CN116744250A - 一种储能电池物联网平台架构及其实现方法 - Google Patents

一种储能电池物联网平台架构及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种储能电池物联网平台架构及其实现方法，包括：储能电池管理系统、无线物联网网关、储能物联网平台、Web应用端和App应用端，所述无线物联网网关与储能电池管理系统通信连接，所述储能物联网平台与无线物联网网关通信连接，用于实现与无线物联网网关的数据交互，所述Web应用端与储能物联网平台通信连接，所述App应用端分别与无线物联网网关和储能物联网平台通信连接，本发明可以实现对BMS进行远程控制和管理，有效提高管理效率以及系统安全性和稳定性。

Description

一种储能电池物联网平台架构及其实现方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种储能电池物联网平台架构及其实现方法。
背景技术
储能电池技术作为一种可再生的直流电源技术，得到了快速发展。储能电池系统是缓解电网压力的重要组成部分之一，储能电池系统是利用蓄电池的电能储存作用，将电网的电能以化学能的形式存储起来，并与公用电网有电气连接的发电系统。在储能电池系统中，储能电池管理系统(Battery Management System，以下简称：BMS)主要用于智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。
但是市面上现售的第三方科技公司开发、各储能公司自研的BMS，均为单一的电池模组数据采集功能，不具备向远程远程监控服务平台、直连近场通信功能；且当BMS出现程序缺陷或版本问题时，将会直接影响电池的使用寿命，甚至产生严重后果，而目前的BMS升级需要人工现场使用上位机与不同节点建立物理通信后再进行程序升级，因此，目前欠缺一套能够对BMS进行远程控制和管理的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种储能电池物联网平台架构及其实现方法，可以实现对BMS的远程控制和管理。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
第一方面，本申请提供一种储能电池物联网平台架构，包括：
储能电池管理系统，用于管理各个电池单元；
无线物联网网关，所述无线物联网网关与储能电池管理系统通信连接，用于接收并输出所述储能电池管理系统发送的储能数据或运行数据，并传输下发参数至储能电池管理系统；
储能物联网平台，所述储能物联网平台与无线物联网网关通信连接，用于实现与无线物联网网关的数据交互；
Web应用端，所述Web应用端与储能物联网平台通信连接，用于对储能物联网平台下发数据指令或接收储能物联网平台返回的数据参数；
App应用端，所述App应用端分别与无线物联网网关和储能物联网平台通信连接，用于对无线物联网网关和/或储能物联网平台下发数据指令或接收返回的数据参数。
进一步的，所述无线物联网网关包括SoC芯片，SoC芯片具体型号为：ESP32-S3-WROOM-1U-N16R8，所述SoC芯片分别电性连接有RS485隔离接口、JTAG调试接口、串行烧写测试接口、LED指示灯、按键，所述SoC芯片还电性连接有片外存储单元，片外存储单元可提供充足的存储保障。
进一步的，所述储能电池管理系统与无线物联网网关采用RS485隔离通信；所述无线物联网网关与储能物联网平台之间通过MQTTS协议连接；所述Web应用端和App应用端均通过restful API接口与储能物联网平台连接；所述App应用端与无线物联网网关之间采用BLE蓝牙通信。
第二方面，本申请提供一种储能电池物联网平台架构实现方法，使用如第一方面中所述的储能电池物联网平台架构，包括如下步骤：
S1.无线物联网网关分别进行低功耗蓝牙初始化和WiFi初始化后启动功能模块，无线物联网网关与App应用端完成蓝牙配置连接；
S2.基于步骤S1，无线物联网网关分别与储能电池管理系统和储能物联网平台通信连接，App应用端和/或Web应用端与储能物联网平台连接并接收或下发数据；S3.基于步骤S2，储能物联网平台和无线物联网网关之间的数据交互包括OTA升级数据、参数下发、数据上传、命令下发中的一种或多种；其中，无线物联网网关将OTA升级数据、下发的参数传送至储能电池管理系统，无线物联网网关接收储能物联网平台的下发命令后进行参数配置或存储、离线数据存储、GPIO控制动作中的一种或多种，储能电池管理系统将对各个电池单元的采集数据和/或校对数据上传至无线物联网网关。
进一步的，蓝牙配置的具体步骤为：
S11.蓝牙初始化后等待App应用端与无线物联网网关建立蓝牙连接；
S12.无线物联网网关与App应用端协商数据加密算法及密钥，协商完成后，无线物联网网关向App应用端发送网关基本信息；
S13.App应用端接收网关基本信息并执行参数配置，参数配置完成后App应用端主动断开连接。
进一步的，无线物联网网关与储能物联网平台连接的具体步骤为：
S21.无线物联网网关通过MQTTS协议连接至储能物联网平台，并通过provision规则自动想储能物联网平台注册无线物联网网关设备；
S22.无线物联网网关订阅储能物联网平台相关主题并接收储能物联网平台消息；S23.判断消息类型，如为OTA消息则实行步骤S24，如为参数下发消息则实行步骤S25，如为命令下发消息在实行步骤S26；
S24.无线物联网网关向储能电池管理系统传输OTA升级数据，并实时监控OTA升级进程返回步骤S22；
S25.无线物联网网关处理下发参数并将参数传输至储能电池管理系统，无线物联网网关返回储能电池管理系统参数并向储能物联网平台下发结果，返回步骤S22；S26.无线物联网网关执行下发命令，向储能物联网平台返回结果，返回步骤S22。
进一步的，OTA升级具体步骤为：
S241.无线物联网网关向储能物联网平台订阅OTA升级属性，当App应用端或Web应用端向储能物联网平台下发升级操作后，无线物联网网关接收OTA参数，其中，OTA参数包含固件名称、固件版本、校验码；
S242.无线物联网网关判断OTA固件与当前固件版本是否相同，如相同则通知储能物联网平台OTA固件版本相同，结束升级；若不相同则执行步骤S243；
S243.无线物联网网关下载OTA固件，无线物联网网关调用与储能电池管理系统的协议接口进行固件升级，并判断是否升级成功，如升级成功则通知储能物联网平台OTA升级成功，结束升级；如升级不成功则通知储能物联网平台OTA升级失败并发送失败原因。
进一步的，数据采集的具体步骤为：
S31.无线物联网网关调用协议接口对储能电池管理系统硬件接口初始化；
S32.无线物联网网关等待定时触发或事件触发对储能电池管理系统进行数据采集，触发采集后调用协议接口进行数据采集；
S33.无线物联网网关将采集的数据进行预处理，并将预处理后的数据传输给储能物联网平台；
S34.无线物联网网关继续等到触发采集，重复步骤S32-S34，直至完成数据采集。
本发明的有益效果是：通过本申请的平台架构，可对BMS实现远程控制和管理，包括OTA远程升级，BMS数据实时在线监测、历史数据存储、BMS参数下发，提高了系统灵活性和效率；本申请实现OTA远程升级，可以提高系统效率、安全性和稳定性；本系统各模块之间的数据传输及协议认证，降低数据泄露和未经授权访问的风险，保证了整个系统的安全性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的平台架构图；
图2是本发明无线物联网网关硬件设计框图；
图3是本发明软件系统结构图；
图4是本发明软件工作流程图；
图5是本发明蓝牙配置流程图；
图6是本发明云平台连接流程图；
图7是本发明OTA升级流程图；
图8是本发明数据采集流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示的一种储能电池物联网平台架构，包括：
储能电池管理系统，用于管理各个电池单元。
无线物联网网关，无线物联网网关与储能电池管理系统通信连接，用于接收并输出所述储能电池管理系统发送的储能数据或运行数据，并传输下发参数至储能电池管理系统；无线物联网网关包括SoC芯片，SoC芯片具体型号为：ESP32-S3-WROOM-1U-N16R8，SoC芯片分别电性连接有RS485隔离接口、JTAG调试接口、串行烧写测试接口、LED指示灯、按键，SoC芯片还电性连接有片外存储单元，片外存储单元可提供充足的存储保障。
在一个实施例中，无线物联网网关可通过LED指示灯显示系统运行状态，并且通过按键对网关进行恢复出厂设置，无线物联网网关可将蓝牙配置和储能物联网平台配置中的各参数保存至片外存储单元的Flash中，并在运行时读取使用。
在一个实施例中，采用5-60V直流宽电压输入DC-DC降压单元中转换为3.3V电压为SoC供电，且5-60V直流宽电压输入可以适配各种规格储能电池的电压输出，在输入端做了防反接及过压保护。
在一个实施例中，网关可根据供电方式选择合适的休眠模式，可有效节省电池消耗。目前储能电池中的物联网网关多数由储能电池进行供电，为了减少网关运行对电池的消耗，网关一般设置为深度休眠模式，在处理完云平台下发的指令后，网关会自动进入深度休眠，进入休眠后，网关可以设置定时唤醒或由按键触发唤醒。网关在唤醒时会执行定时采集任务以及连接储能物联网平台处理已下发的指令。
储能物联网平台，储能物联网平台与无线物联网网关通信连接，用于实现与无线物联网网关的数据交互。
Web应用端，Web应用端与储能物联网平台通信连接，用于对储能物联网平台下发数据指令或接收储能物联网平台返回的数据参数；
App应用端，App应用端分别与无线物联网网关和储能物联网平台通信连接，用于对无线物联网网关和/或储能物联网平台下发数据指令或接收返回的数据参数。
其中，储能电池管理系统与无线物联网网关采用RS485隔离通信，RS485通信协议采用差分信号方式，对电磁干扰有很强的抵抗能力，特别适用于电磁环境较差的工业现场，通过电气隔离，可以防止设备间的电压差和电流冲击，避免设备因电气故障而损坏，提高设备的安全性；无线物联网网关与储能物联网平台之间通过MQTTS协议连接；Web应用端和App应用端均通过restful API接口与储能物联网平台连接；App应用端与无线物联网网关之间采用BLE蓝牙通信，管理员用户可通过Web应用端及App应用端实现OTA远程升级、BMS数据实时在线监测、历史数据存储、BMS参数下发等功能，其他用户可根据不同角色权限，例如分销商、运营商、售后、终端客户等，在App和Web端实现相关功能的浏览及功能操作。
实施例2
在实施例1的基础上，提供如图3-图6所示的一种储能电池物联网平台架构实现方法，使用如实施例1中所述的储能电池物联网平台架构，如图3和图4所示，储能电池物联网平台具备蓝牙配置、云平台连接、自动适配的设备协议接入、参数配置/存储、离线数据存储、GPIO控制等功能；储能电池物联网平台在上电后首先会基础硬件进行初始化，包括低功耗蓝牙初始化、Wi-Fi初始化等，随后即启用各功能模块，主要有蓝牙配置功能、云平台功能、数据采集功能，包括如下步骤：
S1.无线物联网网关分别进行低功耗蓝牙初始化和WiFi初始化后启动功能模块，无线物联网网关与App应用端完成蓝牙配置连接；
其中，如图5所示，蓝牙配置的具体步骤为：
S11.蓝牙初始化后等待App应用端与无线物联网网关建立蓝牙连接；
S12.无线物联网网关与App应用端协商数据加密算法及密钥，协商完成后，无线物联网网关向App应用端发送网关基本信息；
S13.App应用端接收网关基本信息并执行参数配置，参数配置完成后App应用端主动断开连接。
为了减少网关功耗，App应用端通过低功耗蓝牙与网关通信，同时采用DH算法进行密钥协商，采用128-AES算法进行数据加密，采用CRC16算法进行校验和验证，以保证通信数据安全。主要可以对Wi-Fi用户名密码、网关设备运行参数、储能物联网平台连接参数、BMS设备连接参数等进行配置。蓝牙初始化后会等待App应用端与网关建立连接，随后会通过DH算法协商密钥，确定密钥后会蓝牙连接之间的通信数据均会进行加密，并且还会对数据进行校验。确认连接建立后，网关会主动发送一条包含自身基础信息的数据给手机端，随后便等待App应用端执行操作，App应用端执行完毕后主动断开连接。
S2.基于步骤S1，无线物联网网关分别与储能电池管理系统和储能物联网平台通信连接，App应用端和/或Web应用端与储能物联网平台连接并接收或下发数据；
其中，如图6所示，无线物联网网关与储能物联网平台连接的具体步骤为：
S21.无线物联网网关通过MQTTS协议连接至储能物联网平台，并通过provision规则自动想储能物联网平台注册无线物联网网关设备；
S22.无线物联网网关订阅储能物联网平台相关主题并接收储能物联网平台消息；
S23.判断消息类型，如为OTA消息则实行步骤S24，如为参数下发消息则实行步骤S25，如为命令下发消息在实行步骤S26；
S24.无线物联网网关向储能电池管理系统传输OTA升级数据，并实时监控OTA升级进程返回步骤S22；
S25.无线物联网网关处理下发参数并将参数传输至储能电池管理系统，无线物联网网关返回储能电池管理系统参数并向储能物联网平台下发结果，返回步骤S22；
S26.无线物联网网关执行下发命令，向储能物联网平台返回结果，返回步骤S22。
无线物联网网关通过Wi-Fi采用MQTT协议与储能物联网平台进行连接，通过provision规则自动向储能物联网平台注册网关设备，同时采用TLS协议进行通信，确保保密性和数据完整性，同时利用TLS双向认证技术，双端均需认证，保证整个系统安全性。无线物联网网关在储能物联网平台连接方面主要包含OTA升级、参数下发、数据上传、命令下发等功能。
在一个实施例中，在无线物联网网关与储能物联网平台之间因网络或其他问题断开连接时，根据数据发送等级对离线数据进行存储，待连接恢复后，再将此离线数据上传至储能物联网平台，有效保证时序数据的完整性。
S3.基于步骤S2，储能物联网平台和无线物联网网关之间的数据交互包括OTA升级数据、参数下发、数据上传、命令下发中的一种或多种；其中，无线物联网网关将OTA升级数据、下发的参数传送至储能电池管理系统，无线物联网网关接收储能物联网平台的下发命令后进行参数配置或存储、离线数据存储、GPIO控制动作中的一种或多种，储能电池管理系统将对各个电池单元的采集数据和/或校对数据上传至无线物联网网关。
在一个实施例中，无线物联网网关通过协议接口与BMS设备进行交互，该协议接口可以自适应适配BMS设备协议，可根据已实现的设备协议自动确定与BMS设备之间的通信协议，简化了设备部署和管理，提高了设备的兼容性和系统的灵活性和可扩展性。协议接口主要实现数据采集、参数下发、固件升级、校时等功能。
实施例3
在实施例2的基础上，如图7所示，实现OTA升级具体步骤为：
S241.无线物联网网关向储能物联网平台订阅OTA升级属性，当App应用端或Web应用端向储能物联网平台下发升级操作后，无线物联网网关接收OTA参数，其中，OTA参数包含固件名称、固件版本、校验码；
S242.无线物联网网关判断OTA固件与当前固件版本是否相同，如相同则通知储能物联网平台OTA固件版本相同，结束升级；若不相同则执行步骤S243；
S243.无线物联网网关下载OTA固件，无线物联网网关调用与储能电池管理系统的协议接口进行固件升级，并判断是否升级成功，如升级成功则通知储能物联网平台OTA升级成功，结束升级；如升级不成功则通知储能物联网平台OTA升级失败并发送失败原因。
无线物联网网关可通过OTA升级功能对自身或者是BMS设备进行升级，固件可通过MQTT协议进行下载，并实现了断点续传功能，同时在下载完成后会对固件进行SHA256校验，确保固件完整性及正确性。这一功能大大增强了整个物联网系统的效率、安全性、稳定性和用户体验。
本实施例3的其他方法步骤与实施例2相同。
实施例4
在实施例3的基础上，如图8所示，实现数据采集的具体步骤为：
S31.无线物联网网关调用协议接口对储能电池管理系统硬件接口初始化；
S32.无线物联网网关等待定时触发或事件触发对储能电池管理系统进行数据采集，触发采集后调用协议接口进行数据采集；
S33.无线物联网网关将采集的数据进行预处理，并将预处理后的数据传输给储能物联网平台；
S34.无线物联网网关继续等到触发采集，重复步骤S32-S34，直至完成数据采集。
在一个实施例中，数据预处理主要包括原始数据解析、数据格式转换、数值型数据处理、单位统一。
本实施例4的其他方法步骤与实施例3相同。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种储能电池物联网平台架构，其特征在于，包括：
储能电池管理系统，用于管理各个电池单元；
无线物联网网关，所述无线物联网网关与储能电池管理系统通信连接，用于接收并输出所述储能电池管理系统发送的储能数据或运行数据，并传输下发参数至储能电池管理系统；
储能物联网平台，所述储能物联网平台与无线物联网网关通信连接，用于实现与无线物联网网关的数据交互；
Web应用端，所述Web应用端与储能物联网平台通信连接，用于对储能物联网平台下发数据指令或接收储能物联网平台返回的数据参数；
App应用端，所述App应用端分别与无线物联网网关和储能物联网平台通信连接，用于对无线物联网网关和/或储能物联网平台下发数据指令或接收返回的数据参数。
2.根据权利要求1所述的一种储能电池物联网平台架构，其特征在于：所述无线物联网网关包括SoC芯片，所述SoC芯片分别电性连接有RS485隔离接口、JTAG调试接口、串行烧写测试接口、LED指示灯、按键，所述SoC芯片还电性连接有片外存储单元。
3.根据权利要求1所述的一种储能电池物联网平台架构，其特征在于：所述储能电池管理系统与无线物联网网关采用RS485隔离通信；所述无线物联网网关与储能物联网平台之间通过MQTTS协议连接；所述Web应用端和App应用端均通过restfulAPI接口与储能物联网平台连接；所述App应用端与无线物联网网关之间采用BLE蓝牙通信。
4.一种储能电池物联网平台架构实现方法，使用如权利要求1-3任一项所述的储能电池物联网平台架构，其特征在于，包括如下步骤：
S1.无线物联网网关分别进行低功耗蓝牙初始化和WiFi初始化后启动功能模块，无线物联网网关与App应用端完成蓝牙配置连接；
S2.基于步骤S1，无线物联网网关分别与储能电池管理系统和储能物联网平台通信连接，App应用端和/或Web应用端与储能物联网平台连接并接收或下发数据；
S3.基于步骤S2，储能物联网平台和无线物联网网关之间的数据交互包括OTA升级数据、参数下发、数据上传、命令下发中的一种或多种；其中，无线物联网网关将OTA升级数据、下发的参数传送至储能电池管理系统，无线物联网网关接收储能物联网平台的下发命令后进行参数配置或存储、离线数据存储、GPIO控制动作中的一种或多种，储能电池管理系统将对各个电池单元的采集数据和/或校对数据上传至无线物联网网关。
5.根据权利要求4所述的一种储能电池物联网平台架构实现方法，其特征在于，蓝牙配置的具体步骤为：
S11.蓝牙初始化后等待App应用端与无线物联网网关建立蓝牙连接；
S12.无线物联网网关与App应用端协商数据加密算法及密钥，协商完成后，无线物联网网关向App应用端发送网关基本信息；
S13.App应用端接收网关基本信息并执行参数配置，参数配置完成后App应用端主动断开连接。
6.根据权利要求4所述的一种储能电池物联网平台架构实现方法，其特征在于，无线物联网网关与储能物联网平台连接的具体步骤为：
S21.无线物联网网关通过MQTTS协议连接至储能物联网平台，并通过provision规则自动想储能物联网平台注册无线物联网网关设备；
S22.无线物联网网关订阅储能物联网平台相关主题并接收储能物联网平台消息；
S23.判断消息类型，如为OTA消息则实行步骤S24，如为参数下发消息则实行步骤S25，如为命令下发消息在实行步骤S26；
S24.无线物联网网关向储能电池管理系统传输OTA升级数据，并实时监控OTA升级进程返回步骤S22；
S25.无线物联网网关处理下发参数并将参数传输至储能电池管理系统，无线物联网网关返回储能电池管理系统参数并向储能物联网平台下发结果，返回步骤S22；
S26.无线物联网网关执行下发命令，向储能物联网平台返回结果，返回步骤S22。
7.根据权利要求6所述的一种储能电池物联网平台架构实现方法，其特征在于，OTA升级具体步骤为：
S241.无线物联网网关向储能物联网平台订阅OTA升级属性，当App应用端或Web应用端向储能物联网平台下发升级操作后，无线物联网网关接收OTA参数，其中，OTA参数包含固件名称、固件版本、校验码；
S242.无线物联网网关判断OTA固件与当前固件版本是否相同，如相同则通知储能物联网平台OTA固件版本相同，结束升级；若不相同则执行步骤S243；
S243.无线物联网网关下载OTA固件，无线物联网网关调用与储能电池管理系统的协议接口进行固件升级，并判断是否升级成功，如升级成功则通知储能物联网平台OTA升级成功，结束升级；如升级不成功则通知储能物联网平台OTA升级失败并发送失败原因。
8.根据权利要求4所述的一种储能电池物联网平台架构实现方法，其特征在于，数据采集的具体步骤为：
S31.无线物联网网关调用协议接口对储能电池管理系统硬件接口初始化；
S32.无线物联网网关等待定时触发或事件触发对储能电池管理系统进行数据采集，触发采集后调用协议接口进行数据采集；
S33.无线物联网网关将采集的数据进行预处理，并将预处理后的数据传输给储能物联网平台；
S34.无线物联网网关继续等到触发采集，重复步骤S32-S34，直至完成数据采集。
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