基于NB-IoT的充電樁數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)計

孫潔，房新燦

（華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，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(xiàn)給治理汽車尾氣帶來了希望。隨著電動汽車的普及，充電樁的問題也隨之而出，如何管理充電樁的分布，如何對充電樁進行維護都成為亟需要解決的問題[1]。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?；谠搯栴}，本文提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT[2]（Narrow Band Internet of Things）的充電樁信息采集遠程監(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。本文設(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。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文設(shè)計的充電樁遠程維護系統(tǒng)主要是為了實現(xiàn)對每個充電樁電能的使用情況和充電樁狀態(tài)的遠程監(jiān)控。

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確數(shù)據(jù)，采用了SIM卡關(guān)聯(lián)方式，使得所有的通訊終端必然和SIM開相關(guān)聯(lián)。

圖1 充電樁通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

采用NB-IoT技術(shù)進行通訊，可以將整個系統(tǒng)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[3]。感知層的主要作用是對充電樁的各種數(shù)據(jù)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，還有充電樁所處環(huán)境的溫濕度情況以及充電樁自身的器件狀況。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，以起到對充電樁進行監(jiān)管的目的。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 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。溫濕度采集模塊主要是采集充電樁所處環(huán)境的溫濕度?？刂拼鎯卧鸬降淖饔檬前央娔苣K、溫濕度采集模塊和智能卡信息采集模塊采集到信息進行數(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。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

2.2 充電樁數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

通過實現(xiàn)功能分析和物聯(lián)網(wǎng)低功耗的特點，最終選擇了STM32F103RCT6芯片完成對用戶信息和電能信息進行數(shù)據(jù)采集和處理，STM32F103RCT6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。STM32F103RCT6能夠完全滿足充電樁的所有要求而且功率的消耗非常之低，主要是因為物聯(lián)網(wǎng)終端控制芯片大多處于待機模式等待喚醒的狀態(tài)[5]。該芯片的電路圖如圖3所示。

圖3 STM32F103RCT6芯片電路圖

STM32F103RCT6支持USB，CAN等多種接口進行通信，具有非常強的通信能力。該芯片擁有32位的CortexTM-M3CPU，最高工作頻率可達72MHz。擁有256K-512K字節(jié)的閃存程序存儲器，支持CF（Compact Flash）卡、靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）、偽靜態(tài)隨機存儲器（PSRAM）、NOR和NAND存儲器。

2.3 充電樁智能卡模塊設(shè)計

本文中采用的FM1702擁有集成度高，價格便宜，工作電壓低的特點。FM1702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424kbit/s，通信方式采用的是串行通信，好處是連線少，芯片體積小[4]。FM1702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，可供用戶自行選擇。這樣做的主要目的是減少內(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

FM1702主要包含2個模塊，一個是數(shù)字電路和一個模擬電路。2個模塊之間的接口必須按一定的方式進行配置，以便可以通過管腳OSCOUT和OSCIN連接信號。FM1702還包含一個64×8位的FIFO緩沖區(qū)，它用來緩存主機微控制器和FM1702的內(nèi)部狀態(tài)機之間的輸入和輸出數(shù)據(jù)流。因此，F(xiàn)IFO緩沖區(qū)可能要處理長度大于64字節(jié)的數(shù)據(jù)流，但又不考慮時序的限制。

2.4 充電樁電能采集模塊設(shè)計

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)計的必不可少的內(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，能夠更好的對充電樁的分布進行規(guī)劃和管理。

本文中采用的電能采集模塊是JSY-MK-156，JSY-MK-156的工作電壓為DC3.3V-5.5V，能夠滿足低功耗的要求。該模塊的通信規(guī)約采用的是Modbus-RTU通信協(xié)議，擁有高兼用型，更加方便通訊和開發(fā)[6]。JSY-MK-156模塊電路圖如圖5所示。

圖5 電能采集模塊電路圖

由圖5可以看出，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，JSY-MK-156的RXD的引腳與STM32的PA2引腳相接，JSY-MK-156的TXD引腳與STM32的PA3引腳相接，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行處理。

2.5 充電樁通信模塊電路設(shè)計

本文中的NB-IoT通信模塊選擇的是NB73，NB73的電源輸入范圍是3.1V-4.2V，PSM模式下電流為5uA，完全符合充電樁的要求。

由圖6可以看出，通信模塊除了選擇了NB73之外還多加入了一個B0503S-2W模塊，其目的是為了隔離電器特性[7]。圖6為NB73的接口電路圖。

由圖6可以看出，通信模塊除了選擇了NB73之外還多加入了一個ADUM1201模塊，ADUM1201與NB73的UART0_TXD、UART0_RXD引腳相接。其目的也是為了隔離NB73兩端的電氣特性。

圖6 NB73接口電路圖

由圖6可知ADUM1201的ViB和VoA引腳各串聯(lián)一個10K的電阻，其目的是為了使ADUM1201和NB73進行電平匹配。進而使數(shù)據(jù)采集控制器能夠有效地進行與通信模塊的通信。

NB73的工作模式共有三種：CMD指令模式，CoAP透傳模式（COAP）和簡單透傳模式（NET），而AT指令UDP功能和AT指令COAP功能都是在CMD指令模式下實現(xiàn)的。參數(shù)設(shè)置通過串口AT指令實現(xiàn)。

3 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(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而可以更好地對充電樁進行合理的規(guī)劃。如圖7所示。

圖7 充電樁分布

經(jīng)過一段時間的測試，每一個充電樁終端都能夠及時反映告警信息，并且可以實現(xiàn)設(shè)備異常等告警。能夠有效地幫助管理人員進行對充電樁的監(jiān)管，幫助工作人員進行對充電樁的維護。

4 結(jié)語

本文基于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），能夠在電腦終端清楚地監(jiān)測到每一個充電樁的電能使用情況，進而合理地對某一地區(qū)充電樁進行合理規(guī)劃。

該方案的實施能夠在很短的時間內(nèi)對幾乎所有地區(qū)的充電樁同時進行監(jiān)控，經(jīng)過一段時間的試用，我們可以清楚地了解到每個地區(qū)、每個充電樁的使用情況。