基于NB-IoT的电动汽车充电桩控制系统

周 锐，易先军，彭洪驰，梁音裔

（武汉工程大学 电气信息学院，武汉430205）

充电桩是给电动汽车充电的电气装置，将充电桩接入网络统一管理对解决分散式充电桩数量众多，管理不便的问题至关重要。

目前传统充电桩联网方式传输效率低、多设备接入不便、对信号要求高，因此需对传统充电桩联网方式进行改进[1-5]。本设计采用了基于NB-IoT的电动汽车充电桩控制系统。NB-IoT 即基于蜂窝的窄带物联网[6]，是物联网领域的新型技术，多用于低功耗以及广覆盖的物联网场景，具有传输效率高、覆盖范围广、连接能力强、组网灵活等特点[7-8]。相较于传统的充电桩联网技术，NB-IoT 则具有明显的优越性与适用性[9-10]。

1 系统整体架构

电动汽车充电桩控制系统主要分为电动汽车充电桩和窄带物联网云平台两个部分，其系统框架如图1所示。

图1 基于NB-IoT的电动汽车充电桩控制系统结构图Fig.1 Structure diagram of electric vehicle charging pile control system based on NB-IoT

电动汽车充电桩控制器及其外部设备完成充电连接、充电控制、运行状态、环境状态的实时采集并上报等功能，采用NB-IoT 通信技术来搭建充电桩无线通信网络，将控制器采集到的终端数据汇集并上传至窄带物联网云平台。

物联网云平台对经过NB-IoT 采集到的数据进行发布、收集、存储、加工、维护和挖掘，使用户能够通过移动端APP、充电桩Web 管理平台显示界面查看各充电桩相关运行数据及其状态信息。

2 充电桩系统硬件设计

电动汽车充电桩控制器设计是系统硬件设计的重要组成部分，其设计影响整个系统的稳定性、高效性、智能化。系统硬件设计主要包括充电桩主控制器模块和NB-IoT 通信模块两个部分，主控制器起核心控制作用，通信模块为系统提供稳定的入网接入条件。电动汽车充电桩控制器硬件设计如图2所示。

图2 充电桩硬件结构框图Fig.2 Hardware structure block diagram of charging pile

系统核心通信设计采用的NB-IoT 通信模块是基于联发科MT2652 芯片平台研发的BC26 模块，具有体积小、性能高、入网便捷、功耗低、支持频段多等优点。该模块内置SIM 卡槽，使用物联网卡与核心网通信。BC26 具有丰富的外部接口（UART、SPI、ADC 等）和网络协议栈（TCP、CoAP、MQTT 等），接入各大物联网平台（OneNET、电信云、阿里云等）。模块主串口用于发送AT 命令和传输数据，主控模块连续发送AT 命令和BC26 模块进行波特率同步，返回OK 后即同步成功。通过NB-IoT 无线通信协议，BC26 可与网络运营商的核心基站建立通信，数据经核心网上传至物联网云平台。

3 充电桩系统软件设计

电动汽车充电桩控制系统软件设计主要包括充电桩主控制器的软件设计、物联网云平台的构建、电动汽车充电桩Web 管理平台和手机终端APP设计。

3.1 充电桩主控制器的软件设计

充电桩主控制器的软件设计主要包括：主程序、通信程序、串口接收服务程序等。主控制器的软件设计首先确定充电桩控制系统各模块功能，依靠模块功能分析出充电桩充电业务流程，然后主程序负责调用各业务模块实现整个充电流程。图3 为充电桩控制系统功能模块图。

图3 充电桩控制系统功能模块图Fig.3 Function module diagram of charging point control system

通信程序设计中，主控模块通过AT 命令连接BC26 通信模块，对BC26 模块进行初始化，并与阿里云物联网云平台连接，使用AT 指令如表1所示，BC26 模块初始化及激活流程如图4所示。

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

图4 BC26 模块初始化及激活流程Fig.4 BC26 module initialization and activation flow chart

3.2 物联网云平台构建

本系统采用基于阿里云的公有云物联网平台，首先定义产品，创建名称为“电动汽车充电桩”的产品，并设置节点的类型为“直连设备”，入网方式为“蜂窝（4G）”，数据格式为“Alink JSON”格式。其次定义设备，创建名为“充电桩”的设备。在产品定义物模型中，将充电电压、充电电流、充电电量、温度、湿度等定义为属性，将充电桩各个充电状态参数的物模型与NB-IoT 模块进行绑定，获取NB 模组的ProductKey、DeviceName 和DeviceSecret 三元组证书数据。最后将三元组数据写入到充电桩系统的设计程序中，从而实现阿里云物联网云平台与充电桩设备的连接。设备接入平台步骤如图5所示。

图5 设备接入平台步骤Fig.5 Equipment access platform steps

在系统中，阿里云物联网云平台作为消息代理，Web 端和APP 作为订阅者，充电桩设备作为发布者。充电桩主要用于发布属性、事件数据的Topic为/sys/alrNwTCzQTa/$｛deviceName｝/thing/event/property/post，其中$｛deviceName｝为充电桩设备ID。BC26向物联网云平台上传数据关键代码如下：

3.3 电动汽车充电桩Web 管理平台及APP 设计

在阿里云的IoT Studio 平台上搭建Web 管理平台，该平台是基于B/S 结构搭建的，用户只需要通过浏览器就可以便捷地访问云端数据，与数据库进行交互，设计Web 管理平台需先对各业务功能需求进行分析，各功能模块设计图如图6所示。

图6 功能模块设计图Fig.6 Functional module design drawing

电动汽车充电桩Web 管理平台和手机APP 选择可视化Web 应用开发设计，配置实时显示曲线和卡片用来观测充电桩电压、电流、电量等参数在一段时间内的变化。将按钮控件标签与继电器开关进行绑定，控制充电桩的启停，同时将收费管理界面接入第三方支付系统，实现对充电金额显示与扣费操作。电动汽车充电桩Web 管理平台如图7所示，手机APP 界面如图8、图9所示。

图7 电动汽车充电桩Web 管理平台界面Fig.7 Electric vehicle charging pile Web management platform interface

图8 电枪详情界面Fig.8 Gun details interface

图9 充电实时动态数据界面Fig.9 Charging real-time dynamic data interface

4 系统测试

基于NB-IoT的电动汽车充电桩控制系统硬件设计和软件研发完成后，对样机进行整机测试，将充电桩系统软件编译并烧录到STM32 存储，为检验充电桩数据采集的准确性、充电功能的稳定性以及无线网络传输中的高效性，在试验场地进行了应用测试。充电桩样机实物图如图10所示，首先，完成整机系统连线，并测试充电参数采集过程，采集数据通过充电桩管理系统后台网页进行实时监看，一定时间内显示的部分实时数据如图11、12所示，结果表明充电桩系统充电功能稳定，数据采集准确，无线网络传输高效，充电桩Web 管理平台能实现远程对充电桩进行实时操作和监控，符合预期效果。

图10 充电桩样机实物图Fig.10 Physical drawing of charging pile prototype

图11 电压实时数据Fig.11 Real-time voltage data

图12 电量实时数据Fig.12 Electric quantity real-time data

5 结语

本文基于NB-IoT 技术和物联网云平台设计了电动汽车充电桩控制系统，从系统总体架构出发，对充电桩和窄带物联网云平台管理系统提出了具体分析和设计。相对于传统电动汽车充电桩系统，本设计充电桩接入快捷、联网高效，管理灵活，可以为用户提供更方便、智能、稳定的电动汽车充电服务。随着物联网技术的大力推进，本设计将对新能源汽车产业发展，充电基础设施的建设具有重要意义。