CN109624775B - 一种基于NBIoT物联网的充电桩系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NBIoT物联网的充电桩系统。本系统包括智能充电桩、物联网连接平台，充电桩用户平台及充电桩管理平台；智能充电桩用于接收来自用户手机终端、IC储值卡或投币三种途径的充电请求，并对电动车提供充电服务；智能充电桩包括主控制器、充电电源系统、读卡器、投币器、NBIoT无线通信模块等；物联网连接平台通过NBIoT无线通信模块与主控制器进行MQTT长连接实现实时双向通信；充电桩用户平台用于接收用户的充电请求，并通过物联网连接平台下发至主控制器；充电桩管理平台用于接收管理员对主控制器的运行参数配置命令，由物联网连接平台转发至主控制器；本系统为用户提供更为便捷的充电服务，实现了充电桩的联网管理，增加了安全性及高效性。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，涉及一种智能充电桩系统，尤其是涉及一种基于NBIoT物联网的充电桩系统。
背景技术
电动车，因其便捷、环保、经济等优势，日益成为现代生活中速度较低、操作停放简便、满足大众中短距离出行需求的一种交通工具。面对全球气候变暖、我国石油资源日益短缺的现实，加速电动车行业的发展已成为关系国计民生的重要举措。与此同时，充电设施作为电动车的重要保障和基础，其发展水平直接影响到电动车的发展速度和质量。杭州政府已出台政策，“居住出租房屋必须建立符合消防安全技术防范要求的电动车集中停放点或设置电动车智能充电桩”，严格落实电动车停放、充电安全措施。现有电动车充电桩存在收费标准不统一，分布不均，支持的支付模式单一，便捷程度不够的问题，联网式充电桩规模较小，物联网连接平台所能提供的连接能力有限，无法支撑对大规模充电桩的集中联网管理。
NBIoT是近年来物联网领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NBIoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据测NBIoT设备电池寿命可以提高到至少10年，同时还能提供非常全面的蜂窝数据连接覆盖。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于NBIoT物联网的充电桩系统，方便用户通过多种支付方式对充电桩进行使用，同时建立对大量充电桩进行管理的连接平台，提升系统的安全性及高效性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于NBIoT物联网的充电桩系统，该系统包括智能充电桩、物联网连接平台、充电桩用户平台及充电桩管理平台；
所述智能充电桩，用于接收来自用户手机终端、IC卡或投币三种途径的充电请求，并对电动车提供充电服务，智能充电桩包括主控制器、充电电源系统、读卡器、投币器、NBIoT无线通信模块、Flash存储器和人机交互模块；所述主控制器分别与所述读卡器、投币器、NBIoT无线通信模块、Flash存储器和人机交互模块通信连接，所述Flash存储器用于存储运行参数配置信息；所述主控制器与所述充电电源系统连接，所述充电电源系统提供多个通道电流输出；
所述主控制器负责任务的调度分配和数据的接收及传送；
当用户使用投币方式充电时，投币器将投币信号传送给主控制器，主控制器开启通道选择功能，用户选择要使用的通道后，主控制器通过充电电源系统开启对应通道的充电开关，并将充电桩编号，当前使用通道及投币金额数据压缩后发送至NBIoT无线通信模块，NBIoT无线通信模块将数据上传至物联网连接平台进行后续处理；
当用户使用IC卡进行充电时，读卡器感应到卡片后，读取卡片编号，并将编号发送给主控制器，主控制器通过NBIoT无线通信模块向物联网连接平台请求卡片余额，若余额为正，则允许用户进行通道选择，待通道选择完成，开启自由充电模式；若余额为负，则需先通过手机终端对IC卡进行充值，充值后方可使用；电量充满或用户手动拔掉充电线可认为自由充电结束，此时主控制器通过NBIoT无线通信模块上报充电结束信息；
当用户使用手机终端进行充电时，需在手机终端选择充电桩、充电通道及充电金额，待完成支付后，由物联网连接平台将充电指令下发给指定充电桩连接的NBIoT无线通信模块，NBIoT无线通信模块将指令解析后传给主控制器，主控制器根据指令控制充电电源系统开启对应通道的充电开关；
所述物联网连接平台，通过NBIoT无线通信模块与主控制器进行MQTT长连接实现实时双向通信，并通过分布式的MQTT服务端架构，ZooKeeper管理MQTT客户端会话及Kafka消息队列支撑大量充电桩同时安全连接及数据的初步解析和存储；所述充电桩用户平台，用于接收用户的充电请求，并通过物联网连接平台下发至主控制器；所述充电桩管理平台，用于接收管理员对主控制器的运行参数配置命令，同样由物联网连接平台转发至主控制器；所述物联网连接平台则将充电开启情况和运行参数配置情况分别转发给充电桩用户平台和充电桩管理平台。
进一步地，主控制器上电后，硬件接口进行初始化，完成串口波特率与校验位的配置；从Flash存储器中读取设备运行参数和物联网连接平台地址并进行设置；然后对NBIoT无线通信模块进行配置，激活模块进入工作状态，完成入网操作；模块接入网络后，主控制器向物联网连接平台发送验证信息，物联网连接平台通过验证后，返回验证成功指令，并在平台端标记主控制器对应的智能充电桩为在线状态。
进一步地，所述人机交互模块由通道选择按键、数字显示屏和语音播报扬声器组成；所述通道选择按键用于用户在接好充电连接线后，告知主控制器已选择的通道；所述数字显示屏，用于显示充电状态及剩余充电时间；所述语音播报扬声器，用于在用户使用手机终端、IC卡或投币三种方式充电时，通过语音提示下一步操作。
进一步地，所述物联网连接平台由IoT Hub、设备影子和规则引擎模块组成；所述设备影子是一个JSON文档，用于存储充电桩当前的状态信息，无论充电桩是否在线，都可以通过设备影子获取和设置充电桩的状态；
所述规则引擎模块对NBIoT无线通信模块发来的数据进行过滤，并能够将处理后的数据发送到充电桩用户平台和充电桩管理平台的对应服务；
所述IoT Hub是智能充电桩与物联网连接平台进行安全通信的数据通道，IoT Hub支持PUB/SUB通信；IoT Hub由MQTT服务端、MQTT会话、ZooKeeper会话管理中心及Kafka消息队列四个模块组成，通过分布式架构设计，上述四个模块组成的整体可部署在不同服务器上，搭载于充电桩主控制器内的MQTT客户端通过负载均衡模块与MQTT服务端通信，MQTT服务端和MQTT客户端产生的会话由ZooKeeper进行管理和持久化存储，位于不同机器上的MQTT服务端通过Kafka消息队列进行消息通信，实现IoT Hub的高可靠线性动态扩展，支撑上千万智能充电桩同时连接。
进一步地，在NBIoT无线通信模块与物联网连接平台建立的MQTT连接上定义基于RSA算法的数据加密通道，保障通信安全。
进一步地，所述充电桩用户平台提供可视化的图形界面，对用户显示一定范围内全部可用充电桩，用户可选择充电桩、充电通道和充电金额，通过物联网连接平台将充电指令下发至主控制器；主控制器通知充电电源系统开启充电，待经过充电金额对应时长后，停止充电；构建用户账户，用户可对账户进行充值，查询历史充值记录及充电记录，还可通过邀请新用户获得奖励。
进一步地，所述充电桩管理平台支持管理者对充电桩物理信息，使用数据，用户数据进行查询和分析，支持对主控制器进行远程更新。
本发明的有益效果是：本发明提供的充电桩系统，通过对多种支付方式的支持，提升了充电服务的便捷性。与传统式联网充电桩系统相比，本发明充电桩采用NBIoT无线通信模块，该NBIoT模块一是具有广覆盖的特点，在同样的频段下，NBIoT比现有的物联网网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力，尤其是适用于充电桩所在的地下室或传统无线网络信号不好的地方。二是具备支撑海量连接的能力，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是低功耗，采用两节普通AA干电池的NBIoT无线通信模块的待机时间可长达10年。本发明提供的物联网连接平台采用分布式架构设计，支持海量数据并发处理，实现了对大数量充电桩的实时监控。本发明提供的充电桩用户平台实现了用户的移动支付需求，通过显示附近可用充电桩为用户提供了更为便捷的服务。充电桩管理平台为管理者提供充电桩物理信息，使用数据以及图形，报表等数据分析结果，同时提供远程更新充电桩的功能，提升了整个系统的灵活性。
附图说明
图1是本发明所搭建的充电桩系统结构示意图；
图2是本发明的主控制器程序流程图；
图3是本发明物联网连接平台的IoT hub模块架构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方法对本发明方案作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种基于NBIoT的物联网充电桩系统，可对电动车，包括电动汽车，电动自行车等进行充电，该系统包括智能充电桩、物联网连接平台，充电桩用户平台及充电桩管理平台。
智能充电桩包括主控制器、充电电源系统、读卡器、投币器、NBIoT无线通信模块、Flash存储器和人机交互模块；主控制器分别与所述读卡器、投币器、NBIoT无线通信模块、Flash存储器和人机交互模块通信连接，主控制器与充电电源系统连接。所述Flash存储器用于存储心跳周期等运行参数配置信息。
主控制器负责任务的调度分配和数据的接收及传送。当用户使用投币方式充电时，投币器将投币信号传送给主控制器，主控制器开启通道选择功能，用户通过按键选择要使用的通道后，主控制器通过充电电源系统开启对应通道的充电开关，并将充电桩编号，当前使用通道及投币金额数据压缩后发送至NBIoT无线通信模块，模块将数据上传至物联网连接平台后由平台进行后续处理。当用户使用IC卡进行充电时，读卡器感应到卡片后，读取卡片编号，并将编号发送给主控制器，主控制器通过NBIoT无线通信模块向物联网连接平台请求卡片余额，若余额为正，则允许用户进行通道选择，待通道选择完成，开启自由充电模式。若余额为负，则需先通过手机终端对IC卡进行充值，充值后方可使用；电量充满或用户手动拔掉充电线可认为充电结束，此时主控制通过NBIoT无线通信模块上报充电结束信息。当用户使用手机终端进行充电时，需在手机端选择充电桩，通道及充电金额，待完成支付后，由物联网连接平台将充电指令下发给指定充电桩连接的NBIoT无线通信模块，NBIoT模块将指令解析后传给主控制器，主控制器根据指令开启对应通道的充电开关。
NBIoT模块与物联网连接平台对接，收到主控制器的数据包后从休眠状态切换至工作状态，将接收到的数据包发送到物联网连接平台，接收并解析物联网连接平台下发的用户指令。
如图2所示，主控制器工作过程如下：
(1)初始化操作：GPIO配置；串口配置，设置串口通信波特率与校验位，使能串口中断。
(2)读取Flash：系统初次上电需要读取Flash存储区，更新参数值。获取主控制器当前软件版本号、心跳包周期、激活状态、目标服务器地址和端口号、当前处于使用中的端口以及各端口使用时长。
(3)NBIoT模块入网：激活NBIoT模块进入工作模式，配置模块入网参数，模块接入NB核心网。
(4)注册操作：NBIoT模块联网成功后会发送一个心跳包给物联网连接平台，如果心跳包发送成功并且收到平台回复，则点亮联网LED蓝色指示灯，否则熄灭联网指示灯，重新联网。
(5)设置操作：定时器配置，其中Timer2用于轮询平台下发命令，Timer15用于心跳计时和上报投币计时，Timer1用于倒计时；RTC初始化，设置系统时间；看门狗初始化。
(6)周期上报操作：主控制器通过NBIoT模块与物联网连接平台建立MQTT连接后，按照预设周期定期上报心跳，按照24h的周期上报信号强度。
(7)投币外部中断：当投币器检测投币信号时，外部中断触发主控制器更新RAM，更新Flash，在确认网络状态良好之后，置位投币上报Task标记，关闭发送使能。将充电桩编号，当前使用通道，投币金额及指令编号上报，开启Timer1钱币上报倒计时，置位投币上报等待状态。Timer2解析到投币回复，经由主控制器判断处于投币上报等待状态后，清除等待状态，更新RAM，更新Flash。若一直未收到平台回复，则在Timer1倒计时结束后，重复上报投币数据。若上报三次均未收到回复，则可判断NB模块与平台的连接已经断开，需重启NB模块。
(8)刷卡外部中断：当读卡器读取到IC卡信息时，外部中断触发主控制器更新RAM，更新Flash，在确认网络状态良好后，按照投币上报的流程获取IC卡余额信息，若余额为正，则通过语音播报扬声器提示用户选择通道。开启充电后，将卡片编号，通道编号及开始时间存入RAM及Flash。待电量充满或用户主动拔掉充电线时，根据通道编号取出卡片编号和开始时间信息，计算充电时长，将卡片编号，通道编号及充电时长上报至物联网连接平台，由平台对IC卡信息进行更新。
(9)接收用户手机终端的充电命令：Timer2用于轮询物联网连接平台下发的命令，接收命令后需进行解析。当解析到充电命令时，根据命令数据包含的通道和充电时间控制充电电源系统开启相应的通道，若开启失败，直接返回失败给物联网连接平台。若开启成功，则将通道编号和开始时间存入RAM及Flash，并将开启成功信息返回至物联网连接平台。
(10)接收管理员的运行参数配置命令：Timer2用于轮询物联网连接平台下发的命令，接收命令后需进行解析。其中管理员下发的命令共有四个种类，分别是触发激活命令，触发解绑命令，修改运行参数命令及更新请求命令。主控制器根据命令种类的不同做出不同的反应，完成充电桩的激活，解绑，运行参数更新，软件更新等一系列功能。
物联网连接平台由IoT Hub，设备影子，规则引擎模块组成。设备影子是一个JSON文档，用于存储充电桩当前的状态信息，无论充电桩是否在线，都可以通过设备影子获取和设置充电桩的状态。规则引擎对NBIoT模块发来的数据进行过滤，并能够将处理后的数据发送到充电桩用户平台和充电桩管理平台的对应服务。
IoT Hub是智能充电桩与物联网连接平台进行安全通信的数据通道。IoT Hub的架构如图3所示。为了保持物联网连接平台的高可用性，需采用分布式设计。MQTT协议基于发布/订阅模式的Topic通信，MQTT客户端针对每个具体的Topic可以选择发布、订阅或发布和订阅。MQTT客户端搭载于主控制器上，MQTT服务端搭载于IoT Hub上。IoT Hub由MQTT服务端、MQTT会话、ZooKeeper会话管理中心及Kafka消息队列四个模块组成，通过分布式架构设计，上述四个模块组成的整体可部署在不同服务器上。每一台服务器称为一个代理，MQTT客服端通过负载均衡模块选择与哪一个具体的代理进行MQTT通信。在通信建立后，代理将MQTT会话信息存储于ZooKeeper中，若某一台代理不能工作，与这台代理连接的MQTT客户端可通过负载均衡模块选择新的代理进行通信，并从ZooKeeper中恢复MQTT会话信息。MQTT服务端包含Topic路由模块，在接收了可向这个Topic发送消息的MQTT客户端发布的消息后，路由出应向哪些订阅了这个Topic的MQTT客户端转发这条消息，消息的转发由Kafka消息队列完成。通过多台代理的协同合作，可支撑上千万智能充电桩同时连接。
此外，还在NBIoT模块与平台建立的MQTT连接上定义了基于RSA算法的数据加密通道，保障通信安全。
充电桩用户平台提供可视化的图形界面，对用户显示一定范围内全部可用充电桩，用户可选择通道和充电金额，通过物联网连接平台将充电指令下发至主控制器。主控制器通知充电管理模块开启充电，待经过充电金额对应时长后，停止充电。构建用户账户，用户可对账户进行充值，查询历史充值记录及充电记录，还可通过邀请新用户获得奖励。
充电桩管理平台支持管理者对充电桩物理信息，使用数据，用户数据进行查询和分析，支持对主控制器进行远程更新。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于NBIoT物联网的充电桩系统，其特征在于：该系统包括智能充电桩、物联网连接平台、充电桩用户平台及充电桩管理平台；
所述智能充电桩，用于接收来自用户手机终端、IC卡或投币三种途径的充电请求，并对电动车提供充电服务，智能充电桩包括主控制器、充电电源系统、读卡器、投币器、NBIoT无线通信模块、Flash存储器和人机交互模块；所述主控制器分别与所述读卡器、投币器、NBIoT无线通信模块、Flash存储器和人机交互模块通信连接，所述Flash存储器用于存储运行参数配置信息；所述主控制器与所述充电电源系统连接，所述充电电源系统提供多个通道电流输出；
所述主控制器负责任务的调度分配和数据的接收及传送；
当用户使用投币方式充电时，投币器将投币信号传送给主控制器，主控制器开启通道选择功能，用户选择要使用的通道后，主控制器通过充电电源系统开启对应通道的充电开关，并将充电桩编号，当前使用通道及投币金额数据压缩后发送至NBIoT无线通信模块，NBIoT无线通信模块将数据上传至物联网连接平台进行后续处理；
当用户使用IC卡进行充电时，读卡器感应到卡片后，读取卡片编号，并将编号发送给主控制器，主控制器通过NBIoT无线通信模块向物联网连接平台请求卡片余额，若余额为正，则允许用户进行通道选择，待通道选择完成，开启自由充电模式；若余额为负，则需先通过手机终端对IC卡进行充值，充值后方可使用；电量充满或用户手动拔掉充电线可认为自由充电结束，此时主控制器通过NBIoT无线通信模块上报充电结束信息；
当用户使用手机终端进行充电时，需在手机终端选择充电桩、充电通道及充电金额，待完成支付后，由物联网连接平台将充电指令下发给指定充电桩连接的NBIoT无线通信模块，NBIoT无线通信模块将指令解析后传给主控制器，主控制器根据指令控制充电电源系统开启对应通道的充电开关；
所述物联网连接平台，通过NBIoT无线通信模块与主控制器进行MQTT长连接实现实时双向通信，并通过分布式的MQTT服务端架构，ZooKeeper管理MQTT客户端会话及Kafka消息队列支撑大量充电桩同时安全连接及数据的初步解析和存储；具体如下：
所述物联网连接平台由IoT Hub、设备影子和规则引擎模块组成；所述设备影子是一个JSON文档，用于存储充电桩当前的状态信息，无论充电桩是否在线，都可以通过设备影子获取和设置充电桩的状态；
所述规则引擎模块对NBIoT无线通信模块发来的数据进行过滤，并能够将处理后的数据发送到充电桩用户平台和充电桩管理平台的对应服务；
所述IoT Hub是智能充电桩与物联网连接平台进行安全通信的数据通道，IoT Hub支持PUB/SUB通信；IoT Hub由MQTT服务端、MQTT会话、ZooKeeper会话管理中心及Kafka消息队列四个模块组成，通过分布式架构设计，上述四个模块组成的整体可部署在不同服务器上，搭载于充电桩主控制器内的MQTT客户端通过负载均衡模块与MQTT服务端通信，MQTT服务端和MQTT客户端产生的会话由ZooKeeper进行管理和持久化存储，位于不同机器上的MQTT服务端通过Kafka消息队列进行消息通信，实现IoT Hub的高可靠线性动态扩展，支撑上千万智能充电桩同时连接；
所述充电桩用户平台，用于接收用户的充电请求，并通过物联网连接平台下发至主控制器；所述充电桩管理平台，用于接收管理员对主控制器的运行参数配置命令，同样由物联网连接平台转发至主控制器；所述物联网连接平台则将充电开启情况和运行参数配置情况分别转发给充电桩用户平台和充电桩管理平台。
2.根据权利要求1所述的基于NBIoT物联网的充电桩系统，其特征在于：主控制器上电后，硬件接口进行初始化，完成串口波特率与校验位的配置；从Flash存储器中读取设备运行参数和物联网连接平台地址并进行设置；然后对NBIoT无线通信模块进行配置，激活模块进入工作状态，完成入网操作；模块接入网络后，主控制器向物联网连接平台发送验证信息，物联网连接平台通过验证后，返回验证成功指令，并在平台端标记主控制器对应的智能充电桩为在线状态。
3.根据权利要求1所述的基于NBIoT物联网的充电桩系统，其特征在于：所述人机交互模块由通道选择按键、数字显示屏和语音播报扬声器组成；所述通道选择按键用于用户在接好充电连接线后，告知主控制器已选择的通道；所述数字显示屏，用于显示充电状态及剩余充电时间；所述语音播报扬声器，用于在用户使用手机终端、IC卡或投币三种方式充电时，通过语音提示下一步操作。
4.根据权利要求1所述的基于NBIoT物联网的充电桩系统，其特征在于：在NBIoT无线通信模块与物联网连接平台建立的MQTT连接上定义基于RSA算法的数据加密通道，保障通信安全。
5.根据权利要求1所述的基于NBIoT物联网的充电桩系统，其特征在于：所述充电桩用户平台提供可视化的图形界面，对用户显示一定范围内全部可用充电桩，用户可选择充电桩、充电通道和充电金额，通过物联网连接平台将充电指令下发至主控制器；主控制器通知充电电源系统开启充电，待经过充电金额对应时长后，停止充电；构建用户账户，用户可对账户进行充值，查询历史充值记录及充电记录，还可通过邀请新用户获得奖励。
6.根据权利要求1所述的基于NBIoT物联网的充电桩系统，其特征在于：所述充电桩管理平台支持管理者对充电桩物理信息，使用数据，用户数据进行查询和分析，支持对主控制器进行远程更新。
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