基于NB-IoT的電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)

周 銳，易先軍，彭洪馳，梁音裔

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430205）

充電樁是給電動(dòng)汽車充電的電氣裝置，將充電樁接入網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理對解決分散式充電樁數(shù)量眾多，管理不便的問題至關(guān)重要。

目前傳統(tǒng)充電樁聯(lián)網(wǎng)方式傳輸效率低、多設(shè)備接入不便、對信號要求高，因此需對傳統(tǒng)充電樁聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行改進(jìn)[1-5]。本設(shè)計(jì)采用了基于NB-IoT的電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)。NB-IoT 即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)[6]，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新型技術(shù)，多用于低功耗以及廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)場景，具有傳輸效率高、覆蓋范圍廣、連接能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)[7-8]。相較于傳統(tǒng)的充電樁聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT 則具有明顯的優(yōu)越性與適用性[9-10]。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)主要分為電動(dòng)汽車充電樁和窄帶物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)兩個(gè)部分，其系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于NB-IoT的電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of electric vehicle charging pile control system based on NB-IoT

電動(dòng)汽車充電樁控制器及其外部設(shè)備完成充電連接、充電控制、運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集并上報(bào)等功能，采用NB-IoT 通信技術(shù)來搭建充電樁無線通信網(wǎng)絡(luò)，將控制器采集到的終端數(shù)據(jù)匯集并上傳至窄帶物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)對經(jīng)過NB-IoT 采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布、收集、存儲(chǔ)、加工、維護(hù)和挖掘，使用戶能夠通過移動(dòng)端APP、充電樁Web 管理平臺(tái)顯示界面查看各充電樁相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)及其狀態(tài)信息。

2 充電樁系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電樁控制器設(shè)計(jì)是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性、智能化。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括充電樁主控制器模塊和NB-IoT 通信模塊兩個(gè)部分，主控制器起核心控制作用，通信模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的入網(wǎng)接入條件。電動(dòng)汽車充電樁控制器硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 充電樁硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure block diagram of charging pile

系統(tǒng)核心通信設(shè)計(jì)采用的NB-IoT 通信模塊是基于聯(lián)發(fā)科MT2652 芯片平臺(tái)研發(fā)的BC26 模塊，具有體積小、性能高、入網(wǎng)便捷、功耗低、支持頻段多等優(yōu)點(diǎn)。該模塊內(nèi)置SIM 卡槽，使用物聯(lián)網(wǎng)卡與核心網(wǎng)通信。BC26 具有豐富的外部接口（UART、SPI、ADC 等）和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（TCP、CoAP、MQTT 等），接入各大物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（OneNET、電信云、阿里云等）。模塊主串口用于發(fā)送AT 命令和傳輸數(shù)據(jù)，主控模塊連續(xù)發(fā)送AT 命令和BC26 模塊進(jìn)行波特率同步，返回OK 后即同步成功。通過NB-IoT 無線通信協(xié)議，BC26 可與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的核心基站建立通信，數(shù)據(jù)經(jīng)核心網(wǎng)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

3 充電樁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括充電樁主控制器的軟件設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的構(gòu)建、電動(dòng)汽車充電樁Web 管理平臺(tái)和手機(jī)終端APP設(shè)計(jì)。

3.1 充電樁主控制器的軟件設(shè)計(jì)

充電樁主控制器的軟件設(shè)計(jì)主要包括：主程序、通信程序、串口接收服務(wù)程序等。主控制器的軟件設(shè)計(jì)首先確定充電樁控制系統(tǒng)各模塊功能，依靠模塊功能分析出充電樁充電業(yè)務(wù)流程，然后主程序負(fù)責(zé)調(diào)用各業(yè)務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電流程。圖3 為充電樁控制系統(tǒng)功能模塊圖。

圖3 充電樁控制系統(tǒng)功能模塊圖Fig.3 Function module diagram of charging point control system

通信程序設(shè)計(jì)中，主控模塊通過AT 命令連接BC26 通信模塊，對BC26 模塊進(jìn)行初始化，并與阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)連接，使用AT 指令如表1所示，BC26 模塊初始化及激活流程如圖4所示。

表1 BC26 AT 指令表Tab.1 BC26 AT instruction

圖4 BC26 模塊初始化及激活流程Fig.4 BC26 module initialization and activation flow chart

3.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)構(gòu)建

本系統(tǒng)采用基于阿里云的公有云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，首先定義產(chǎn)品，創(chuàng)建名稱為“電動(dòng)汽車充電樁”的產(chǎn)品，并設(shè)置節(jié)點(diǎn)的類型為“直連設(shè)備”，入網(wǎng)方式為“蜂窩（4G）”，數(shù)據(jù)格式為“Alink JSON”格式。其次定義設(shè)備，創(chuàng)建名為“充電樁”的設(shè)備。在產(chǎn)品定義物模型中，將充電電壓、充電電流、充電電量、溫度、濕度等定義為屬性，將充電樁各個(gè)充電狀態(tài)參數(shù)的物模型與NB-IoT 模塊進(jìn)行綁定，獲取NB 模組的ProductKey、DeviceName 和DeviceSecret 三元組證書數(shù)據(jù)。最后將三元組數(shù)據(jù)寫入到充電樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序中，從而實(shí)現(xiàn)阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與充電樁設(shè)備的連接。設(shè)備接入平臺(tái)步驟如圖5所示。

圖5 設(shè)備接入平臺(tái)步驟Fig.5 Equipment access platform steps

在系統(tǒng)中，阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)作為消息代理，Web 端和APP 作為訂閱者，充電樁設(shè)備作為發(fā)布者。充電樁主要用于發(fā)布屬性、事件數(shù)據(jù)的Topic為/sys/alrNwTCzQTa/$｛deviceName｝/thing/event/property/post，其中$｛deviceName｝為充電樁設(shè)備ID。BC26向物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)關(guān)鍵代碼如下：

3.3 電動(dòng)汽車充電樁Web 管理平臺(tái)及APP 設(shè)計(jì)

在阿里云的IoT Studio 平臺(tái)上搭建Web 管理平臺(tái)，該平臺(tái)是基于B/S 結(jié)構(gòu)搭建的，用戶只需要通過瀏覽器就可以便捷地訪問云端數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，設(shè)計(jì)Web 管理平臺(tái)需先對各業(yè)務(wù)功能需求進(jìn)行分析，各功能模塊設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 功能模塊設(shè)計(jì)圖Fig.6 Functional module design drawing

電動(dòng)汽車充電樁Web 管理平臺(tái)和手機(jī)APP 選擇可視化Web 應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)，配置實(shí)時(shí)顯示曲線和卡片用來觀測充電樁電壓、電流、電量等參數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)的變化。將按鈕控件標(biāo)簽與繼電器開關(guān)進(jìn)行綁定，控制充電樁的啟停，同時(shí)將收費(fèi)管理界面接入第三方支付系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對充電金額顯示與扣費(fèi)操作。電動(dòng)汽車充電樁Web 管理平臺(tái)如圖7所示，手機(jī)APP 界面如圖8、圖9所示。

圖7 電動(dòng)汽車充電樁Web 管理平臺(tái)界面Fig.7 Electric vehicle charging pile Web management platform interface

圖8 電槍詳情界面Fig.8 Gun details interface

圖9 充電實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)界面Fig.9 Charging real-time dynamic data interface

4 系統(tǒng)測試

基于NB-IoT的電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件研發(fā)完成后，對樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)測試，將充電樁系統(tǒng)軟件編譯并燒錄到STM32 存儲(chǔ)，為檢驗(yàn)充電樁數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、充電功能的穩(wěn)定性以及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中的高效性，在試驗(yàn)場地進(jìn)行了應(yīng)用測試。充電樁樣機(jī)實(shí)物圖如圖10所示，首先，完成整機(jī)系統(tǒng)連線，并測試充電參數(shù)采集過程，采集數(shù)據(jù)通過充電樁管理系統(tǒng)后臺(tái)網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)看，一定時(shí)間內(nèi)顯示的部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖11、12所示，結(jié)果表明充電樁系統(tǒng)充電功能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸高效，充電樁Web 管理平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)操作和監(jiān)控，符合預(yù)期效果。

圖10 充電樁樣機(jī)實(shí)物圖Fig.10 Physical drawing of charging pile prototype

圖11 電壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Fig.11 Real-time voltage data

圖12 電量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Fig.12 Electric quantity real-time data

5 結(jié)語

本文基于NB-IoT 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體架構(gòu)出發(fā)，對充電樁和窄帶物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)管理系統(tǒng)提出了具體分析和設(shè)計(jì)。相對于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)充電樁接入快捷、聯(lián)網(wǎng)高效，管理靈活，可以為用戶提供更方便、智能、穩(wěn)定的電動(dòng)汽車充電服務(wù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力推進(jìn)，本設(shè)計(jì)將對新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)具有重要意義。