基于NB-IoT的充电桩数据监控设计

2021-08-23孙洁房新灿

现代计算机 2021年20期

孙洁，房新灿

（华北理工大学电气工程学院，唐山063200）

0 引言

随着社会的发展，工业减排已经初见效果，而汽车尾气的排放已经成为城市中最大的污染源。如何治理汽车尾气已经成为当代亟需解决的问题，寻找清洁能源才是治理汽车尾气的真正意义所在，其中电能首当其冲，成为代替汽油的第一选择。

而电动汽车的出现给治理汽车尾气带来了希望。随着电动汽车的普及，充电桩的问题也随之而出，如何管理充电桩的分布，如何对充电桩进行维护都成为亟需要解决的问题[1]。电动汽车的出现给治理汽车尾气带来了希望，随着电动汽车的普及，如何能够快速充电，充电桩应该建在何处，充电桩应该建多少又成为新的问题。基于该问题，本文提出了一种基于窄带物联网NB-IoT[2]（Narrow Band Internet of Things）的充电桩信息采集远程监控，能够实时在线监测到每一座充电桩中电能的使用情况以及用户的消费情况。本文设计的充电桩数据采集系统主要是为了实现对用户信息的统一管理和每个充电桩电能的使用情况。

1 系统的总体设计

本文设计的充电桩远程维护系统主要是为了实现对每个充电桩电能的使用情况和充电桩状态的远程监控。

NB-IoT的主要运行方式如图1所示，为了能够更好地监测每一座充电桩，采集到每座充电桩的准确数据，采用了SIM卡关联方式，使得所有的通讯终端必然和SIM开相关联。

图1 充电桩通信网络拓扑结构

采用NB-IoT技术进行通讯，可以将整个系统划分为感知层、网络层、应用层[3]。感知层的主要作用是对充电桩的各种数据信息进行采集，主要是当用户进行刷卡充电的行为时，采集当前用户的信息和用户在充电时所使用的电能消耗量，还有充电桩所处环境的温湿度情况以及充电桩自身的器件状况。网络层以窄带物联网技术为主要的通信手段，NB-IoT模块把采集到的数据通过基站传输到云服务器进行存储。应用层中的Web服务器，数据库和管理平台三方共享云服务器中的数据信息，以起到对充电桩进行监管的目的。

2 硬件电路设计

2.1 充电桩采集系统总体设计

充电桩的数据采集系统主要以控制存储单元为主，同时辅以NB-IoT通信模块，智能卡信息采集模块，电能采集模块，温湿度采集模块。智能卡信息采集模块的主要作用是当用户进行刷卡时，对用户的刷卡信息进行采集，电能采集模块的主要作用是当用户完成刷卡之后，选择充电模式时对用户所使用的电能量进行计算。温湿度采集模块主要是采集充电桩所处环境的温湿度。控制存储单元起到的作用是把电能模块、温湿度采集模块和智能卡信息采集模块采集到信息进行数据处理，最终通过通信模块（NB-IoT）把处理之后的信息传输到上位机。采集系统总体设计图如图2所示。

图2 采集系统总体设计图

2.2 充电桩数据处理模块设计

通过实现功能分析和物联网低功耗的特点，最终选择了STM32F103RCT6芯片完成对用户信息和电能信息进行数据采集和处理，STM32F103RCT6片上资源丰富，能够满足电能采集、智能卡信息采集、NB-IoT通信等需求。STM32F103RCT6能够完全满足充电桩的所有要求而且功率的消耗非常之低，主要是因为物联网终端控制芯片大多处于待机模式等待唤醒的状态[5]。该芯片的电路图如图3所示。

图3 STM32F103RCT6芯片电路图

STM32F103RCT6支持USB，CAN等多种接口进行通信，具有非常强的通信能力。该芯片拥有32位的CortexTM-M3CPU，最高工作频率可达72MHz。拥有256K-512K字节的闪存程序存储器，支持CF（Compact Flash）卡、静态随机存取存储器（SRAM）、伪静态随机存储器（PSRAM）、NOR和NAND存储器。

2.3 充电桩智能卡模块设计

本文中采用的FM1702拥有集成度高，价格便宜，工作电压低的特点。FM1702支持MIFARE系列更高速的非接触式通信，数据传输速率非常快，最高可高达424kbit/s，通信方式采用的是串行通信，好处是连线少，芯片体积小[4]。FM1702提供三种不同的模式可供用户自行选择，分别是SPI、IIC和UART模式，可供用户自行选择。这样做的主要目的是减少内部的连线，使PCB集成度更高，同时也能节约成本。图4为智能卡信息采集电路图。

图4 智能卡信息采集电路图

FM1702主要包含2个模块，一个是数字电路和一个模拟电路。2个模块之间的接口必须按一定的方式进行配置，以便可以通过管脚OSCOUT和OSCIN连接信号。FM1702还包含一个64×8位的FIFO缓冲区，它用来缓存主机微控制器和FM1702的内部状态机之间的输入和输出数据流。因此，FIFO缓冲区可能要处理长度大于64字节的数据流，但又不考虑时序的限制。

2.4 充电桩电能采集模块设计

电能采集模块不仅是充电桩的一个重要组成部分，更是本次设计的必不可少的内容。通过电能采集模块能够更加清晰地了解到每个地区的电能使用情况，还能了解到该区域对充电桩的使用频率和使用节点。在此基础上，能够更好的对充电桩的分布进行规划和管理。

本文中采用的电能采集模块是JSY-MK-156，JSY-MK-156的工作电压为DC3.3V-5.5V，能够满足低功耗的要求。该模块的通信规约采用的是Modbus-RTU通信协议，拥有高兼用型，更加方便通讯和开发[6]。JSY-MK-156模块电路图如图5所示。

图5 电能采集模块电路图

由图5可以看出，为了使电能采集模块可以有效地与控制存储单元进行通信，JSY-MK-156的RXD的引脚与STM32的PA2引脚相接，JSY-MK-156的TXD引脚与STM32的PA3引脚相接，电能采集模块采集到的数据信息传输到控制存储单元进行处理。

2.5 充电桩通信模块电路设计

本文中的NB-IoT通信模块选择的是NB73，NB73的电源输入范围是3.1V-4.2V，PSM模式下电流为5uA，完全符合充电桩的要求。

由图6可以看出，通信模块除了选择了NB73之外还多加入了一个B0503S-2W模块，其目的是为了隔离电器特性[7]。图6为NB73的接口电路图。

由图6可以看出，通信模块除了选择了NB73之外还多加入了一个ADUM1201模块，ADUM1201与NB73的UART0_TXD、UART0_RXD引脚相接。其目的也是为了隔离NB73两端的电气特性。

图6 NB73接口电路图

由图6可知ADUM1201的ViB和VoA引脚各串联一个10K的电阻，其目的是为了使ADUM1201和NB73进行电平匹配。进而使数据采集控制器能够有效地进行与通信模块的通信。

NB73的工作模式共有三种：CMD指令模式，CoAP透传模式（COAP）和简单透传模式（NET），而AT指令UDP功能和AT指令COAP功能都是在CMD指令模式下实现的。参数设置通过串口AT指令实现。

3 系统测试

通过NB-IoT平台和云服务器通信，保证了信号安全可靠的传输。实地安装完成后，在应用层软件中添加每一个充电桩的信息，软件接入高德地图，将每个充电桩的位置标注在地图上，鼠标点击标识点可以显示该充电桩的电量的使用情况和收入，通过监控某个地区的充电桩的电量使用情况，可以很清楚地了解到该地区对充电桩电量的需求进而可以更好地对充电桩进行合理的规划。如图7所示。