基于互聯(lián)網(wǎng)+新能源汽車充電導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢偉寅+鐘樂(lè)海+羅金生+韓正勇

摘要：本文實(shí)現(xiàn)了基于云平臺(tái)的電動(dòng)汽車充電樁充電導(dǎo)航功能，通過(guò)該系統(tǒng)可以引導(dǎo)新能源汽車的車主進(jìn)行有序充電。車主可以通過(guò)手機(jī)APP查詢附近充電樁狀態(tài)，然后預(yù)約合適的充電樁，并能為車主提供導(dǎo)航服務(wù)。系統(tǒng)后臺(tái)還可匯總一段時(shí)期各充電樁的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，給出合理的定價(jià)建議，為決策者在充電樁布局和充電策略優(yōu)化進(jìn)行決策支持。

Abstract： This paper realizes the charging and navigation function of electric vehicle charging piles based on cloud platform. The system can guide the owners of new energy vehicles to orderly charge. The owner can query the state of the near charging pile through the phone APP， and then make an appointment on appropriate charging pile， and the phone APP can provide navigation services for the owner. The system background can also summarize the state data of each charging pile for a period of time， carry on the data mining analysis， give reasonable pricing suggestion， and make decision support for the decision maker in the charging pile layout and the charging strategy optimization.

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；云計(jì)算；新能源汽車

Key words： large data； cloud computing； new energy vehicles

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）01-0127-02

0 引言

目前，隨著城市的發(fā)展，傳統(tǒng)能源不斷枯竭，汽車尾氣產(chǎn)生的環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，有必要發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新能源汽車來(lái)逐步取代使用汽油作為燃料的傳統(tǒng)汽車。而電動(dòng)汽車使用可再生的電能，并且環(huán)保高效，值得推廣。

從用戶方來(lái)說(shuō)，用戶希望實(shí)時(shí)了解充電樁的位置信息、電價(jià)信息、導(dǎo)航信息，后臺(tái)管理者也需要了解各用戶和充電樁的信息，并根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果制定電價(jià)策略，引導(dǎo)用戶有序充電。如何解決這一問(wèn)題已經(jīng)成為了目前的重要研究課題。

因此在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了基于互聯(lián)網(wǎng)+智能充電引導(dǎo)系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)充電裝置狀態(tài)查詢、定位導(dǎo)航、充電預(yù)約及智能充電與充電裝置鎖定等功能。后臺(tái)通過(guò)內(nèi)置在汽車中已經(jīng)連接CANBUS總線的車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并發(fā)回給服務(wù)器端，服務(wù)器端就可從遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車的電力狀態(tài)。后臺(tái)還可通過(guò)基于Hadoop的智能云服務(wù)器對(duì)用戶充電狀態(tài)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，然后給出用戶合理的行駛建議，并為電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣奠定智能服務(wù)的基礎(chǔ)。

1 基本框架

在本文提出的電動(dòng)汽車智能充電導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)獲得電動(dòng)汽車的位置、速度等信息、獲得充電樁狀態(tài)信息、充電樁電價(jià)信息、充電樁排隊(duì)信息，并每隔一個(gè)時(shí)間段（例如10分鐘）更新?tīng)顟B(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)高德地圖獲得道路實(shí)時(shí)路況，并將分析計(jì)算之后的結(jié)果發(fā)布給汽車。

根據(jù)上述分析，整個(gè)系統(tǒng)分三部分設(shè)計(jì)：車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、手機(jī)充電樁預(yù)約導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析中心。

車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)收集電動(dòng)汽車相關(guān)狀態(tài)，采集和處理數(shù)據(jù)。根據(jù)需求，有兩種設(shè)計(jì)策略，策略1是車輛相關(guān)信息均通過(guò)用戶手機(jī)客戶端來(lái)采集，此方式主要采集車輛GPS信息，并將采集到的信息通過(guò)手機(jī)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器端，然后服務(wù)器根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此種方案不需要加裝內(nèi)置信息盒，但是不能得到汽車電池狀態(tài)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。策略2是在車輛內(nèi)置數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)采集模塊將采集到的整車數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、電池?cái)?shù)據(jù)通過(guò)Modbus報(bào)文打包發(fā)送給新能源汽車管理平臺(tái)進(jìn)行分析，平臺(tái)服務(wù)器將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)變換后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和挖掘。此方案可以獲得電動(dòng)汽車行駛的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為管理者進(jìn)行電動(dòng)汽車充電樁設(shè)置和管理策略提供決策支持。

為了獲得更全面的數(shù)據(jù)，在本項(xiàng)目中，我們采用策略2進(jìn)行設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)要在汽車內(nèi)加裝汽車數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。汽車數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要包括主控制模塊、GPS模塊、CAN網(wǎng)絡(luò)采集控制模塊等，數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要是通過(guò)無(wú)線通信模塊傳輸在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸已經(jīng)封包的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集分析子系統(tǒng)主要由云服務(wù)器和上位機(jī)監(jiān)控軟件組成，分析拆包獲得的數(shù)據(jù)，并使用相關(guān)聚類算法進(jìn)行新能源汽車的數(shù)據(jù)聚類分析。

充電樁預(yù)約子系統(tǒng)是用戶根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)查詢到的充電樁數(shù)據(jù)，通過(guò)高德地圖的導(dǎo)航功能，引導(dǎo)用戶前往選定的充電樁充電，充電結(jié)束通過(guò)手機(jī)進(jìn)行結(jié)算。

數(shù)據(jù)分析中心可根據(jù)車輛的數(shù)據(jù)，充電樁負(fù)荷狀態(tài)、用戶充電計(jì)劃進(jìn)行分析，然后執(zhí)行控制策略，引導(dǎo)用戶有序充電，并實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的負(fù)荷平衡。

2 車載智能數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載智能系統(tǒng)主要獲取用戶的車輛定位信息，這時(shí)需要GPS模塊獲得車輛定位信息，還包括速度、方向、經(jīng)緯度等信息，然后通過(guò)異步串行通信方式傳給主控制模塊。車輛的電池管理系統(tǒng)通過(guò)汽車的CANBUS總線把電池信息傳送給主控制模塊。同時(shí)，這些信息通過(guò)Modbus協(xié)議封裝在主控制器存儲(chǔ)器中（SD卡）。當(dāng)主控制器收到服務(wù)器獲取車輛信息的指令時(shí)，主控制器將已經(jīng)封裝成Modbus報(bào)文的GPS信息和電池信息通過(guò)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)分析中心，也就是新能源汽車的監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行分析處理。監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、顯示、監(jiān)控、儲(chǔ)存、分析、挖掘，后臺(tái)運(yùn)營(yíng)者監(jiān)控每臺(tái)汽車的電量信息、位置信息，也為下一步進(jìn)行合理規(guī)劃充電樁和指導(dǎo)電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠家進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)提供支持。endprint

本項(xiàng)目中數(shù)據(jù)采集模塊使用了Modbus協(xié)議進(jìn)行封包，也就是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由CanBus網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間均可通信。當(dāng)在同一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。通過(guò)Modbus網(wǎng)絡(luò)可支持247個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，Modbus報(bào)文傳輸協(xié)議遵循“請(qǐng)求-應(yīng)答”的通信方式，能夠?qū)崿F(xiàn)不同種類總線、不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的“客戶機(jī)-服務(wù)器”通信。

在本項(xiàng)目中，將新能源汽車的數(shù)據(jù)分析中心（簡(jiǎn)稱中心）設(shè)置為Modbus主機(jī)，將放置于汽車中的車載智能信息終端（簡(jiǎn)稱信息盒）作為Modbus從機(jī)。當(dāng)中心需要獲取車輛信息時(shí)，中心向信息盒發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文幀，信息盒讀取請(qǐng)求報(bào)文幀數(shù)據(jù)域指定寄存器中的內(nèi)容，發(fā)送應(yīng)答報(bào)文幀給數(shù)據(jù)采集分析中心。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集分析中心也可以廣播消息的方式向車載智能信息終端發(fā)送控制命令。

3 車主方充電管理導(dǎo)航系統(tǒng)APP設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用三層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為視圖層、業(yè)務(wù)邏輯層和業(yè)務(wù)實(shí)體層。①視圖層，與用戶交互的界面，響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的接口進(jìn)行邏輯處理，根據(jù)結(jié)果以不同的形式展現(xiàn)給用戶。視圖層包含查詢界面、控制界面、狀態(tài)顯示、支付結(jié)算、地圖顯示。②業(yè)務(wù)邏輯層，業(yè)務(wù)邏輯層主要完成對(duì)視圖層所有功能的業(yè)務(wù)邏輯支撐，主要包括狀態(tài)顯示功能、查詢功能、控制功能、支付功能、地圖功能。③業(yè)務(wù)實(shí)體層，包含了各個(gè)業(yè)務(wù)實(shí)體，對(duì)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)解析；對(duì)平臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)解析；數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)。

手機(jī)的導(dǎo)航部分采用高德地圖API作為平臺(tái)的地理信息系統(tǒng)的處理支撐平臺(tái)，基本原理是通過(guò)在智能硬件設(shè)備上獲取定位數(shù)據(jù)，傳給服務(wù)端進(jìn)行處理，最后在手機(jī)軟件內(nèi)進(jìn)行地圖、路線規(guī)劃、POI檢索、軌跡追蹤等功能展示。采用高德地圖API的優(yōu)勢(shì)：高德地圖能夠比較輕松的實(shí)現(xiàn)智能搜索，導(dǎo)航準(zhǔn)確，并且不僅能檢索高德母庫(kù)數(shù)據(jù)，還能檢索自有位置數(shù)據(jù)，由于充電樁數(shù)據(jù)不一定已經(jīng)收錄在高德地圖中，因此可以充分利用高德云圖，將充電樁數(shù)據(jù)放置在高德云圖中，輕松托管海量位置數(shù)據(jù)。通過(guò)高德地圖SDK、定位SDK、街景SDK、云圖SDK，幫助車主輕松定位導(dǎo)航到合適的充電樁。

手機(jī)客戶端軟件依據(jù)用戶需求，選用業(yè)務(wù)邏輯層相應(yīng)的模塊，業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)流程的組織，并調(diào)用業(yè)務(wù)實(shí)體層的模塊，通過(guò)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器接口（或平臺(tái)服務(wù)器接口）同網(wǎng)關(guān)服務(wù)器（或平臺(tái)服務(wù)器）進(jìn)行信息交換。該APP具備如下功能：

①查詢功能。用戶可從中獲取充電相關(guān)數(shù)據(jù)。②控制功能。利用控制命令可設(shè)置和控制智能充電裝置，比如取消預(yù)約、開始充電、停止充電等。③支付功能。系統(tǒng)具有充電結(jié)算功能，通過(guò)將賬戶和微信、支付寶賬戶綁定，可實(shí)現(xiàn)多種方式的智能充電，比如定時(shí)、定量、定額等。④狀態(tài)顯示功能。手機(jī)APP可顯示出智能充電樁的各種狀態(tài)，比如已預(yù)約、正在使用、故障、空閑等。⑤地圖功能。其具有地圖應(yīng)用功能，能夠通過(guò)地圖及導(dǎo)航查詢充電樁的位置信息。

客戶端具有定電量、定時(shí)間、定金額等多種充電服務(wù)模式，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電，并且在充電期間可手動(dòng)隨時(shí)終止充電。在充電過(guò)程中，充電樁的顯示信息包括充電電量、充電時(shí)間等；充電結(jié)束后，充電樁的顯示信息包括用戶的賬戶余額、消費(fèi)金額、已充電量、充電時(shí)間等信息。

4 數(shù)據(jù)分析中心管理模塊設(shè)計(jì)

后臺(tái)數(shù)據(jù)分析中心管理模塊主要功能有車輛基本信息管理、用戶登錄及權(quán)限管理、監(jiān)控參數(shù)管理、監(jiān)控日志管理、故障碼管理等，另外系統(tǒng)每隔一段時(shí)間就使用Hadoop平臺(tái)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換，處理掉噪聲數(shù)據(jù)和遺漏值，然后根據(jù)處理的情況，預(yù)測(cè)下一個(gè)月充電站的充電的復(fù)合制定電價(jià)表，然后通過(guò)變價(jià)表生成控制參處通過(guò)通信單元下發(fā)至基站。

5 結(jié)論

本文探討了基于云平臺(tái)的電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、手機(jī)充電樁預(yù)約導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析中心等3個(gè)主要單元的組成與功能。該系統(tǒng)通過(guò)APP客戶端讓用戶采用手持終端即可實(shí)現(xiàn)充電裝置狀態(tài)查詢、定位導(dǎo)航，可以查看各個(gè)充電網(wǎng)點(diǎn)的使用情況，能夠通過(guò)一卡通或者微信完成在線支付功能。數(shù)據(jù)分析中心可以感應(yīng)汽車剩余電力，并給出充電建議。

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