基于移動網(wǎng)絡的充電樁物聯(lián)網(wǎng)實施方案研究

李潔

摘要：圍繞移動網(wǎng)絡和充電樁物聯(lián)網(wǎng)進行了技術(shù)層面和業(yè)務層面的分析與討論，提出了基于移動網(wǎng)絡的充電樁物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。針對物聯(lián)網(wǎng)的分層模型，從系統(tǒng)總體設計到關(guān)鍵技術(shù)逐層對充電樁物聯(lián)網(wǎng)進行探討。該實施方案以移動網(wǎng)絡為基礎，構(gòu)建以大數(shù)據(jù)分析為核心的充電樁物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)了以充電樁連網(wǎng)為主要功能的豐富的物聯(lián)網(wǎng)應用，從而建立了充電樁物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新模式。

關(guān)鍵詞：移動網(wǎng)絡；充電樁；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）32-0241-03

Researches on Charging Piles IoT Implementation Plans Based on Mobile Networks

LI Jie

（Institute of Communication， Nanjing College of Information Technology， Nanjing 210023， China）

Abstract： Centering on mobile networks and charging piles IoT， technical and service aspects are analyzed and discussed. Charging piles networking structure Based on mobile networks is proposed. According to the hierarchical model for IoT， researches about charging piles IoT are pursued layer by layer which include system total design and key techniques. Through this implementation plans， charging piles IoT platform is build using big data analysis as the core. This platform focusing on charging piles networking can also achieve multiple IoT applications. Therefore， new pattern of charging piles IoT development are established.

Key words： mobile networks； charging piles； Internet of things

近年來，新能源汽車成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的重點方向。為新能源汽車配套的充電樁建設得到政策鼓勵。目前，充電樁部署正開展得如火如荼。但是充電樁的發(fā)展也面臨著問題，數(shù)目龐大且地理位置分散，多主體投資建設和運營，導致充電樁監(jiān)管和維護困難。對充電樁的管理有著現(xiàn)實的需求，充電時長需要監(jiān)控，充電費用需要結(jié)算，各投資主體間需要協(xié)調(diào)等。為了解決這些問題，本文研究了充電樁物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）實施方案，從而打造出可監(jiān)控、可管理、可運營的網(wǎng)絡，提高充電樁管理水平和使用效率，同時能提供多樣化的應用服務。

1 系統(tǒng)總體設計

物聯(lián)網(wǎng) [1]是通過信息感知設備，按所約定的協(xié)議，連接物品、系統(tǒng)和信息資源，實現(xiàn)信息的處理和交換的智能信息系統(tǒng)。信息感知設備包括物品上的電子標簽、傳感器和條形碼等。物品、系統(tǒng)和信息資源聯(lián)網(wǎng)通過通信網(wǎng)絡進行，通信網(wǎng)絡對信息進行可靠傳輸。在物聯(lián)網(wǎng)中，充分利用云計算、模糊識別等智能計算技術(shù)，因此對信息的處理更加靈活和智能化?？傊?，物聯(lián)網(wǎng)的三大特征就是全面感知、可靠傳輸和智能處理。

在本實施方案中，充電樁物聯(lián)網(wǎng)分為三層，分別為終端感知層、網(wǎng)絡連接層和應用服務層，如圖1所示。

終端感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎。這一層負責智能感知、智能識別和信息采集等功能。終端感知層解決的是數(shù)據(jù)獲取問題。在充電樁物聯(lián)網(wǎng)里，終端主要指充電樁。充電樁需要感知充電量、充電時長和電池消耗量等，并且能根據(jù)用戶的賬戶余額進行充電控制。

網(wǎng)絡連接層將終端感知層所獲得的數(shù)據(jù)進行傳輸，主要完成接入和傳輸功能。接入功能由充電樁附帶的通信模塊來完成。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸可以依托電信運營商的通信網(wǎng)絡。本文的實施方案中，充電樁通信模塊接入移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?？梢愿鶕?jù)充電樁所需的數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸速率，選擇不同的通信模塊。

應用服務層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，包括業(yè)務支撐子層和應用子層。網(wǎng)絡連接層傳輸而來的數(shù)據(jù)在這一層進入各類信息系統(tǒng)進行處理，并且通過各種機制與人進行交互。業(yè)務支撐子層為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供統(tǒng)一的支撐服務，例如業(yè)務接入、策略控制和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。在業(yè)務支撐子層的基礎上，充電樁的具體業(yè)務在應用子層開展。應用服務層除了對充電樁進行監(jiān)管外，還提供大數(shù)據(jù)分析功能，便于開展各種增值業(yè)務。

2 終端感知層

在充電樁物聯(lián)網(wǎng)里，最重要的終端就是充電樁。充電樁一般具有供電模塊、智能控制模塊、顯示模塊、輸入模塊和刷卡模塊等。能夠檢測充電電流、充電電壓，預約充電時間，統(tǒng)計用電量和查詢賬戶余額等功能。

為了對充電樁進行智能控制和管理，還需要配備通信模塊。對于不同類型的充電樁所需通信模塊各有不同。對于中小型充電樁，數(shù)據(jù)傳輸量較小，可以采用小型數(shù)據(jù)傳輸模塊。將小型數(shù)據(jù)傳輸模塊嵌入到充電樁內(nèi)部，實現(xiàn)對充電樁的實時監(jiān)控和維護。對于大型充電樁，由于數(shù)據(jù)量大、安全性要求較高，用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是更合適的選擇。

除了采用專門的通信模塊和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以外，還可以將WiFi技術(shù)與充電樁相結(jié)合。將WiFi接入模塊嵌入到充電樁內(nèi)部，不但能提供網(wǎng)絡接入及數(shù)據(jù)傳輸服務，還能在充電樁周圍實現(xiàn)WIFI覆蓋。endprint

為了對繁忙和偏遠地區(qū)的充電樁進行可視化監(jiān)控，還可以在充電樁設備中集成視頻數(shù)據(jù)一體化設備，實時監(jiān)控充電樁周邊狀況以及道路的情況。

無論使用專門的通信模塊、WiFi接入模塊、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還是視頻數(shù)據(jù)一體化設備，都是為了提高充電樁產(chǎn)品的價值。并且在管理充電樁網(wǎng)絡時，能夠取得類似WiFi覆蓋、視頻監(jiān)控周邊地區(qū)等額外收益。

3 網(wǎng)絡連接層

目前充電樁連網(wǎng)主要采用現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡，隨著窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT[2]（Narrowband Internet of Things， NB-IoT）的部署，越來越多充電樁開始接入NB-IoT網(wǎng)絡。

3.1 采用現(xiàn)有移動網(wǎng)絡

移動網(wǎng)絡具有覆蓋面廣、網(wǎng)絡類型多樣和穩(wěn)定性高等特點。鑒于充電樁分布廣泛、位置分散且數(shù)量龐大（數(shù)量還在不斷增加中）的現(xiàn)狀，采用移動網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡連接是較好的選擇。目前，移動網(wǎng)絡為2G[3]、3G和LTE[4]（Long Term Evolution，LTE）共存的現(xiàn)狀。對于不同的通信模塊和不同的通信設備，考慮充電樁安裝場地的移動通信網(wǎng)絡類型，可靈活選擇2G、3G和LTE移動網(wǎng)絡。利用現(xiàn)有移動網(wǎng)絡接入充電樁如圖2所示。

2G （GSM＼GPRS＼CDMA）移動網(wǎng)絡具有全覆蓋、技術(shù)成熟和可靠性高的優(yōu)點，但2G的數(shù)據(jù)傳輸帶寬較小。部分充電樁位于比較偏遠的地區(qū)，這些地區(qū)沒有3G和LTE覆蓋，只能采用2G網(wǎng)絡進行連網(wǎng)。另外，部分充電樁采用小型數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸量較小，對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，也可以采用2G移動網(wǎng)絡。

對于大型充電樁，因為充電頻繁、數(shù)據(jù)量大，要求安全性和數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高，可采用無線路由器。這時可以選擇接入3G移動網(wǎng)絡。

如果在充電樁加裝WiFi設備或視頻一體化設備，數(shù)據(jù)傳輸速率要求更高，對性能要求更強，此時宜用LTE技術(shù)接入移動網(wǎng)絡。為了使此類充電樁監(jiān)控更具有穩(wěn)定性和普適性，無線路由器可以支持TD-LTE或FDD-LTE，同時向下兼容CDMA1x 、EDGE和GPRS，支持一機多模的全網(wǎng)模式。

無論采用哪種制式，充電樁連網(wǎng)以數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務為主，不涉及語音通信。因此，在進行連網(wǎng)時，充電樁數(shù)據(jù)傳輸對時延性不敏感。

傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡以人與人通信為主，但物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務是M2M（Machine to Machine，M2M），即機器到機器類型。在業(yè)務發(fā)展過程中，為了減少物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務的影響，將M2M業(yè)務和現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務進行隔離，針對物聯(lián)網(wǎng)集中管控和集中運營的需求，設置物聯(lián)網(wǎng)專用的網(wǎng)元，如M-HLR（Machine-Home Location Register， M-HLR）和M-GGSN（Machine-Gateway GPRS Support Node，M-GGSN）

3.2 采用NB-IoT技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)終端具有位置分散、終端數(shù)目巨大、功耗小和傳輸數(shù)據(jù)突發(fā)等特點。隨著物聯(lián)網(wǎng)終端不斷接入現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡，移動通信網(wǎng)絡有可能出現(xiàn)過載，進而影響到現(xiàn)有通信業(yè)務。為了更好地支持物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，針對現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡做改進，提出了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT（Narrowband Internet of Things， NB-IoT）技術(shù)，以建設專門的物聯(lián)網(wǎng)無線接入網(wǎng)絡。NB-IoT系統(tǒng)的目標是能做到在180 kHz 帶寬下覆蓋增強至少提升20 dB，能滿足超低功耗、海量終端接入的非時延敏感的低速業(yè)務需求。

與現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡相比，NB-IoT增加了業(yè)務能力開放單元SCEF（Service Capability Exposure Function， SCEF），可以更好地支持小數(shù)據(jù)和非 IP 數(shù)據(jù)傳輸。另外，將MME（Mobility Management Entity，MME）、SGW（Serving Gateway，SGW）和PGW（PDN Gateway，PGW）合為一個網(wǎng)元，即C-SGN（Cellular-Serving Gateway Node， C-SGN）。

在物理層，NB-IoT傳輸帶寬為180khz，定義了三種操作模式，減少了上、下行物理信道類型。為了減少資源阻塞和滿足終端的低成本需求，引入周期性下行傳輸間隔和上行傳輸間隔。

在空中接口方面，對信令流程、隨機接入過程和數(shù)據(jù)傳輸機制等方面進行簡化或優(yōu)化，達到降低終端功耗和復雜度的目的。

NB-IoT對核心網(wǎng)也做了改進，優(yōu)化了部分現(xiàn)有接口，引入了一些新特性。針對SCEF單元新增了接口。經(jīng)過改進，增加了對非IP數(shù)據(jù)的支持，擴大了網(wǎng)絡的適用性。

由于NB-IoT針對現(xiàn)有LTE從物理層到核心網(wǎng)做了眾多優(yōu)化，使其更適合于開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，更好地與現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務共存。

綜上所述，不同地理位置和不同功能的充電樁既可以選用現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡，也可以采用新興NB-IoT技術(shù)接入。目前，以采用現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡為主。國內(nèi)通信運營商已開始在部分地區(qū)建設NB-IoT實驗網(wǎng)絡，這些地區(qū)的充電樁業(yè)務可以采用該技術(shù)。今后，隨著NB-IoT的大規(guī)模部署，將更多地采用該技術(shù)接入。

3.3 充電樁訪問互聯(lián)網(wǎng)的方式

無論采用何種網(wǎng)絡連接方式，都是為充電樁訪問位于互聯(lián)網(wǎng)的后臺服務器提供通道。因此需要提供一種機制，使充電樁能訪問互聯(lián)網(wǎng)。目前，普遍使用APN（Access Point Name，APN）技術(shù)，如圖4所示。APN即接入點，是移動終端上網(wǎng)時必配的參數(shù)。

充電樁通過所分配的專用APN域名接入，企業(yè)側(cè)路由器與M-GGSN建立GRE（Generic Routing Encapsulation， GRE）隧道。充電樁由M-GGSN分配IP地址，通過GRE隧道訪問企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。這種方式的成本較低，安全性也較低。如果對安全性要求提升，并且對成本不敏感，可采用APN專線方式。采用APN專線方式時，M-GGSN直接與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)建立傳輸專線，充電樁的IP地址仍然由M-GGSN分配。endprint

4 應用服務層

應用服務層分為兩個子層：業(yè)務支撐子層和應用子層。應用服務層主要由各種服務器、相關(guān)軟件和輔助設施組成。應用服務層應能對大數(shù)據(jù)進行處理，提供豐富的增值業(yè)務。

業(yè)務支撐子層為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供統(tǒng)一的運營支撐，這一層次的功能一般由通信運營商提供。業(yè)務支撐子層最核心的功能是提供業(yè)務能力，包括業(yè)務能力接入和策略控制等。該子層還提供業(yè)務管控能力，包括終端管理/監(jiān)控和應用管理等，同時具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘等功能。為了對充電樁進行標識和管理，每個充電樁需要加裝SIM卡。SIM卡的號碼統(tǒng)一分配和管理。為了與現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務相區(qū)別，充電樁的SIM卡號碼為專用號碼段，長度13位。業(yè)務支撐子層通過對SIM卡的管理實現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控，可以實現(xiàn)的功能有：SIM卡生命周期管理、計費和賬單管理、數(shù)據(jù)流量管理、充電樁設備狀態(tài)監(jiān)控以及故障監(jiān)管理等。業(yè)務支撐子層能提供APP基礎應用，提供基礎數(shù)據(jù)，同時提供外部API接口，允許充電樁廠商或者第三方軟件公司開發(fā)各種應用APP。

應用子層位于業(yè)務支撐子層之上，該層完成對充電樁全網(wǎng)的監(jiān)控和管理，并且能進一步開發(fā)增值業(yè)務。為了完成充電樁網(wǎng)絡監(jiān)管，需要配備相應的硬件和軟件。硬件有計費工作站、配電監(jiān)控器、充電監(jiān)控器、災情報警器和數(shù)據(jù)庫服務器等。軟件則有操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件、人機交互軟件、通信協(xié)議棧軟件以及專用的充電樁監(jiān)管軟件等。

在應用子層，可以開發(fā)各種應用APP，實現(xiàn)各種增值服務。可以查詢充電樁位置、動態(tài)充電計劃提示、在線付費及路況信息提示等功能。隨著充電樁的部署和使用，充電樁監(jiān)管平臺會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，有充電樁分布數(shù)據(jù)、充電樁運行信息、設備排障和修理數(shù)據(jù)、充電交易數(shù)據(jù)、用戶付費數(shù)據(jù)、用戶充電習慣信息和汽車型號數(shù)據(jù)等。對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和挖掘，對于市容管理、消費者服務、改善汽車廠商服務等大有益處。

充電樁物聯(lián)網(wǎng)還可以開展其他附加服務。為周邊地區(qū)提供WIFI覆蓋、廣告推送和微信推送等服務；實現(xiàn)本地多媒體服務，周邊客戶可觀看本地視頻、收聽音頻和瀏覽網(wǎng)頁等；對周邊環(huán)境進行實時視頻監(jiān)控，記錄周邊和道路情況，為城市管理部門提供服務等。

5 結(jié)束語

充電樁建設是未來電動汽車大發(fā)展的基礎。本文探討了如何利用移動通信網(wǎng)絡部署充電樁物聯(lián)網(wǎng)。從終端感知層、網(wǎng)絡連接層和應用服務層三個層次分別研究了充電樁物聯(lián)網(wǎng)的部署。目前大部分充電樁利用現(xiàn)有的2G、3G和LTE網(wǎng)絡進行接入，少量接入NB-IoT。隨著NB-IoT網(wǎng)絡建設的推進，今后充電樁將主要利用NB-IoT接入。充電樁物聯(lián)網(wǎng)除了為電動汽車充電外，還可以開展豐富的增值業(yè)務。充分利用充電樁物聯(lián)網(wǎng)的設備和附屬設施，積極對充電樁監(jiān)管平臺產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進行挖掘和統(tǒng)計，將為用戶帶來極大的便利。

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