基于NB-IoT數(shù)據(jù)交互的電動自行車充電系統(tǒng)設(shè)計

程智賓 ，江吉彬,2

(1.福建信息職業(yè)技術(shù)學院，福建 福州 350003;2.福建工程學院 機械與汽車工程學院，福建 福州 350118)

根據(jù)消防部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，電動車充電造成的事故在所有的火災(zāi)事故中占比高達10%，究其原因多為充電線路故障或充電時間過長導致充電器發(fā)熱、電池過熱發(fā)生爆炸等[1-2]。目前有采用刷卡或投幣計費的多路電動車充電控制器[3]，也有基于RFID的智能充電站系統(tǒng)[4]。這類使用刷卡或投幣的充電系統(tǒng)，雖具備聯(lián)網(wǎng)收費功能，但在實時監(jiān)控、遠程管理、在線故障排查等方面的功能還存在不足。近幾年對充電樁的研究不少，有基于ESP8266 無線模塊實現(xiàn)的充電系統(tǒng)[5-6]，但要求部署現(xiàn)場有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)支持；有專門研究基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band internet of things, NB-IoT)[7]的充電樁；也有專門研究區(qū)塊鏈算法[8-9]的充電樁。本課題設(shè)計了基于NB-IoT的電動自行車充電系統(tǒng)，同時結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，使得系統(tǒng)部署方便、安全可靠。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

基于NB-IoT的電動自行車智能充電系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，包括智能充電設(shè)備、服務(wù)器、用戶手機端和區(qū)塊鏈支付系統(tǒng)。智能充電設(shè)備是基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信模塊的充電樁設(shè)備,內(nèi)嵌有充電安全檢測算法。系統(tǒng)設(shè)計了煙霧傳感器和溫度傳感器，用于監(jiān)測充電環(huán)境情況，設(shè)計了緊急按鈕用于報警。服務(wù)器上設(shè)計了一個云端系統(tǒng)，對整個充電系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理，利用區(qū)塊鏈支付系統(tǒng)結(jié)合設(shè)備交互模塊和信息推送模塊實現(xiàn)安全的區(qū)塊鏈支付；用戶手機端運行“車智充”微信公眾號，實現(xiàn)交互，通過手機端掃描充電插座上的二維碼充電，同時與各簽約的付費企業(yè)節(jié)點交互，設(shè)備開啟相應(yīng)的插座，實時監(jiān)測充電狀態(tài)，檢測到充電不安全時將停止充電，用戶可通過手機端接收充電信息，包括訂單狀態(tài)、電池狀態(tài)、充電實時進度，并進行相應(yīng)的控制。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Diagram of system architecture

系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，用戶可以采用刷卡模式實現(xiàn)充電應(yīng)用，也可以掃描二維碼實現(xiàn)充電應(yīng)用，只要滿足條件即可正常使用，控制器同時具有智能檢測狀態(tài)及自動控制等功能。充電過程中，系統(tǒng)會實時顯示充電時長及消耗金額，用戶可自由操控停止充電, 充電結(jié)束后，系統(tǒng)會自動推送一條“充電完成通知”，用戶可以在“車智充”微信公眾號上查看整個充電過程的詳細信息。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Flowchart of the system

2 充電設(shè)備硬件設(shè)計

充電設(shè)備的硬件主要由1塊具備NB-IoT通信功能的主控板和1塊執(zhí)行板組成，如圖3。其中執(zhí)行板上的充電控制模塊內(nèi)嵌充電安全檢測算法，完成充電過程的實時檢測。充電設(shè)備主控板是整個設(shè)備的控制核心，采用單片機STM32F103C8為主控MCU，連接有NB-IoT通信模塊(4G通信模塊)、串口通信模塊、人機交互模塊、煙霧傳感器、溫度傳感器、緊急按鈕和電源模塊。主控板通過串口通信模塊與執(zhí)行板進行命令交互，收集各插座端口狀態(tài)等數(shù)據(jù)，通過NB-IoT通信模塊與服務(wù)器交互，并對服務(wù)器下發(fā)的命令解析后，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)控制執(zhí)行板的命令，最終完成對插座端口的電能輸出控制。人機交互模塊主要包含了語音提示、按鍵輸入、數(shù)碼管顯示和IC卡刷卡應(yīng)用等部分，是用戶現(xiàn)場操作的必要模塊。煙霧傳感器和溫度傳感器是用來監(jiān)測充電環(huán)境，緊急按鈕用于一鍵報警，進一步提升充電安全。

圖3 充電設(shè)備的硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of the charging equipment

2.1 NB-IoT無線通信模塊

NB-IoT技術(shù)功耗低、成本低且覆蓋范圍廣泛的應(yīng)用需求，使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IPv6)，實現(xiàn)廣域物聯(lián)網(wǎng)通信的同時有效降低部屬成本。本技術(shù)使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，每個信道只需占用180 kHz的無線通道帶寬，直接應(yīng)用于GSM、UMTS和LTE網(wǎng)絡(luò)[10]。NB-IoT可以有效地連接大量設(shè)備，每個網(wǎng)絡(luò)單元可以支持接入5萬個設(shè)備終端，同時最大程度地降低功耗并增加傳統(tǒng)蜂窩技術(shù)無法覆蓋的位置的覆蓋范圍，良好通信環(huán)境狀況下NB-IoT終端模塊網(wǎng)絡(luò)增益比LTE提升20 dB，相當于發(fā)射功率提升達100倍，即覆蓋能力提升100倍。

為確保在地下室、金屬頂棚的車棚等場景也能正常工作，NB-IoT模塊選擇移遠公司的BC95，其具備高接收靈敏度、高RF傳輸功率、低耗電等特性，MCU通過AT指令可控制NB-IoT模塊進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，模塊功能和相關(guān)電路的集成度高，無需太多的外加電路。模塊的低功耗優(yōu)點使電源供應(yīng)方面只需使用微型化SOT-23封裝的LDO即可，天線是使用市售的標準NB-IoT天線，以IPEX連接器與模塊對接，再加上簡單的天線匹配元件達成50 Ω的RF阻抗匹配。系統(tǒng)覆蓋能力提高，在地面車棚或地下車庫均可穩(wěn)定運行。

2.2 充電控制模塊

充電控制模塊執(zhí)行充電控制功能，負責與主MCU通信，接收上位機指示命令并執(zhí)行操作、上傳用電狀態(tài)和電池性能等信息給主MCU。每個充電主機有2塊執(zhí)行板，每塊執(zhí)行板支持10路插座，可支持20路插座。電動自行車充電插座是220 V的民用交流電，電控制模塊使用繼電器來控制民用電火線的通斷，需要充電時控制相應(yīng)繼電器動作，對應(yīng)的插座端口才能正常通電。

充電控制模塊內(nèi)部的電能檢測功能部分的原理圖如圖4所示，采用電流互感器把大電流信號變換為小電流信號，電流互感器 T1 初級線路接入充電回路，次級線圈與取樣電阻R6并聯(lián)，選擇一定的匝數(shù)比，可在取樣電阻兩端得到一個交流電壓小信號，采用全波精密整流電路將交流信號變成直流信號，接入單片機的AD通道進行多次采樣，對數(shù)據(jù)進行濾波處理，換算出電流大小，最后通過采集到的電壓值和該電流值即可計算出線路的功率大小。

圖4 電能檢測功能原理圖Fig.4 Schematic diagram of the detection of electric energy

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要涉及：充電設(shè)備的通信與控制程序設(shè)計、應(yīng)用平臺程序設(shè)計、資金安全設(shè)計，其中充電設(shè)備的通信與控制程序設(shè)計又包含了主控板與執(zhí)行板通信、主控板與服務(wù)器端通信以及執(zhí)行板充電檢測與控制等關(guān)鍵任務(wù)。

3.1 主控板與執(zhí)行板通信

主控板與執(zhí)行板之間是通過串口進行通信的，波特率為9 600 bps，由主控板發(fā)起命令，執(zhí)行板進行響應(yīng)。表1即是主控板發(fā)起命令(下行)的通信格式。主控制板除了發(fā)起開關(guān)插座命令外，還有心跳請求命令，心跳請求命令是本系統(tǒng)針對執(zhí)行板做死機檢查時所創(chuàng)建的獨有命令，每分鐘請求一次，如果3次請求后執(zhí)行板仍無數(shù)據(jù)回復，說明執(zhí)行板故障。

表1 主控板與執(zhí)行板的下行通信格式

表2為執(zhí)行板響應(yīng)命令(上行)的通信格式，其中插座端口狀態(tài)有端口使用、端口空閑、端口異常和端口故障。負載情況有負載的功率等級、充滿電、負載脫落等。

表2 主控板與執(zhí)行板的上行通信格式

3.2 主控板與服務(wù)器通信

主控板使用TCP方式與服務(wù)器進行通信，數(shù)據(jù)格式：192.168.X.X：8000/D1/D2/D3/D4/D5/D6其中192.168.X.X:8000為服務(wù)器地址,/為區(qū)分符，D1,D2,D3,D4，D5為數(shù)據(jù)，D6為數(shù)據(jù)包序列號。數(shù)據(jù)的具體字段定義如表3所示。通過定義不同的功能類別，可以完成IC卡賬號管理、插座端口管理等功能，預(yù)留冗余字段，可快速升級其它管理功能。

表3 主控板與服務(wù)器通信格式

3.3 充電控制管理

充電控制需要實時處理主控板的命令，進行充電繼電器的開關(guān)操作，并實時采集端口的狀態(tài)，端口狀態(tài)是根據(jù)電壓監(jiān)控值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital convert, ADC)后得出的功率大小作為判斷基準。充電智能控制過程如圖5所示分成3個階段：恒流階段、恒壓階段和浮充階段。恒流階段采用恒定電流充電，避免低電量時電流過大造成電池發(fā)熱嚴重引起火災(zāi)。恒壓階段采用恒定電壓充電，保證電池達到額定電壓。浮充也稱為涓流充電，當充電功率小于15 W后，繼續(xù)用小電流充電一段時間，補充電池自放電造成的容量損失，可以抑制活性物質(zhì)硫酸鹽化，延長電池使用壽命。當浮充結(jié)束時，自動斷電，避免充電時間過長引發(fā)安全事故。如圖6(a)所示，在恒流充電過程中或是涓流充電過程中，如果總輸出功率出現(xiàn)異常波動，即功率浮動變化過大，表明充電過程中有安全隱患，系統(tǒng)將會基于安全因素自動停止充電，并提示使用者及時檢查充電器[11]。

3.4 應(yīng)用平臺

應(yīng)用平臺包含用戶前端使用的微信公眾號程序和WEB服務(wù)器接口及后臺管理程序，其中微信公眾號開發(fā)采用TP5的MVC設(shè)計模式，后臺通過接口與數(shù)據(jù)庫進行交互，具有充電狀態(tài)信息推送、掃碼充電、區(qū)塊鏈積分支付碼、充電歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，WEB服務(wù)器端程序開發(fā)采用基于Linux操作系統(tǒng)的B/S架構(gòu)模式，包括公眾號平臺、UDP設(shè)備端、刷卡業(yè)務(wù)端、掃碼業(yè)務(wù)端、WEB服務(wù)接口端等部分。

圖5 充電智能控制過程Fig.5 Intelligent control of the charging process

圖6 異常充電輸出功率曲線圖Fig.6 Output power curve of abnormal charging

3.5 區(qū)塊鏈支付程序

為提升充電消費和資金管理的安全性，本系統(tǒng)采用區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)支付系統(tǒng)，架構(gòu)如圖7所示，用戶和充電運營商在通過身份認證及信用背書條件后可分別與充電積分的付費企業(yè)節(jié)點對接，進行智能合約的交互并調(diào)用智能合約相關(guān)的函數(shù)和參數(shù),與充電設(shè)備的交易參數(shù)都能經(jīng)由專設(shè)通道對接到排序服務(wù)節(jié)點和交易記賬節(jié)點，并實時收到監(jiān)管信息。

圖7 區(qū)塊鏈支付架構(gòu)圖Fig.7 Diagram of blockchain payment architecture

4 結(jié)語

本系統(tǒng)基于NB-IoT為電動自行車智能充電，集智能充電終端、管理云平臺、微信公眾號一體。用戶利用微信公眾號可隨時查看充電狀態(tài)，實現(xiàn)對充電狀態(tài)的監(jiān)控，基于區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)的支付系統(tǒng)可讓充電支付更安全。系統(tǒng)具備電量監(jiān)測、自動斷電、電池性能檢測、故障報修、線上支付、防二維碼詐騙等功能，可有效保護電動自行車電池的壽命，防止因電動自行車充電造成的火災(zāi)，具有很好的應(yīng)用價值。截至2020年，已覆蓋全國26個省份，近100個城市，1 000多個社區(qū)，據(jù)用戶反饋和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。