基于NB-IoT技術(shù)的一種新電動(dòng)汽車充電樁智能系統(tǒng)

摘 要：針對(duì)電動(dòng)汽車充電樁聯(lián)網(wǎng)方式存在不足、兼容性較差、集群管理低效，存在充電樁智能化程度低、充電服務(wù)不完善等問題，結(jié)合NB-IOT技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于NB-IoT的電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)，系統(tǒng)包括充電樁系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)2個(gè)部分，將充電樁系統(tǒng)接入OneNET云平臺(tái)完成數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)充電樁異常情況，發(fā)出故障提示，便于工作人員及時(shí)處理。對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：系統(tǒng)各功能運(yùn)行正常，滿足設(shè)計(jì)需求，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電樁；NB-IOT技術(shù)；監(jiān)控管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）03-0146-04A new intelligent system for electric vehicle charging pilesbased on NB-IoT technologyLI Xingli，LIU Dongxu，GU Bingling，NING Jing

（State Grid Siji Feitian（Lanzhou）Cloud Data Technology Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China）

Abstract：In view of the problems of insufficient networking mode，poor compatibility，inefficient cluster manage?ment， low intelligence of charging piles，and imperfect charging services，combined with NB-IOT technology andembedded technology，an electric vehicle charging pile system based on NB-IoT was designed，which includes twoparts： charging pile system and monitoring and management system， and the charging pile system was connected tothe OneNET cloud platform to complete data interaction，monitor the working status of the charging pile in realtime， find abnormal conditions of the charging pile，and issue fault prompts to facilitate the staff to deal with it in atimely manner. The performance of the system was tested，and the results showed that the functions of the systemwere running normally，meeting the design requirements，and has good application value.

Key words：electric vehicles；charging piles；NB-IOT technology；monitoring and management system

近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，尤其電動(dòng)汽車登記量持續(xù)增加，有助于改善環(huán)境，但對(duì)基礎(chǔ)配套設(shè)施的建設(shè)要求較高 [1-3] 。

充電樁作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，其建設(shè)速度仍然緩慢，不能滿足用戶使用需求，存在充電難、充電慢的現(xiàn)象，并且建設(shè)的充電樁普遍存在智能化程度低、充電服務(wù)不完善的問題，因此，需要應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，設(shè)計(jì)充電樁智能系統(tǒng) [4-6] 。

針對(duì)電動(dòng)汽車充電樁聯(lián)網(wǎng)方式存在不足、兼容性較差、集群管理低效等問題，本文設(shè)計(jì)了基于NB-IoT的電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)，系統(tǒng)包括充電樁系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)兩部分，將充電樁系統(tǒng)接入OneNET云平臺(tái)完成數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁工作狀態(tài)。監(jiān)控管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理、充電樁管理、用戶管理、通信管理4個(gè)功能模塊，同時(shí)4個(gè)功能模塊下有分有不同子功能模塊，便于用戶使用，提高效率，降低管理成本。監(jiān)控管理系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)充電樁異常情況，發(fā)出故障提示，便于工作人員及時(shí)處理。

1 總體系統(tǒng)與架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)包括充電樁系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

充電樁系統(tǒng)包括外部設(shè)備和控制器，其中外部設(shè)備由充電插頭、電能表、溫濕度傳感器組成。通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將采集的充電樁數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，經(jīng)過處理、存儲(chǔ)后，在顯示界面進(jìn)行查看。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

充電樁系統(tǒng)控制器通過接觸器控制充電電路，通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換后為控制器進(jìn)行供電，電能表負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)測(cè)量充電電路的電壓、電路、電量等狀態(tài)數(shù)據(jù)，觸摸顯示屏負(fù)責(zé)線上充電樁狀態(tài)信息，便于人員操作。因充電電路電壓為220 V，為保證充電樁、充電車輛、使用人員的安全，系統(tǒng)內(nèi)還連接有空氣開關(guān)和漏電保護(hù)器。硬件總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1.2.2 電能表通信電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用過程中，需要對(duì)充電電路的電壓、電路、電量等狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，本文選用DDS3366智能電能計(jì)量表，該電表具有高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，使用RS-485接口與控制器進(jìn)行通信，能夠精確測(cè)量充電樁參數(shù)信息 [7-10] 。

本文選用MAX3485芯片用于DDS3366智能電能計(jì)量表與控制器之間通信的轉(zhuǎn)換，該芯片連接電路簡(jiǎn)單、能耗低，滿足系統(tǒng)通信需求 [11-12] 。MAX3485芯片通過使能管腳RE控制管腳RO的輸出，通信接口電路，如圖3所示。

1.2.3 觸摸顯示電路設(shè)計(jì)

本文選用VGUS觸摸屏SDWb070C53T用于系統(tǒng)信息的顯示和操作，該觸摸屏分辨率高，工作穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，具有良好的兼容性，符合系統(tǒng)的使用需求。

觸摸屏通過RS232接口與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信，但串口之間電平需要轉(zhuǎn)換，本文選用SP3232EEN芯片完成串口之間電平轉(zhuǎn)換，將電源電源3.3V轉(zhuǎn)換成-3 V到-15 V和+3 V到+15 V之間電壓，轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。

1.2.4 NB通信電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用NB通信的方式完成充電樁和監(jiān)控管理系統(tǒng)之間的通信，選用BC26模塊作為通信終端，該模塊具有高性能、低功耗、通信穩(wěn)定的特點(diǎn) [13-16] ，BC26接口電路，如圖5所示。

BC26模塊的外部接口可實(shí)現(xiàn)多種形式通信，與各大物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接。BC26模塊通過NB-IoT的LWM2M協(xié)議，與基站建立通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 主流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在啟動(dòng)工作時(shí)，首先進(jìn)行初始化，包括各模塊IO口、通信接口、顯示狀態(tài)等，在初始化完成后，充電樁準(zhǔn)備完成，系統(tǒng)為待機(jī)狀態(tài)，用戶通過觸摸屏進(jìn)行操作，刷卡認(rèn)證通過后，開始進(jìn)行充電，觸摸屏?xí)?shí)時(shí)顯示充電狀態(tài)，確保充電正常，結(jié)束充電后，觸摸屏顯示結(jié)算界面，用戶確認(rèn)并結(jié)算，充電結(jié)束。系統(tǒng)工作流程，如圖6所示。

1.3.2 電量計(jì)量程序設(shè)計(jì)

充電樁電能計(jì)量通過電能表實(shí)現(xiàn)，DDS3366電表通過RS485通信方式與控制器進(jìn)行通信，電量計(jì)量流程，如圖7所示。

首先記錄開始充電時(shí)電能，然后讀取實(shí)時(shí)電壓、電流、電能，計(jì)算出消耗電量，得到實(shí)時(shí)費(fèi)用，結(jié)束充電后，觸摸屏顯示結(jié)算界面，用戶結(jié)算。

1.3.3 NB通信程序設(shè)計(jì)

控制器發(fā)送指定對(duì) BC26 通信終端執(zhí)行初始化，激活通信模塊完成聯(lián)網(wǎng)，使充電樁系統(tǒng)連接到OneNET云平臺(tái)，BC26模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程，如圖8所示。

首先，對(duì)BC26模塊完成初始化，激活通信模塊，設(shè)置IP地址等信息，判斷是否入網(wǎng)成功，若成功，設(shè)置通信信息，連接OneNET云平臺(tái)，然后判斷是否連接成功，若成功，BC26模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，最后，判斷是否發(fā)送成功，若成功，BC26模塊進(jìn)入PSM等待狀態(tài)，若不成功，返回重新發(fā)送。

2 監(jiān)控管理系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

為更好的對(duì)充電樁進(jìn)行管理，設(shè)計(jì)了充電樁監(jiān)控管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)管理功能、充電樁管理功能、用戶管理功能、通信管理功能4部分，同時(shí)4個(gè)功能模塊下有分有不同子功能模塊，便于用戶使用，提高效率，降低管理成本。監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)維護(hù)，便于工作人員查詢充電樁歷史運(yùn)行狀態(tài)，提高維護(hù)質(zhì)量和效率。充電樁管理包括充電樁實(shí)時(shí)狀態(tài)和設(shè)備信息等，能夠根據(jù)實(shí)際工作情況完成緊急停機(jī)等突發(fā)情況，保證充電安全。用戶管理為工作人員操作功能，用于運(yùn)維人員信息的管理，保證系統(tǒng)安全性。

通信管理包括故障提示、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，根據(jù)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)充電樁工作過程中出現(xiàn)的異常情況，并發(fā)出故障提示，便于及時(shí)處理。

充電樁監(jiān)控管理系統(tǒng)采用視圖-模型控制器方式設(shè)計(jì)，程序由Jave語言編寫，框架結(jié)構(gòu)為Vue框架和SpringBoot框架，監(jiān)控管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

充電樁將參數(shù)信息上傳到OneNET云平臺(tái)，系統(tǒng)將充電樁數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶可通過Mybatis工具和Redis工具查詢充電樁數(shù)據(jù)信息。為了工作人員和運(yùn)維人員更好的對(duì)充電樁進(jìn)行管理，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于信息查詢和調(diào)用，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，如表1所示。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證充電樁系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，完成性能測(cè)試。

本文選用Apache Bench工具完成測(cè)試，通過發(fā)送ab指令模擬用戶的操作，測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

由表2可知，系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，隨著并發(fā)用戶數(shù)的增多，平均響應(yīng)時(shí)間增加，說明用戶數(shù)量的多少對(duì)系統(tǒng)性能有影響。但充電樁實(shí)際使用過程中，對(duì)平均響應(yīng)時(shí)間并不是重要影響參數(shù)，本系統(tǒng)完成滿足實(shí)際使用需求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)，能夠很好的解決電動(dòng)汽車充電樁聯(lián)網(wǎng)方式存在不足、兼容性較差、集群管理低效、智能化程度低等問題，將充電樁數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNET云平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)充電樁異常情況，發(fā)出故障提示，便于工作人員及時(shí)處理，系統(tǒng)各功能運(yùn)行正常，滿足設(shè)計(jì)需求，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：張玉平）