基于NB-IoT的電動汽車充電樁控制系統

周 銳，易先軍，彭洪馳，梁音裔

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430205）

充電樁是給電動汽車充電的電氣裝置，將充電樁接入網絡統一管理對解決分散式充電樁數量眾多，管理不便的問題至關重要。

目前傳統充電樁聯網方式傳輸效率低、多設備接入不便、對信號要求高，因此需對傳統充電樁聯網方式進行改進[1-5]。本設計采用了基于NB-IoT的電動汽車充電樁控制系統。NB-IoT 即基于蜂窩的窄帶物聯網[6]，是物聯網領域的新型技術，多用于低功耗以及廣覆蓋的物聯網場景，具有傳輸效率高、覆蓋范圍廣、連接能力強、組網靈活等特點[7-8]。相較于傳統的充電樁聯網技術，NB-IoT 則具有明顯的優越性與適用性[9-10]。

1 系統整體架構

電動汽車充電樁控制系統主要分為電動汽車充電樁和窄帶物聯網云平臺兩個部分，其系統框架如圖1所示。

圖1 基于NB-IoT的電動汽車充電樁控制系統結構圖Fig.1 Structure diagram of electric vehicle charging pile control system based on NB-IoT

電動汽車充電樁控制器及其外部設備完成充電連接、充電控制、運行狀態、環境狀態的實時采集并上報等功能，采用NB-IoT 通信技術來搭建充電樁無線通信網絡，將控制器采集到的終端數據匯集并上傳至窄帶物聯網云平臺。

物聯網云平臺對經過NB-IoT 采集到的數據進行發布、收集、存儲、加工、維護和挖掘，使用戶能夠通過移動端APP、充電樁Web 管理平臺顯示界面查看各充電樁相關運行數據及其狀態信息。

2 充電樁系統硬件設計

電動汽車充電樁控制器設計是系統硬件設計的重要組成部分，其設計影響整個系統的穩定性、高效性、智能化。系統硬件設計主要包括充電樁主控制器模塊和NB-IoT 通信模塊兩個部分，主控制器起核心控制作用，通信模塊為系統提供穩定的入網接入條件。電動汽車充電樁控制器硬件設計如圖2所示。

圖2 充電樁硬件結構框圖Fig.2 Hardware structure block diagram of charging pile

系統核心通信設計采用的NB-IoT 通信模塊是基于聯發科MT2652 芯片平臺研發的BC26 模塊，具有體積小、性能高、入網便捷、功耗低、支持頻段多等優點。該模塊內置SIM 卡槽，使用物聯網卡與核心網通信。BC26 具有豐富的外部接口（UART、SPI、ADC 等）和網絡協議棧（TCP、CoAP、MQTT 等），接入各大物聯網平臺（OneNET、電信云、阿里云等）。模塊主串口用于發送AT 命令和傳輸數據，主控模塊連續發送AT 命令和BC26 模塊進行波特率同步，返回OK 后即同步成功。通過NB-IoT 無線通信協議，BC26 可與網絡運營商的核心基站建立通信，數據經核心網上傳至物聯網云平臺。

3 充電樁系統軟件設計

電動汽車充電樁控制系統軟件設計主要包括充電樁主控制器的軟件設計、物聯網云平臺的構建、電動汽車充電樁Web 管理平臺和手機終端APP設計。

3.1 充電樁主控制器的軟件設計

充電樁主控制器的軟件設計主要包括：主程序、通信程序、串口接收服務程序等。主控制器的軟件設計首先確定充電樁控制系統各模塊功能，依靠模塊功能分析出充電樁充電業務流程，然后主程序負責調用各業務模塊實現整個充電流程。圖3 為充電樁控制系統功能模塊圖。

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

通信程序設計中，主控模塊通過AT 命令連接BC26 通信模塊，對BC26 模塊進行初始化，并與阿里云物聯網云平臺連接，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 物聯網云平臺構建

本系統采用基于阿里云的公有云物聯網平臺，首先定義產品，創建名稱為“電動汽車充電樁”的產品，并設置節點的類型為“直連設備”，入網方式為“蜂窩（4G）”，數據格式為“Alink JSON”格式。其次定義設備，創建名為“充電樁”的設備。在產品定義物模型中，將充電電壓、充電電流、充電電量、溫度、濕度等定義為屬性，將充電樁各個充電狀態參數的物模型與NB-IoT 模塊進行綁定，獲取NB 模組的ProductKey、DeviceName 和DeviceSecret 三元組證書數據。最后將三元組數據寫入到充電樁系統的設計程序中，從而實現阿里云物聯網云平臺與充電樁設備的連接。設備接入平臺步驟如圖5所示。

圖5 設備接入平臺步驟Fig.5 Equipment access platform steps

在系統中，阿里云物聯網云平臺作為消息代理，Web 端和APP 作為訂閱者，充電樁設備作為發布者。充電樁主要用于發布屬性、事件數據的Topic為/sys/alrNwTCzQTa/$｛deviceName｝/thing/event/property/post，其中$｛deviceName｝為充電樁設備ID。BC26向物聯網云平臺上傳數據關鍵代碼如下：

3.3 電動汽車充電樁Web 管理平臺及APP 設計

在阿里云的IoT Studio 平臺上搭建Web 管理平臺，該平臺是基于B/S 結構搭建的，用戶只需要通過瀏覽器就可以便捷地訪問云端數據，與數據庫進行交互，設計Web 管理平臺需先對各業務功能需求進行分析，各功能模塊設計圖如圖6所示。

圖6 功能模塊設計圖Fig.6 Functional module design drawing

電動汽車充電樁Web 管理平臺和手機APP 選擇可視化Web 應用開發設計，配置實時顯示曲線和卡片用來觀測充電樁電壓、電流、電量等參數在一段時間內的變化。將按鈕控件標簽與繼電器開關進行綁定，控制充電樁的啟停，同時將收費管理界面接入第三方支付系統，實現對充電金額顯示與扣費操作。電動汽車充電樁Web 管理平臺如圖7所示，手機APP 界面如圖8、圖9所示。

圖7 電動汽車充電樁Web 管理平臺界面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 充電實時動態數據界面Fig.9 Charging real-time dynamic data interface

4 系統測試

基于NB-IoT的電動汽車充電樁控制系統硬件設計和軟件研發完成后，對樣機進行整機測試，將充電樁系統軟件編譯并燒錄到STM32 存儲，為檢驗充電樁數據采集的準確性、充電功能的穩定性以及無線網絡傳輸中的高效性，在試驗場地進行了應用測試。充電樁樣機實物圖如圖10所示，首先，完成整機系統連線，并測試充電參數采集過程，采集數據通過充電樁管理系統后臺網頁進行實時監看，一定時間內顯示的部分實時數據如圖11、12所示，結果表明充電樁系統充電功能穩定，數據采集準確，無線網絡傳輸高效，充電樁Web 管理平臺能實現遠程對充電樁進行實時操作和監控，符合預期效果。

圖10 充電樁樣機實物圖Fig.10 Physical drawing of charging pile prototype

圖11 電壓實時數據Fig.11 Real-time voltage data

圖12 電量實時數據Fig.12 Electric quantity real-time data

5 結語

本文基于NB-IoT 技術和物聯網云平臺設計了電動汽車充電樁控制系統，從系統總體架構出發，對充電樁和窄帶物聯網云平臺管理系統提出了具體分析和設計。相對于傳統電動汽車充電樁系統，本設計充電樁接入快捷、聯網高效，管理靈活，可以為用戶提供更方便、智能、穩定的電動汽車充電服務。隨著物聯網技術的大力推進，本設計將對新能源汽車產業發展，充電基礎設施的建設具有重要意義。