CN108973718A - 基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NB‑IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，包括若干个充电桩，各个通信运营商部署的若干个NB‑IoT网络，云平台服务器和移动终端；各个充电桩均通过通信模块与对应的NB‑IoT网络连接，云平台服务器与移动终端均通过网络电连接。本发明具有可有效精确计量电能、便于充电桩信息管理、便于用户查找充电桩、获取实时充电状态的特点。

Description

基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统及方法

技术领域

本发明涉及电动车充电技术领域，尤其是涉及一种可有效精确计量电能、便于充电桩信息管理、便于用户查找充电桩、获取实时充电状态的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统及方法。

背景技术

在新能源战略的大力倡导下，电动车已经成为目前节能环保、流行较广的一种绿色交通工具，因此电动车的使用数量每年不断增长。电动车需要及时的充电，现在充电点的设置较少或者不太合理，因此用户需要骑车到处寻找充电点，或者骑车上楼充电，或者乱拉电线，充电不便捷。近年来，国内已多次曝光电动车引起火灾事故，其中大部分是电动车充电时引发的，政府已经开始高度重视电动车充电安全问题。

现有的充电桩较为分散，集中管理的充电站较少，用户寻找充电桩站点困难，且大部分是老旧投币式，少量为刷卡式，支付不便，提供的充电接口少，智能化程度低，安全保护等级低。现有的充电桩大多是单机的，运营商和用户不能及时获得充电的动态信息，维护管理困难，性价比低。有些能联网的充电桩，无线信号不能深入覆盖到地下室，未能得到普及。

现有的充电桩不能对电能精确计量，通常按时长计费，电动车的充电功率各不相同，只按时长计费的方式并不合理。

现有的充电桩不具备备用电源，当断电时，不能及时上报至云平台，不能及时通知用户，耽误用户的使用。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的计费方式不合理、充电桩管理不便、查找不便、安全性较低的不足，提供了一种可有效精确计量电能、便于充电桩信息管理、便于用户查找充电桩、获取实时充电状态的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，包括若干个充电桩，各个通信运营商部署的若干个NB-IoT网络，云平台服务器和移动终端；各个充电桩均通过通信模块与对应的NB-IoT网络连接，云平台服务器与移动终端均通过网络电连接。

本发明是一种基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，充电桩用于给电瓶充电；窄带物联网(Narrow Band Intemet of Things，NB-IoT)是万物互联网的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络。各个充电桩接入NB-IoT网络，云平台服务器用于收取各个充电桩上传的充电信息数据与集中管理各个充电桩，移动终端用于查找充电桩并触发充电操作。

作为优选，各个充电桩均包括机箱壳体，设于机箱壳体侧壁的散热孔，设于机箱壳体上部的标示区域，设于机箱壳体上的n个显示窗口，n大于1，设于机箱壳体上的n个按键，设于机箱壳体上的刷卡区域，设于机箱壳体内部的硬件电路和设于机箱壳体下部的n个充电插座；各个充电插座均与硬件电路电连接；标示区域上设有二维码显示窗口。

充电桩用于给电动车进行充电，标示区域用于显示充电二维码，显示区域用于显示每一条充电分路的工作状态、充电时长和已耗电能，每个按键是受用户控制，用于控制每一路充电的开始和停止，每一个按键分别对应一路充电分路，一路充电分路分别对应一个显示区域。刷卡区域用于刷卡支付来获得充电服务，刷卡区域设有数码管，用于显示本次充电金额和剩余金额。充电插座用于给电动车充电，充电插座与机箱壳体之间设有线槽，机箱壳体和线槽通过螺丝固定在墙体或者支架上。

作为优选，硬件电路包括控制单元和供电单元；控制单元包括微控制器，数据存储模块、显示模块、多路按键模块、语音模块、NB-IoT通讯模块、GPS/北斗定位模块、刷卡模块、参数检测模块和散热模块；显示模块位于对应的显示窗口后部，刷卡模块位于刷卡区域的后部；数据存储模块、显示模块、多路按键模块、语音模块、NB-IoT通讯模块、GPS/北斗定位模块、刷卡模块、参数检测模块和散热模块均通过通用输入输出接口与微控制器电连接；通信模块为NB-IoT通讯模块。显示模块用于显示每一充电分路的充电信息，多路按键模块与机箱壳体上的按键相对应，语音模块为扬声器，用于语音提示操作，NB-IoT通讯模块用于与NB-IoT网络通过UDP或CoAP协议进行通信连接，定位模块为GPS/北斗定位模块，刷卡模块用于读取卡片信息提示消费金额，参数检测模块用于测定充电特性数据，包括充电电流、充电电压和充电功率。

作为优选，所述供电单元包括空气开关、开关电源、备用电源和若干个充电插座；空气开关、开关电源和备用电源依次电连接，空气开关分别与各个充电插座电连接。空气开关带漏电保护，用于引入220V/50Hz的市电；开关电源将220V/50Hz市电转换成直流电12V给充电桩控制单元供电。

作为优选，参数检测模块包括m个电能计量模块、m大于1，3m个电流互感器、3m个充电控制继电器、3m个保险丝和电压互感器；各个电能计量模块均包括若干个数据采集接口和通讯总线接口；电压互感器的输出端分别与各个电能计量模块的一个数据采集接口电连接，电压互感器的输入端与空气开关电连接；开关电源与充电插座之间设有3m条充电分路，每条充电分路上均设有保险丝、充电控制继电器和连接导线，每条连接导线均穿过对应的电流互感器；各个电流互感器均与对应的电能计量模块的数据采集接口电连接，每个电能计量模块均与3个对应的电流互感器电连接。

充电桩供电单元经过参数检测模块，分成多个充电分路，干路并联一个电压互感器，采集当前充电电压，每个充电分路设置单独的充电控制继电器、保险丝、电流传感器，电流互感器采集每个充电分路的充电电流。当某充电分路充满电时，充电控制继电器断开，实施充满保护。当充电电流超过保险丝熔断电流的90％，充电控制继电器断开，提前实施过载保护，若充电控制继电器失去控制，保险丝熔断实施过载保护，保险丝对短路也起一定保护作用。

作为优选，各个电能计量模块均通过串行外设接口与微控制器模块电连接。

作为优选，每个显示模块均包括若干个用于显示工作状态、充电时长和已耗电能的第一数码管；刷卡模块包括射频读卡器和若干个用于显示剩余金额和消费金额的第二数码管；散热模块包括温度传感器、风扇控制继电器和风扇；NB-IoT通讯模块包括芯片，天线和SIM/UIM卡槽。

一种基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统的控制方法，包括以下步骤：

(8-1)用户向云平台服务器注册用户信息，并与移动终端或充电卡进行绑定；

(8-2)用户通过移动终端查找周边可用的空闲充电桩站点；

(8-3)用户到达充电桩站点进行电动车充电；

(8-4)充电桩检测到电瓶充满后，结束充电，充电桩向云平台上报充电实际使用电能，云平台根据实际使用电能结算充电费用，并将并向用户发送充电结束与扣费通知。

作为优选，(8-3)包括以下步骤：

(9-1)用户将充电器插在充电桩的空闲插座，用户使用移动终端扫描二维码或刷充电卡提交订单，按下空闲插座编号对应的按键，云平台收到订单信息，云平台向对应的充电桩下发充电启动命令，充电桩对应充电分路的充电控制继电器闭合，启动充电；

(9-2)电能计量模块实时采集当前每个充电分路的充电特性数据，并对已耗电能进行计量，电能计量模块将充电特性数据与已耗电能传输给微控制器；充电特性数据包括充电电流、充电电压和充电功率；

(9-3)微控制器对充电特性数据与散热模块数据进行监测判断；

(9-4)微控制器向云平台周期上报各充电分路的数据与工作状态，异常状态实时上报；

(9-5)微控制器判断若充电功率减小，且充电功率小于一个阈值时，微控制器判定充电已充满，微控制器控制相应充电分路的充电控制继电器断开，结束充电。

作为优选，(9-3)包括以下步骤：

(10-1)若开始充电，充电控制继电器闭合时，若电流互感器未检测到电流，微控制器控制语音模块语音提示用户，直到充电器插好，微控制器控制电能计量模块进行电能的计量；

(10-2)若微控制器判断充电分路处于过载状态，则断开相应充电分路的充电控制继电器，保护电瓶；

(10-3)若用户长按充电插座对应的按键要求主动结束充电，微控制器断开相应充电分路的充电控制继电器，结束充电；

(10-4)散热模块的温度传感器检测充电桩机箱内部的温度，并将温度信息传送至微控制器，微控制器判断温度若超过温度设定阈值，微控制器控制风扇进行散热，否则风扇不运转。

因此，本发明具有如下有益效果：电能计量模块能够精确计量使用的电量，不再根据使用时间进行计费，更加经济合理；一个充电桩配备多个充电插座，支持多个电动车同时充电，充电效率更高，节约充电时间；定位模块获取充电桩站点位置信息，供用户查询，寻找附近可用充电桩；云平台服务器对各个充电桩的信息进行统一管理，各个充电桩周期上报充电信息与故障信息，云平台服务器对充电桩的使用进行规划；因此，本发明具有可有效精确计量电能、便于充电桩信息管理、便于用户查找充电桩、获取实时充电状态的特点。

附图说明

图1是本发明的一种系统示意图；

图2是本发明的充电桩的一种结构示意图；

图3是本发明的充电桩的硬件电路模块的一种连接示意图；

图4是本发明的参数检测模块的一种电路连接示意图；

图5是本发明的充电桩的一种控制流程图。

图中：充电桩1，NB-IoT网络2，云平台服务器3，移动终端4，机箱壳体5，散热孔6，标示区域7，显示窗口8，按键9，刷卡区域10，充电插座11，微控制器12，数据存储模块13，显示模块14，多路按键模块15，语音模块16，NB-IoT通讯模块17，GPS/北斗定位模块18，刷卡模块19，参数检测模块20，散热模块21，空气开关22，开关电源23，备用电源24，电能计量模块25，电流互感器26，充电控制继电器27，保险丝28，电压互感器29。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例是一种基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，包括若干个充电桩1，各个通信运营商部署的若干个NB-IoT网络2，云平台服务器3和移动终端4；各个充电桩均通过通信模块与对应的NB-IoT网络连接，云平台服务器与移动终端均通过网络电连接。

如图2所示，充电桩包括机箱壳体5，设于机箱壳体侧面的散热孔6，设于机箱壳体上部的标示区域7，设于机箱壳体上的12个显示区域8，设于机箱壳体上的12个按键9，设于机箱壳体上的刷卡区域10，设于机箱壳体内部的硬件电路和设于机箱壳体下部的12个充电插座11；各个充电插座均与硬件电路电连接；标示区域上设有二维码显示窗口。机箱壳体下部有线槽，机箱壳体两侧均有通风散热孔，机箱壳体底部有导线出口。线槽采用阻燃PVC材料，线槽内部各路导线分别连接至各路插座上。机箱壳体和线槽通过螺丝固定在墙体或支架上。

如图3所示，硬件电路包括控制单元和供电单元；控制单元包括微控制器12，数据存储模块13、显示模块14、多路按键模块15、语音模块16、NB-IoT通讯模块17、GPS/北斗定位模块18、刷卡模块19、参数检测模块20和散热模块21；显示模块位于对应的显示窗口后部，刷卡模块位于刷卡区域的后部；数据存储模块、显示模块、多路按键模块、语音模块、NB-IoT通讯模块、GPS/北斗定位模块、刷卡模块、参数检测模块和散热模块均通过通用输入输出接口与微控制器电连接；通信模块为NB-IoT通讯模块。供电单元包括空气开关22、开关电源23、备用电源24和若干个充电插座；空气开关、开关电源和备用电源依次电连接，空气开关分别与各个充电插座电连接。每个显示模块均包括若干个用于显示工作状态、充电时长和已耗电能的第一数码管；刷卡模块包括射频读卡器和若干个用于显示剩余金额和消费金额的第二数码管；散热模块包括温度传感器、风扇控制继电器和风扇；NB-IoT通讯模块包括芯片，天线和SIM/UIM卡槽。

微控制器采用STM32单片机，数据存储模块与微控制器的IIC接口连接，能够掉电保存数据，包括插座工作状态，用户信息、剩余充电时长、已耗电能等信息；各个按键受用户操控，分别控制每一路充电的开始和停止，可与微控制器的GPIO口连接，采用低电平触发的方式。语音模块对关键信息和操作过程语音提醒，方便用户理解，可与微控制器的USART接口连接。NB-IoT通讯模块与微控制器的USART接口连接，与云平台使用UDP或CoAP协议通讯，当有数据传输时NB-IoT通讯模块进入连接状态，无数据传输时进入超低功耗休眠状态，上传的数据包括充电桩站点编号、插座编号，每路插座工作状态、耗电量、充电时长、当前充电功率；NB-IoT通讯模块采用型号为lierda NB05-01的NB-IoT模块，lierda NB05-01内的芯片为海思boudica芯片。GPS/北斗定位模块与微控制器模块的USART接口连接，获取充电桩站点位置信息，供用户查询，寻找附近可用充电桩。刷卡模块可与微控制器模块的SPI接口连接，用于刷卡支付，获取充电服务，模块设有数码管，显示已刷金额和剩余金额。

如图4所示，参数检测模块包括4个电能计量模块25，12个电流互感器26、12个充电控制继电器27、12个保险丝28和电压互感器29；各个电能计量模块均包括4个数据采集接口和通讯总线接口；电压互感器的输出端分别与各个电能计量模块的一个数据采集接口电连接，电压互感器的输入端与空气开关电连接；开关电源与充电插座之间设有12条充电分路，每条充电分路上均设有保险丝、充电控制继电器和连接导线，每条连接导线均穿过对应的电流互感器；各个电流互感器均与对应的电能计量模块的数据采集接口电连接，每个电能计量模块均与3个对应的电流互感器电连接。各个电能计量模块均通过串行外设接口与微控制器电连接。

如图5所示，一种基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤100，用户向云平台服务器注册用户信息，并与移动终端或充电卡进行绑定；

步骤200，用户通过移动终端查找周边可用的空闲充电桩站点；

步骤300，用户到达充电桩站点进行电动车充电；

步骤310，用户将充电器插在充电桩的空闲插座，用户使用移动终端扫描二维码或刷充电卡提交订单，按下空闲插座编号对应的按键，云平台收到订单信息，云平台向对应的充电桩下发充电启动命令，充电桩对应充电分路的充电控制继电器闭合，启动充电；

步骤320，电能计量模块实时采集当前每个充电分路的充电特性数据，并对已耗电能进行计量，电能计量模块将充电特性数据与已耗电能传输给微控制器；充电特性数据包括充电电流、充电电压和充电功率；

步骤330，微控制器对充电特性数据与散热模块数据进行监测判断；

步骤331，若开始充电，充电控制继电器闭合时，若电流互感器未检测到电流，微控制器控制语音模块语音提示用户，直到充电器插好，微控制器控制电能计量模块进行电能的计量；

步骤332，若微控制器判断充电分路处于过载状态，则断开相应充电分路的充电控制继电器，保护电瓶；

步骤333，若用户长按充电插座对应的按键要求主动结束充电，微控制器断开相应充电分路的充电控制继电器，结束充电；

步骤334，散热模块的温度传感器检测充电桩机箱内部的温度，并将温度信息传送至微控制器，微控制器判断温度若超过温度设定阈值38℃，微控制器控制风扇进行散热，否则风扇不运转；

步骤340，微控制器向云平台周期上报各充电分路的数据与工作状态，异常状态实时上报；

步骤350，微控制器判断若充电功率减小，且充电功率小于一个阈值30w时，微控制器判定充电已充满，微控制器控制相应充电分路的充电控制继电器断开，结束充电；

步骤400，充电桩检测到电瓶充满后，结束充电，充电桩向云平台上报充电实际使用电能，云平台根据实际使用电能结算充电费用，并将并向用户发送充电结束与扣费通知。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，其特征是，包括若干个充电桩(1)，各个通信运营商部署的若干个NB-IoT网络(2)，云平台服务器(3)和移动终端(4)；各个充电桩均通过通信模块与对应的NB-IoT网络连接，云平台服务器与移动终端均通过网络电连接。

2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，其特征是，各个充电桩均包括机箱壳体(5)，设于机箱壳体侧壁的散热孔(6)，设于机箱壳体上部的标示区域(7)，设于机箱壳体上的n个显示窗口(8)，n大于1，设于机箱壳体上的n个按键(9)，设于机箱壳体上的刷卡区域(10)，设于机箱壳体内部的硬件电路和设于机箱壳体下部的n个充电插座(11)；各个充电插座均与硬件电路电连接；标示区域上设有二维码显示窗口。

3.根据权利要求2所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，其特征是，硬件电路包括控制单元和供电单元；控制单元包括微控制器(12)，数据存储模块(13)、显示模块(14)、多路按键模块(15)、语音模块(16)、NB-IoT通讯模块(17)、GPS/北斗定位模块(18)、刷卡模块(19)、参数检测模块(20)和散热模块(21)；显示模块位于对应的显示窗口后部，刷卡模块位于刷卡区域的后部；数据存储模块、显示模块、多路按键模块、语音模块、NB-IoT通讯模块、GPS/北斗定位模块、刷卡模块、参数检测模块和散热模块均通过通用输入输出接口与微控制器电连接；通信模块为NB-IoT通讯模块。

4.根据权利要求3所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，其特征是，所述供电单元包括空气开关(22)、开关电源(23)、备用电源(24)和若干个充电插座；空气开关、开关电源和备用电源依次电连接，空气开关分别与各个充电插座电连接。

5.根据权利要求3所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，其特征是，参数检测模块包括m个电能计量模块(25)、m大于1，3m个电流互感器(26)、3m个充电控制继电器(27)、3m个保险丝(28)和电压互感器(29)；各个电能计量模块均包括若干个数据采集接口和通讯总线接口；电压互感器的输出端分别与各个电能计量模块的一个数据采集接口电连接，电压互感器的输入端与空气开关电连接；开关电源与充电插座之间设有3m条充电分路，每条充电分路上均设有保险丝、充电控制继电器和连接导线，每条连接导线均穿过对应的电流互感器；各个电流互感器均与对应的电能计量模块的数据采集接口电连接，每个电能计量模块均与3个对应的电流互感器电连接。

6.根据权利要求5所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，其特征是，各个电能计量模块均通过串行外设接口与微控制器电连接。

7.根据权利要求3所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统，其特征是，每个显示模块均包括若干个用于显示工作状态、充电时长和已耗电能的第一数码管；刷卡模块包括射频读卡器和若干个用于显示剩余金额和消费金额的第二数码管；散热模块包括温度传感器、风扇控制继电器和风扇；NB-IoT通讯模块包括芯片，天线和SIM/UIM卡槽。

8.一种基于权利要求1所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

(8-1)用户向云平台服务器注册用户信息，并与移动终端或充电卡进行绑定；

(8-2)用户通过移动终端查找周边可用的空闲充电桩站点；

(8-3)用户到达充电桩站点进行电动车充电；

(8-4)充电桩检测到电瓶充满后，结束充电，充电桩向云平台上报充电实际使用电能，云平台根据实际使用电能结算充电费用，并将并向用户发送充电结束与扣费通知。

9.一种基于权利要求8所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统的控制方法，其特征是，(8-3)包括以下步骤：

(9-1)用户将充电器插在充电桩的空闲插座，用户使用移动终端扫描二维码或刷充电卡提交订单，按下空闲插座编号对应的按键，云平台收到订单信息，云平台向对应的充电桩下发充电启动命令，充电桩对应充电分路的充电控制继电器闭合，启动充电；

(9-2)电能计量模块实时采集当前每个充电分路的充电特性数据，并对已耗电能进行计量，电能计量模块将充电特性数据与已耗电能传输给微控制器；充电特性数据包括充电电流、充电电压和充电功率；

(9-3)微控制器对充电特性数据与散热模块数据进行监测判断；

(9-4)微控制器向云平台周期上报各充电分路的数据与工作状态，异常状态实时上报；

(9-5)微控制器判断若充电功率减小，且充电功率小于一个阈值时，微控制器判定充电已充满，微控制器控制相应充电分路的充电控制继电器断开，结束充电。

10.一种基于权利要求9所述的基于NB-IoT网络和云平台的共享式智能充电系统的控制方法，其特征是，(9-3)包括以下步骤：

(10-1)若开始充电，充电控制继电器闭合时，若电流互感器未检测到电流，微控制器控制语音模块语音提示用户，直到充电器插好，微控制器控制电能计量模块进行电能的计量；

(10-2)若微控制器判断充电分路处于过载状态，则断开相应充电分路的充电控制继电器，保护电瓶；

(10-3)若用户长按充电插座对应的按键要求主动结束充电，微控制器断开相应充电分路的充电控制继电器，结束充电；

(10-4)散热模块的温度传感器检测充电桩机箱内部的温度，并将温度信息传送至微控制器，微控制器判断温度若超过温度设定阈值，微控制器控制风扇进行散热，否则风扇不运转。