基于云計算的智能充電樁管理系統(tǒng)的研究

蔡培倫

摘 要：目前充電樁設(shè)備的建設(shè)迫在眉睫，使用“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維來設(shè)計整個智能充電樁管理系統(tǒng)，可以大大降低系統(tǒng)的運行和維護成本，同時提供更好的充電服務(wù)。文中采用物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)設(shè)計了一個智能充電樁管理系統(tǒng)的服務(wù)器云平臺，實現(xiàn)了用戶管理、設(shè)備管理、交易管理、大數(shù)據(jù)分析等功能，為充電樁大規(guī)模的建設(shè)提供了有效途徑。

關(guān)鍵詞：充電樁；云計算；物聯(lián)網(wǎng)；服務(wù)器平臺

中圖分類號：TM910.6；TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

近年來，電動汽車由于其環(huán)保的特點，成為越來越多人的選擇，然而充電設(shè)施的短缺卻嚴重制約了電動汽車的發(fā)展。國務(wù)院辦公廳于2015年10月9日發(fā)布《關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導意見》，要求到2020年，基本建成滿足超過500萬輛電動汽車充電需求的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系[1]。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，采用“互聯(lián)網(wǎng)+”的思維來設(shè)計智能充電樁管理系統(tǒng)，將會大大縮小充電設(shè)施的維護成本，管理更加方便和高效，同時用戶的充電體驗也更加友好。本課題的主要研究目標是希望通過對基于互聯(lián)網(wǎng)的充電樁需求分析，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等相關(guān)技術(shù)設(shè)計出一個較完善的充電樁系統(tǒng)管理平臺，使其具有一定的商業(yè)價值。

1 需求分析

1.1 充電樁設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取

充電樁設(shè)備基于Android系統(tǒng)開發(fā)，在整個運行過程中，借助傳感器將充電樁的充電電壓、電流以及溫度、濕度等信息（包括故障發(fā)生情況）通過4G網(wǎng)絡(luò)實時反饋到云平臺。

1.2 云端數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測

云端服務(wù)器接收到充電樁發(fā)送來的數(shù)據(jù)后進行加工和處理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)指標異常后及時關(guān)停充電樁。

1.3 用戶相關(guān)處理

用戶相關(guān)處理包括用戶注冊、登錄、注銷、用戶充值、充電扣費等。在用戶注冊階段，要求用戶輸入較為詳細的信息，方便大數(shù)據(jù)的挖掘處理。

1.4 大數(shù)據(jù)挖掘

根據(jù)充電樁發(fā)送的用戶充電數(shù)據(jù)、故障信息等數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘工作，分析出不同區(qū)域用電的峰值和峰谷時間及不同區(qū)域的故障率情況。用戶的充電習慣包括針對每個用戶分析出其充電周期，提供更優(yōu)秀的充電服務(wù)，例如在恰當?shù)臅r間（用戶需要充電且用戶周圍有空閑充電樁）發(fā)送充電提醒。

2 總體架構(gòu)設(shè)計

智能充電樁管理系統(tǒng)主要由智能充電樁裝置、云服務(wù)器、用戶手機客戶端和瀏覽器組成。

充電樁充電過程設(shè)計如圖1所示。智能充電樁一方面通過CAN總線與電動汽車電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）交互管理整個電動汽車的充電過程[2]。另一方面通過互聯(lián)網(wǎng)連接云端服務(wù)器，實時向云端服務(wù)器進行自身運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)（例如充電電壓、電流、溫度、濕度等）上報。同時也接受云服務(wù)器對其的遠程維護和管理，例如預(yù)約、停止服務(wù)等。并對用戶充電電量進行精準計量，向云端發(fā)送交易數(shù)據(jù)并扣費。此外，在智能充電樁上進行精準廣告的投放可以帶來增值收入。

云服務(wù)器主要響應(yīng)用戶手機客戶端和充電樁發(fā)來的各種請求信息。并對用戶信息、充電樁設(shè)備信息、用戶交易信息等數(shù)據(jù)進行收集、存儲、加工和挖掘等，時時監(jiān)控充電樁的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對其進行自動維護。

移動手機客戶端主要用來進行用戶的注冊、登錄管理，對周邊充電樁進行查詢、預(yù)約。在充電前掃描充電樁產(chǎn)生的二維碼進行解鎖，接收充電完成的信息推送等。

3 云服務(wù)器端設(shè)計

本設(shè)計將選用云服務(wù)商提供的云服務(wù)來搭建一個功能完善、并發(fā)量大、穩(wěn)定性好的服務(wù)器平臺，通過符合Restful標準[3]的Web Service對外提供服務(wù)。結(jié)合云計算技術(shù)，將系統(tǒng)通用的功能如設(shè)備管理、數(shù)據(jù)收集、存儲、分析處理與展現(xiàn)，抽象成一個通用的服務(wù)平臺。本設(shè)計將用到阿里云的云服務(wù)平臺，阿里云服務(wù)平臺提供了系統(tǒng)運行環(huán)境（IaaS服務(wù)[4]）以及相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲與分析服務(wù)（PaaS服務(wù)[4]）。本設(shè)計主要采用SpringMVC[5]和SpringData等框架技術(shù)來構(gòu)建系統(tǒng)。

3.1 分層架構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計使用分層架構(gòu)模式，簡化復雜的業(yè)務(wù)邏輯，使得代碼編寫更簡單、系統(tǒng)運行更加安全與穩(wěn)定。采用分層架構(gòu)模式可以使得系統(tǒng)各層次以及功能模塊之間具有更低的耦合性，提高了系統(tǒng)的可移植性與可擴展性，降低了系統(tǒng)開發(fā)的工作量，方便模塊化的開發(fā)，同時提高了開發(fā)效率。本文設(shè)計的充電樁管理系統(tǒng)包括客戶層、控制層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)持久化層和數(shù)據(jù)層。

3.1.1 客戶層

客戶層即展示給用戶的系統(tǒng)界面，在本設(shè)計中主要是用戶移動客戶端及充電樁設(shè)備上的App和后臺管理人員的瀏覽器。

3.1.2 控制層

控制層負責具體業(yè)務(wù)模塊流程的控制，使用SpringMVC將系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能映射為符合restfull風格的URI資源，使用控制器處理客戶端發(fā)送的資源訪問請求，并調(diào)用業(yè)務(wù)層程序進行相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯處理，將處理后的結(jié)果返回給客戶端。

3.1.3 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層實現(xiàn)對系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的主要實際處理工作。Service層的設(shè)計首先需設(shè)計Service接口，之后設(shè)計其實現(xiàn)的類，最后利用注解或XML配置文件實現(xiàn)關(guān)聯(lián)。這樣可以調(diào)用Service接口來處理業(yè)務(wù)。封裝Service層的業(yè)務(wù)邏輯有利于通用的業(yè)務(wù)邏輯的獨立性和重復利用性，程序非常簡潔。

3.1.4 數(shù)據(jù)持久化層

數(shù)據(jù)持久化層主要負責數(shù)據(jù)的持久化，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互。持久層的設(shè)計同樣是先設(shè)計接口，再設(shè)計其實現(xiàn)的類，最后利用注解或XML配置文件實現(xiàn)關(guān)聯(lián)?？稍赟ervice層中調(diào)用DAO接口來進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的處理，而不必關(guān)心此接口的具體實現(xiàn)類，降低了程序的耦合性。

3.1.5 數(shù)據(jù)庫層

在充電樁管理系統(tǒng)中，時時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，包括每個充電樁的輸入電壓、電流、輸出電壓、溫濕度等。因此要求海量的數(shù)據(jù)存儲資源。通過對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分析，本設(shè)計采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲用戶、設(shè)備、交易等關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)。對于系統(tǒng)中多種傳感器感知的數(shù)據(jù)采用NoSQL非關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。

圖2所示為本系統(tǒng)的分層設(shè)計架構(gòu)圖。系統(tǒng)通過Spring框架對上述各層以松耦合的方式進行了有效組織，在Spring框架的管理下，無論是控制層的Controller對象，還是業(yè)務(wù)層的Service對象，亦或是持久層的DAO對象，都能夠有機地運行。

3.2 業(yè)務(wù)層設(shè)計

充電樁管理平臺包括用戶管理模塊、充電樁設(shè)備管理模塊、交易管理模塊、數(shù)據(jù)采集管理模塊、信息推送模塊。功能模塊圖如圖3所示。

3.2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊包括用戶的注冊、登錄、注銷等。

（1）注冊功能。采用用戶的郵箱或者手機號作為登錄賬號，服務(wù)器接收到用戶發(fā)來的注冊請求后，進行合法性驗證（例如檢查該用戶是否已經(jīng)注冊），同時向用戶的手機或者郵箱發(fā)送驗證碼，用戶輸入驗證碼后發(fā)送給服務(wù)器，若成功則將用戶及加密后的密碼寫入數(shù)據(jù)庫中。

（2）登錄功能。用戶可以通過手機端或者瀏覽器進行賬戶登錄，服務(wù)器將客戶端發(fā)來的用戶名、密碼與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，若正確則返回登錄成功頁面。

3.2.2 充電樁設(shè)備管理模塊

充電樁設(shè)備的工作狀態(tài)設(shè)定為工作狀態(tài)、空閑狀態(tài)、預(yù)約狀態(tài)、不可用狀態(tài)。

（1）設(shè)備的添加。新建充電樁通過設(shè)備注冊接口向服務(wù)器發(fā)出添加設(shè)備請求，同時將自身的設(shè)備號、坐標位置等信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器將其融入已有的充電樁網(wǎng)絡(luò)，方便用戶查詢。

（2）設(shè)備解鎖。充電樁設(shè)備在解鎖后才可使用，當用戶選擇解鎖時，充電樁隨機產(chǎn)生二維碼并將自身信息和產(chǎn)生的二維碼信息上傳到服務(wù)器，手機客戶端掃描二維碼成功后，將用戶信息和掃描到的二維碼發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器驗證用戶的合法性和余額后決定是否給充電樁發(fā)送解鎖信息。

（3）設(shè)備預(yù)約。用戶在手機端向某個充電樁發(fā)出預(yù)約請求后，服務(wù)器將該消息推送到充電樁。同時服務(wù)器不再接收其他用戶對該充電樁的預(yù)約請求。

（4）設(shè)備的控制。若設(shè)備所在地區(qū)用電緊張或者存在緊急的情況，可以發(fā)送命令暫停充電樁的使用，使其處于不可用狀態(tài)。

3.2.3 交易管理

交易管理分為賬戶充值和賬戶扣款兩個方面。

（1）賬戶充值?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送充值請求，服務(wù)器生成一個唯一的訂單作為支付記錄?？蛻舳四玫接唵翁柡笳{(diào)用第三方支付系統(tǒng)SDK進行支付，等待服務(wù)器的支付結(jié)果通知，之后將支付結(jié)果反饋給客戶端，同時改變支付訂單的狀態(tài)，將用戶的充值數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中。

（2）賬戶扣款。充電結(jié)束后，充電樁將用戶所用的電量反饋給服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)當前的電價計算出用戶的消費金額對用戶賬戶進行相應(yīng)扣費。同時將用戶的消費記錄保存到數(shù)據(jù)庫中。

3.2.4 數(shù)據(jù)采集管理

充電樁在對電動汽車進行充電時，會時時上報自身的充電電壓、電流、溫濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)，由服務(wù)器監(jiān)控，若出現(xiàn)異常值，則進行相應(yīng)的處理。同時也對充電設(shè)備的信息進行收集，借此有針對性的向用戶推送廣告。此外也能收集充電區(qū)域的用電量信息。

3.2.5 信息推送模塊

信息推送模塊包含以下幾個方面：

（1）用戶充電完成后，推送信息到手機端。

（2）電價信息的推送。

（3）用戶賬戶余額過低時進行提醒。

3.3 數(shù)據(jù)庫表設(shè)計

數(shù)據(jù)庫表主要包含三類，表1所列為用戶表，表2所列為設(shè)備表，表3所列為訂單記錄表。

3.4 大數(shù)據(jù)分析模塊

大數(shù)據(jù)分析模塊主要包含充電時間分布挖掘與充電人群的充電習慣分析。

3.4.1 充電時間分布挖掘

根據(jù)在不同充電時間段收集的不同充電量，采用回歸分析的方法。時間為自變量，用電量為因變量，采用一元回歸的非線性模型。

3.4.2 充電人群的充電習慣分析

采用K-Means聚類分析的方法，分析不同年齡段，不同性別用戶的充電周期和集中充電時間段。

K-Means算法[6]是基于距離的非層次聚類算法，在最小誤差函數(shù)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)劃分為預(yù)定的類數(shù)K，采用距離作為相似性評價指標，即認為兩個對象的距離越近，其相似度就越大。樣本間的相似性采用歐幾里得距離來度量[7]。

（1）

目標函數(shù)：

（2）

其中，K為聚類的個數(shù)，E為第i個簇，x為對象樣本，ei為簇Ei的聚類中心。算法過程如下：

（1）從N個樣本數(shù)據(jù)隨機選取K個對象作為聚類中心；

（2）分別計算每個樣本到各聚類中心的距離，將對象分配到距離最近的聚類中；

（3）所有對象分配完成后，重新計算K個聚類的中心。

（4）與前一次計算得到的K個聚類中心比較，如果聚類中心發(fā)生變化，則轉(zhuǎn)到（2），否則轉(zhuǎn)到（5）；

（5）當質(zhì)心不再變化停止后，得到聚類結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文基于云平臺設(shè)計了一個智能充電樁管理系統(tǒng)，并給出了總體架構(gòu)設(shè)計及平臺端的分層設(shè)計和業(yè)務(wù)功能設(shè)計。最后給出了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的表設(shè)計以及兩個數(shù)據(jù)挖掘模塊的算法。

參考文獻

[1]國務(wù)院辦公廳.《關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導意見》[J].城市規(guī)劃通訊， 2015（20）：11.

[2]電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議[S].中國國家標準化管理委員會， 2015.

[3]唐明偉，卞藝杰，陶飛飛.RESTful架構(gòu)下圖書管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代圖書情報技術(shù)， 2010（9）：84-89.

[4]謝楊.基于云計算的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)[D].成都：西南交通大學，2015.

[5]Zhang D， Wei Z， Yang Y. Research on Lightweight MVC Framework Based on Spring MVC and Mybatis[Z].

[6]馮超.K-means聚類算法的研究[D].大連：大連理工大學，2007.

[7]樊哲，張良均.Hadoop大數(shù)據(jù)分析與挖掘?qū)崙?zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016：84.

[8]翟鴻雁.基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的智慧城市研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（5）：84-86.