經(jīng)初見效果,而汽車尾氣的排放已經(jīng)成為城市中最大的污染源。如何治理汽車尾氣已經(jīng)成為當(dāng)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(dāng)其沖,成為代替汽油的第一選擇。而電動汽車的出現(xiàn)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(yīng)該建在何處,充電樁應(yīng)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(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃,就可以分析出應(yīng)該在城市建設(shè)多少充電樁,充電樁應(yīng)該建在何處?；跀?shù)據(jù)的監(jiān)控和充電樁的統(tǒng)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(lián)網(wǎng)NB-IoT[3-4](narrow band Internet of Things)的充電樁信息采集遠(yuǎn)程監(jiān)控,能夠?qū)崟r在線監(jiān)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(jìn)而對該城市中充電樁的建設(shè)和分布進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃[5]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

文章設(shè)計的充電樁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是為了實現(xiàn)對用戶信息的統(tǒng)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(jiān)測每一座充電樁,采集到每座充電樁的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),采用了SIM卡關(guān)聯(lián)方式,使得所有的通信終端必然和SIM卡相關(guān)聯(lián)。

圖1 充電樁通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行通信,可以將整個系統(tǒng)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[6]。感知層的主要作用是對充電樁的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集,主要是當(dāng)用戶進(jìn)行刷卡充電的行為時,采集當(dāng)前用戶的信息和用戶在充電時所使用的電能消耗量。網(wǎng)絡(luò)層以窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主要的通信手段,NB-IoT模塊把采集到的數(shù)據(jù)通過基站傳輸?shù)皆品?wù)器進(jìn)行存儲。應(yīng)用層中的Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫和管理平臺三方共享云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信息,以起到對充電樁進(jìn)行監(jiān)管的目的。

2 方案對比

目前能夠支持充電樁進(jìn)行無線傳輸?shù)臒o線組網(wǎng)分為以下三種:窄帶網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、Zigbee、LoRa。和其他兩種無線組網(wǎng)相比,窄帶網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)是5G時代物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心,未來有非?？捎^的發(fā)展前景。Zigbee主要用于短距離數(shù)據(jù)傳輸,要想在超長距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸必須有其他無線組網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合使用,目前與Zigbee相結(jié)合最多的無線組網(wǎng)是GPRS[7]。LoRa[8]可以進(jìn)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)的參數(shù)對比。

表1 NB-IoT, Zigbee, LoRa參數(shù)對比表

通過對比不同的三種無線組網(wǎng),發(fā)現(xiàn)NB-IoT的發(fā)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(yuǎn)。而ZigBee無法進(jìn)行遠(yuǎn)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?shù)募夹g(shù)手段。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 充電樁采集系統(tǒng)總體設(shè)計

充電樁的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(dāng)用戶進(jìn)行刷卡時,對用戶的刷卡信息進(jìn)行采集,電能采集模塊的主要作用是當(dāng)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(jìn)行計算?？刂拼鎯卧鸬降淖饔檬前央娔苣K和智能卡信息采集模塊采集到信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終通過通信模塊(NB-IoT)把處理之后的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。采集系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 采集系統(tǒng)總體設(shè)計圖

3.2 充電樁數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

通過對實現(xiàn)功能分析和物聯(lián)網(wǎng)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理[9-10]。STM32103VE是基于32位的ARM Cortex-M3內(nèi)核,并且它擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線,取指與數(shù)據(jù)訪問可以同時進(jìn)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(lián)網(wǎng)終端控制芯片大多處于待機(jī)模式,處于等待喚醒的狀態(tài)。該芯片的電路圖如圖3所示。

3.3 充電樁智能卡模塊設(shè)計

文中采用的RC522是應(yīng)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(jìn)行用戶信息采集的關(guān)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(shù)據(jù)傳輸速率非?？?最高可高達(dá)424 kbit/s,通信方式采用的是串行通信,優(yōu)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(nèi)部的連線,使PCB集成度更高,同時也能節(jié)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(shè)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(shè)計的核心內(nèi)容。通過電能采集模塊能夠更加清晰地了解到每個地區(qū)的電能使用情況,還能了解到該區(qū)域?qū)Τ潆姌兜氖褂妙l率和使用節(jié)點。在此基礎(chǔ)上,能夠更好地對充電樁的分布進(jìn)行規(guī)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(guī)約采用Modbus-RTU 通信協(xié)議,擁有高兼用型,更加方便通信和開發(fā)。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(zhuǎn)[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(jìn)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(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂拼鎯卧M(jìn)行處理。

3.5 充電樁通信模塊電路設(shè)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(fā)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(shè)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(lián)一個10 kΩ的電阻,作用是使ADUM1201和NB73進(jìn)行電平匹配,使數(shù)據(jù)采集控制器能夠有效地與通信模塊進(jìn)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(shù)據(jù)引腳,SIM_RST為SIM卡的復(fù)位引腳,這三個引腳分別和圖6中NB73相應(yīng)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(hù)SIM卡在充電樁中通信工作時免受干擾。

4 軟件設(shè)計

4.1 智能卡模塊軟件設(shè)計

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

當(dāng)用戶進(jìn)行刷卡操作的時候,S50與RC522進(jìn)行通信,而控制存儲單元就會在SPI模式下把指令發(fā)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(shè)計

電能模塊的通信規(guī)約采用的是Modbus-RTU通信協(xié)議,數(shù)據(jù)格式包括地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和CRC校驗碼。

當(dāng)通信命令由發(fā)送設(shè)備(主機(jī))發(fā)送至接收設(shè)備(從機(jī))時,符合相應(yīng)地址碼的從機(jī)接收通信命令,并根據(jù)功能碼及相關(guān)要求讀取信息,如果CRC校驗無誤,則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù),然后把執(zhí)行結(jié)果(數(shù)據(jù))返送給主機(jī)[15]。返回的信息中包括地址碼、功能碼、執(zhí)行后的數(shù)據(jù)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(shè)計

NB-IoT負(fù)責(zé)充電樁終端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互,通過AT指令來進(jìn)行發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的。充電樁的終端通過串口以AT指令的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到NB-IoT模塊,之后NB-IoT模塊把接收到的數(shù)據(jù)通過CoAP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。本設(shè)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(wù)軟件設(shè)計

應(yīng)用層軟件采用Java語言開發(fā),工程由主流的SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis) 框架搭建[16]。該部分主要實現(xiàn)的是通過物聯(lián)網(wǎng)平臺北向接口獲取數(shù)據(jù)以及進(jìn)行處理顯示,方便管理人員查看。為了方便管理人員,應(yīng)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(xì)信息。包括充電樁編碼、設(shè)備名稱、所屬站、充電類型、運營狀態(tài)、充電樁登記時間。同時可以對充電樁進(jìn)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(xì)信息。包括 充電站名稱、充電樁數(shù)量、所屬區(qū)域、運營狀態(tài)、投運時間。同時可以對充電樁進(jìn)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(guī)則。管理員對充電樁、充電站的計費規(guī)則進(jìn)行管理設(shè)置,包括查看、新建、修改、下發(fā)等功能。(4)充電樁監(jiān)控。模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控充電樁當(dāng)前運營數(shù)據(jù)和狀態(tài),管理員可以根據(jù)運營商和站點查看正常服務(wù)的充電樁、網(wǎng)絡(luò)離線的充電樁、發(fā)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(shù)據(jù)和狀態(tài)。(5)告警管理。對充電樁發(fā)生故障告警查詢,包括告警發(fā)生的時間、平臺告警碼、告警原因、處理結(jié)果等信息。

5 系統(tǒng)測試

通過NB-IoT平臺和云服務(wù)器通信,保證了信號安全可靠的傳輸。實地安裝完成后,在應(yīng)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(biāo)注在地圖上,鼠標(biāo)點擊標(biāo)識點可以顯示該充電樁的電量的使用情況和收入,通過監(jiān)控某個地區(qū)的充電樁的電量使用情況,可以很清楚地了解到該地區(qū)對充電樁電量的需求,進(jìn)而可以更好的對充電樁進(jìn)行合理的規(guī)劃。

經(jīng)過一段時間的測試,每一個充電樁終端都能夠及時反應(yīng)告警信息,可以實現(xiàn)充電樁溫濕度異常、設(shè)備異常等告警。能夠有效地幫助管理人員對充電樁的監(jiān)管,協(xié)助工作人員對充電樁進(jìn)行維護(hù)。

以華商2號站為例,當(dāng)想要查看該地區(qū)的電能使用情況的時候,直接在地圖上點擊該地區(qū)就可以清楚地了解到該地區(qū)充電樁的電能使用情況和服務(wù)量,如圖10所示。當(dāng)然也可以在電腦終端上查看該地區(qū)一段時間內(nèi)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(wù)數(shù)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(wù)量最高的一天才6次。由此可以看出該地區(qū)放置兩個充電樁有些浪費,應(yīng)該做出相應(yīng)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(jié)束語

基于NB-IoT的充電樁數(shù)據(jù)監(jiān)控,結(jié)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(yuǎn)程終端清楚地監(jiān)測到每一充電樁的電能使用情況,進(jìn)而合理地對某一地區(qū)充電樁進(jìn)行合理規(guī)劃。

該方案的實施能夠在很短的時間內(nèi)對多地區(qū)的充電樁同時進(jìn)行監(jiān)控,經(jīng)過一段時間的試用,可以清楚地了解到每個地區(qū),每個充電樁的電能使用情況,然后結(jié)合現(xiàn)實情況,對該地區(qū)的充電樁進(jìn)行合理地調(diào)整,使得充電樁資源分配更加合理化。