| 标题 | 基于移动网络的充电桩物联网实施方案研究 |
| 范文 | 李洁 摘要：围绕移动网络和充电桩物联网进行了技术层面和业务层面的分析与讨论，提出了基于移动网络的充电桩物联网架构。针对物联网的分层模型，从系统总体设计到关键技术逐层对充电桩物联网进行探讨。该实施方案以移动网络为基础，构建以大数据分析为核心的充电桩物联网平台，实现了以充电桩连网为主要功能的丰富的物联网应用，从而建立了充电桩物联网发展的新模式。 关键词：移动网络；充电桩；物联网 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）32-0241-03 Researches on Charging Piles IoT Implementation Plans Based on Mobile Networks LI Jie （Institute of Communication， Nanjing College of Information Technology， Nanjing 210023， China） Abstract： Centering on mobile networks and charging piles IoT， technical and service aspects are analyzed and discussed. Charging piles networking structure Based on mobile networks is proposed. According to the hierarchical model for IoT， researches about charging piles IoT are pursued layer by layer which include system total design and key techniques. Through this implementation plans， charging piles IoT platform is build using big data analysis as the core. This platform focusing on charging piles networking can also achieve multiple IoT applications. Therefore， new pattern of charging piles IoT development are established. Key words： mobile networks； charging piles； Internet of things 近年来，新能源汽车成为未来汽车工业发展的重点方向。为新能源汽车配套的充电桩建设得到政策鼓励。目前，充电桩部署正开展得如火如荼。但是充电桩的发展也面临着问题，数目庞大且地理位置分散，多主体投资建设和运营，导致充电桩监管和维护困难。对充电桩的管理有着现实的需求，充电时长需要监控，充电费用需要结算，各投资主体间需要协调等。为了解决这些问题，本文研究了充电桩物联网（Internet of Things，IOT）实施方案，从而打造出可监控、可管理、可运营的网络，提高充电桩管理水平和使用效率，同时能提供多样化的应用服务。 1 系统总体设计 物联网 [1]是通过信息感知设备，按所约定的协议，连接物品、系统和信息资源，实现信息的处理和交换的智能信息系统。信息感知设备包括物品上的电子标签、传感器和条形码等。物品、系统和信息资源联网通过通信网络进行，通信网络对信息进行可靠传输。在物联网中，充分利用云计算、模糊识别等智能计算技术，因此对信息的处理更加灵活和智能化。总之，物聯网的三大特征就是全面感知、可靠传输和智能处理。 在本实施方案中，充电桩物联网分为三层，分别为终端感知层、网络连接层和应用服务层，如图1所示。 终端感知层是物联网的基础。这一层负责智能感知、智能识别和信息采集等功能。终端感知层解决的是数据获取问题。在充电桩物联网里，终端主要指充电桩。充电桩需要感知充电量、充电时长和电池消耗量等，并且能根据用户的账户余额进行充电控制。 网络连接层将终端感知层所获得的数据进行传输，主要完成接入和传输功能。接入功能由充电桩附带的通信模块来完成。物联网数据传输可以依托电信运营商的通信网络。本文的实施方案中，充电桩通信模块接入移动通信网络进行数据传输。可以根据充电桩所需的数据传输量和传输速率，选择不同的通信模块。 应用服务层是物联网和用户的接口，包括业务支撑子层和应用子层。网络连接层传输而来的数据在这一层进入各类信息系统进行处理，并且通过各种机制与人进行交互。业务支撑子层为物联网业务提供统一的支撑服务，例如业务接入、策略控制和数据统计等。在业务支撑子层的基础上，充电桩的具体业务在应用子层开展。应用服务层除了对充电桩进行监管外，还提供大数据分析功能，便于开展各种增值业务。 2 终端感知层 在充电桩物联网里，最重要的终端就是充电桩。充电桩一般具有供电模块、智能控制模块、显示模块、输入模块和刷卡模块等。能够检测充电电流、充电电压，预约充电时间，统计用电量和查询账户余额等功能。 为了对充电桩进行智能控制和管理，还需要配备通信模块。对于不同类型的充电桩所需通信模块各有不同。对于中小型充电桩，数据传输量较小，可以采用小型数据传输模块。将小型数据传输模块嵌入到充电桩内部，实现对充电桩的实时监控和维护。对于大型充电桩，由于数据量大、安全性要求较高，用物联网网关是更合适的选择。 除了采用专门的通信模块和物联网网关以外，还可以将WiFi技术与充电桩相结合。将WiFi接入模块嵌入到充电桩内部，不但能提供网络接入及数据传输服务，还能在充电桩周围实现WIFI覆盖。 为了对繁忙和偏远地区的充电桩进行可视化监控，还可以在充电桩设备中集成视频数据一体化设备，实时监控充电桩周边状况以及道路的情况。 无论使用专门的通信模块、WiFi接入模块、物联网网关还是视频数据一体化设备，都是为了提高充电桩产品的价值。并且在管理充电桩网络时，能够取得类似WiFi覆盖、视频监控周边地区等额外收益。 3 网络连接层 目前充电桩连网主要采用现有的移动网络，随着窄带物联网NB-IoT[2]（Narrowband Internet of Things， NB-IoT）的部署，越来越多充电桩开始接入NB-IoT网络。 3.1 采用现有移动网络 移动网络具有覆盖面广、网络类型多样和稳定性高等特点。鉴于充电桩分布广泛、位置分散且数量庞大（数量还在不断增加中）的现状，采用移动网络进行网络连接是较好的选择。目前，移动网络为2G[3]、3G和LTE[4]（Long Term Evolution，LTE）共存的现状。对于不同的通信模块和不同的通信设备，考虑充电桩安装场地的移动通信网络类型，可灵活选择2G、3G和LTE移动网络。利用现有移动网络接入充电桩如图2所示。 2G （GSM＼GPRS＼CDMA）移动网络具有全覆盖、技术成熟和可靠性高的优点，但2G的数据传输带宽较小。部分充电桩位于比较偏远的地区，这些地区没有3G和LTE覆盖，只能采用2G网络进行连网。另外，部分充电桩采用小型数据传输模块，数据传输量较小，对数据传输速率要求不高，也可以采用2G移动网络。 对于大型充电桩，因为充电频繁、数据量大，要求安全性和数据传输速率要求较高，可采用无线路由器。这时可以选择接入3G移动网络。 如果在充电桩加装WiFi设备或视频一体化设备，数据传输速率要求更高，对性能要求更强，此时宜用LTE技术接入移动网络。为了使此类充电桩监控更具有稳定性和普适性，无线路由器可以支持TD-LTE或FDD-LTE，同时向下兼容CDMA1x 、EDGE和GPRS，支持一机多模的全网模式。 无论采用哪种制式，充电桩连网以数据传输业务为主，不涉及语音通信。因此，在进行连网时，充电桩数据传输对时延性不敏感。 传统的移动通信网络以人与人通信为主，但物联网业务是M2M（Machine to Machine，M2M），即机器到机器类型。在业务发展过程中，为了减少物联网业务对现网业务的影响，将M2M业务和现网业务进行隔离，针对物联网集中管控和集中运营的需求，设置物联网专用的网元，如M-HLR（Machine-Home Location Register， M-HLR）和M-GGSN（Machine-Gateway GPRS Support Node，M-GGSN） 3.2 采用NB-IoT技術 物联网终端具有位置分散、终端数目巨大、功耗小和传输数据突发等特点。随着物联网终端不断接入现有移动通信网络，移动通信网络有可能出现过载，进而影响到现有通信业务。为了更好地支持物联网业务，针对现有移动通信网络做改进，提出了窄带物联网NB-IoT（Narrowband Internet of Things， NB-IoT）技术，以建设专门的物联网无线接入网络。NB-IoT系统的目标是能做到在180 kHz 带宽下覆盖增强至少提升20 dB，能满足超低功耗、海量终端接入的非时延敏感的低速业务需求。 与现有的移动通信网络相比，NB-IoT增加了业务能力开放单元SCEF（Service Capability Exposure Function， SCEF），可以更好地支持小数据和非 IP 数据传输。另外，将MME（Mobility Management Entity，MME）、SGW（Serving Gateway，SGW）和PGW（PDN Gateway，PGW）合为一个网元，即C-SGN（Cellular-Serving Gateway Node， C-SGN）。 在物理层，NB-IoT传输带宽为180khz，定义了三种操作模式，减少了上、下行物理信道类型。为了减少资源阻塞和满足终端的低成本需求，引入周期性下行传输间隔和上行传输间隔。 在空中接口方面，对信令流程、随机接入过程和数据传输机制等方面进行简化或优化，达到降低终端功耗和复杂度的目的。 NB-IoT对核心网也做了改进，优化了部分现有接口，引入了一些新特性。针对SCEF单元新增了接口。经过改进，增加了对非IP数据的支持，扩大了网络的适用性。 由于NB-IoT针对现有LTE从物理层到核心网做了众多优化，使其更适合于开展物联网业务，更好地与现网业务共存。 综上所述，不同地理位置和不同功能的充电桩既可以选用现有移动通信网络，也可以采用新兴NB-IoT技术接入。目前，以采用现有移动通信网络为主。国内通信运营商已开始在部分地区建设NB-IoT实验网络，这些地区的充电桩业务可以采用该技术。今后，随着NB-IoT的大规模部署，将更多地采用该技术接入。 3.3 充电桩访问互联网的方式 无论采用何种网络连接方式，都是为充电桩访问位于互联网的后台服务器提供通道。因此需要提供一种机制，使充电桩能访问互联网。目前，普遍使用APN（Access Point Name，APN）技术，如图4所示。APN即接入点，是移动终端上网时必配的参数。 充电桩通过所分配的专用APN域名接入，企业侧路由器与M-GGSN建立GRE（Generic Routing Encapsulation， GRE）隧道。充电桩由M-GGSN分配IP地址，通过GRE隧道访问企业内网。这种方式的成本较低，安全性也较低。如果对安全性要求提升，并且对成本不敏感，可采用APN专线方式。采用APN专线方式时，M-GGSN直接与企业内网建立传输专线，充电桩的IP地址仍然由M-GGSN分配。 4 应用服务层 应用服务层分为两个子层：业务支撑子层和应用子层。应用服务层主要由各种服务器、相关软件和辅助设施组成。应用服务层应能对大数据进行处理，提供丰富的增值业务。 业务支撑子层为物联网业务提供统一的运营支撑，这一层次的功能一般由通信运营商提供。业务支撑子层最核心的功能是提供业务能力，包括业务能力接入和策略控制等。该子层还提供业务管控能力，包括终端管理/监控和应用管理等，同时具备数据统计和数据挖掘等功能。为了对充电桩进行标识和管理，每个充电桩需要加装SIM卡。SIM卡的号码统一分配和管理。为了与现网业务相区别，充电桩的SIM卡号码为专用号码段，长度13位。业务支撑子层通过对SIM卡的管理实现对充电桩的监控，可以实现的功能有：SIM卡生命周期管理、计费和账单管理、数据流量管理、充电桩设备状态监控以及故障监管理等。业务支撑子层能提供APP基础应用，提供基础数据，同时提供外部API接口，允许充电桩厂商或者第三方软件公司开发各种应用APP。 应用子层位于业务支撑子层之上，该层完成对充电桩全网的监控和管理，并且能进一步开发增值业务。为了完成充电桩网络监管，需要配备相应的硬件和软件。硬件有计费工作站、配电监控器、充电监控器、灾情报警器和数据库服务器等。软件则有操作系统、数据库软件、人机交互软件、通信协议栈软件以及专用的充电桩监管软件等。 在应用子层，可以开发各种应用APP，实现各种增值服务。可以查询充电桩位置、动态充电计划提示、在线付费及路况信息提示等功能。随着充電桩的部署和使用，充电桩监管平台会产生大量数据，有充电桩分布数据、充电桩运行信息、设备排障和修理数据、充电交易数据、用户付费数据、用户充电习惯信息和汽车型号数据等。对这些数据进行统计和挖掘，对于市容管理、消费者服务、改善汽车厂商服务等大有益处。 充电桩物联网还可以开展其他附加服务。为周边地区提供WIFI覆盖、广告推送和微信推送等服务；实现本地多媒体服务，周边客户可观看本地视频、收听音频和浏览网页等；对周边环境进行实时视频监控，记录周边和道路情况，为城市管理部门提供服务等。 5 结束语 充电桩建设是未来电动汽车大发展的基础。本文探讨了如何利用移动通信网络部署充电桩物联网。从终端感知层、网络连接层和应用服务层三个层次分别研究了充电桩物联网的部署。目前大部分充电桩利用现有的2G、3G和LTE网络进行接入，少量接入NB-IoT。随着NB-IoT网络建设的推进，今后充电桩将主要利用NB-IoT接入。充电桩物联网除了为电动汽车充电外，还可以开展丰富的增值业务。充分利用充电桩物联网的设备和附属设施，积极对充电桩监管平台产生的各类数据进行挖掘和统计，将为用户带来极大的便利。 参考文献： [1] 杨埙，罗勇.物联网技术概论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2015. [2] 张万春，陆婷，高音. NB-IoT系统现状与发展[J].中兴通讯技术，2017，23（1）：10-14. [3] 罗文茂，陈雪娇.移动通信技术[M].北京：人民邮电出版社，2014. [4] 庞韶敏，李亚波.移动通信核心网[M].北京：电子工业出版社，2016. |
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