基于北斗的校園智能充電樁管理系統(tǒng)

常云蕾 程錚錚 仝雪琳

摘 要：目前高校校園內(nèi)充電樁普遍存在分布位置標(biāo)識不明確、管理混亂等問題，因此導(dǎo)致學(xué)生為充電而違規(guī)扯線，為校園安全埋下了極大的隱患。針對以上情況本文利用我國自主研發(fā)的北斗高精度定位與導(dǎo)航功能，結(jié)合地理圍欄算法，設(shè)計了基于北斗的校園智能充電樁管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：北斗；智能充電管理系統(tǒng)；地理圍欄

一、引言：

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要而自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。目前，隨著電力能源的推廣與普及，基于北斗的電動車、電動汽車充電樁系統(tǒng)也涌現(xiàn)出了不少成果，但高校充電樁管理方面的成果還比較少且功能較單一[2-4]。本文使用北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合地理圍欄算法設(shè)計了校園智能充電樁管理系統(tǒng)，以期能夠合理高效地利用校園充電樁資源。

二、系統(tǒng)總體框架：

本系統(tǒng)的總體框架包括：北斗模塊、單片機模塊、4G通信模塊為工程模塊，此外還有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、APP客戶端及云服務(wù)端三個部分。

1.北斗模塊

在北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，定位、導(dǎo)航和通信等功能都是通過用戶終端應(yīng)用軟件的協(xié)助來實現(xiàn)的[5]。

1.1 北斗手持定位終端

ATK1218-BD北斗定位模塊為APP客戶端提供當(dāng)前充電樁位置信息，并與單片機鏈接，通過4G通信模塊向云端傳輸精確坐標(biāo)及當(dāng)前時間。其中坐標(biāo)信息用于路徑規(guī)劃及地理圍欄算法；時間信息則用于手持終端工作系統(tǒng)校時，方便動態(tài)了解各個充電樁空位情況。

1.2 位置、軌跡及路徑導(dǎo)航顯示

地物目標(biāo)的位置、移動軌跡、路徑的顯示及“地理圍欄”的繪制都需要數(shù)字地圖的支持。本文引入高德地圖API來提供地理基礎(chǔ)底圖，從而實現(xiàn)基于數(shù)字地圖的顯示、查詢和路徑規(guī)劃等功能。本系統(tǒng)中需要另建立四個地圖服務(wù)圖層：位置圖層、軌跡圖層、路徑導(dǎo)航圖層、“地理圍欄”圖層。

2.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫被用以實現(xiàn)空位查詢、預(yù)約等功能。數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)服務(wù)的后臺，用來存儲充電樁的基本使用及預(yù)約信息。

3.地理圍欄

地理圍欄是LBS（基于位置服務(wù)）的一種新應(yīng)用：用虛擬的柵欄圍出一個虛擬地理邊界，當(dāng)手機進(jìn)入、離開特定地理區(qū)域或在區(qū)域內(nèi)活動時，手機可以接收相應(yīng)的通知或警告[6]。

在本系統(tǒng)中，將“地理圍欄”設(shè)置為一個圓形邊界，以充電樁為圓心?？紤]到電動車車身與電線的長度，將半徑設(shè)為2.5m。

3.1地理圍欄算法

假設(shè)指定圍欄中心點的坐標(biāo)為（x0，y0），地理圍欄半徑為r，通過手持終端的北斗定位模塊實時傳送用戶位置坐標(biāo)為（x1，y1）。

由式（3-2）可求出手持終端與圍欄中心點的距離d。

（3-1）

設(shè)置地理圍欄觸發(fā)事件：d-r≤0。

事件 1： d-r≤0時，用戶已到達(dá)指定的地理圍欄。

事件 2： d-r>0時，用戶在地理圍欄外部。

3.2地理圍欄應(yīng)用

通過公式（3-1）計算用戶手持終端與目標(biāo)充電樁的實際距離差，判斷用戶是否發(fā)生觸發(fā)事件（進(jìn)/出圍欄），然后根據(jù)不同情況向用戶發(fā)送通知或警報信息。

（1）充電正常結(jié)束，向用戶發(fā)送“充電結(jié)束”通知消息，系統(tǒng)自動結(jié)算費用，同時接口解除占用狀態(tài)。若用戶未能將車及時推走，其他用戶只要看到系統(tǒng)中接口狀態(tài)為可用，便可拔掉接口，此時系統(tǒng)不會發(fā)送任何通知信息。

（2）充電過程中出現(xiàn)斷電現(xiàn)象，此時計費停止，通過地理圍欄判斷用戶手持終端與充電樁的位置，有以下三種情況：

①用戶手持終端未出圍欄，即未觸發(fā)圍欄事件：

指定接口保持占用狀態(tài)，并向用戶發(fā)送“已斷電，請確認(rèn)是否本人操作”的通知信息。若選擇“是”或30s內(nèi)不選擇，發(fā)送“充電結(jié)束”通知，自動結(jié)算費用，并解除接口占用狀態(tài)。

若選擇“否”，保持占用狀態(tài)25min，期間不允許其他用戶使用該接口。若用戶在指定時間內(nèi)到達(dá)并繼續(xù)充電，計費繼續(xù)。25min內(nèi)未重新接通，則充電結(jié)束，向用戶發(fā)送“充電結(jié)束”通知消息，自動結(jié)算當(dāng)前充電費用，并解除接口占用狀態(tài)。

②用戶手持終端出圍欄，且在圍欄外時：

向用戶發(fā)送“充電停止”警報信息并通知用戶在25min內(nèi)到達(dá)該充電樁繼續(xù)充電。

該接口保持占用狀態(tài)25min，期間不允許其他用戶使用該接口。若用戶在指定時間內(nèi)到達(dá)并繼續(xù)充電，計費繼續(xù)。25min內(nèi)未重新接通，則充電結(jié)束，向用戶發(fā)送“充電結(jié)束”通知消息，自動結(jié)算費用，并解除接口占用狀態(tài)。

③用戶手持終端出圍欄后，再次進(jìn)入圍欄：

向用戶發(fā)送“是否本人操作”的信息，選擇“是”或30s內(nèi)不選擇，發(fā)送“充電結(jié)束”通知，自動結(jié)算費用，向用戶發(fā)送充電完成的信息，并解除接口占用狀態(tài)。

若選擇“否”，保持占用狀態(tài)25min，期間不允許其他用戶使用該接口。若用戶在指定時間內(nèi)到達(dá)并繼續(xù)充電，計費繼續(xù)。25min內(nèi)未重新接通，則充電結(jié)束，向用戶發(fā)送“充電結(jié)束”通知消息，自動結(jié)算當(dāng)前充電費用，并解除接口占用狀態(tài)。

4、APP客戶端：

APP客戶端含注冊登錄、空位查詢與預(yù)約、充電與斷電通知、計費結(jié)算四大功能。

（1）注冊登錄

用戶注冊后，選擇微信、QQ、微博或短信驗證碼任一方式登錄并完善個人信息，同時用戶可在賬戶中預(yù)存一定費用。

（2）空位查詢與預(yù)約

空位查詢：用戶可查詢附近可用充電樁接口。

空位預(yù)約：對于可用充電樁接口進(jìn)行預(yù)約，考慮到各高校平均占地面積、學(xué)生用電習(xí)慣及區(qū)域信號機用戶設(shè)備問題，預(yù)約時間設(shè)定為25min，期間可取消預(yù)約。不同高?？稍O(shè)定不同預(yù)約時間。

（3）充電及斷電通知

充電時間選擇：用戶到達(dá)指定充電樁后掃描二維碼，確定預(yù)約接口，選擇充電時間（2h、4h、6h、8h）。

斷電通知：當(dāng)檢測到斷電信息時，判斷是否為本人操作，向用戶發(fā)送不同通知消息。

（4）計費結(jié)算

實時查看充電信息：服務(wù)器將充電剩余時間實時發(fā)送到APP客戶端。

實時計費：用戶開始充電后，按分鐘計費。當(dāng)充電結(jié)束（或提前中斷）則計費停止，系統(tǒng)自動結(jié)算本次費用。用戶可在APP內(nèi)預(yù)存充電費用，也可綁定其他支付手段。

5、云服務(wù)端：

云服務(wù)器是面向各類互聯(lián)網(wǎng)用戶提供綜合業(yè)務(wù)能力的服務(wù)平臺[7]，它的出現(xiàn)構(gòu)建了一種全新計算機數(shù)據(jù)儲存架構(gòu)。本系統(tǒng)中云服務(wù)端主要用于對手機APP客戶端和充電樁設(shè)備上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理，然后客戶端通過4G網(wǎng)絡(luò)通信向云端發(fā)出請求，以獲取所需信息。

三、結(jié)語

基于北斗的校園智能充電樁系統(tǒng)使得用戶能夠方便快捷地完成充電樁查詢、預(yù)約、支付等功能；此外該系統(tǒng)還能夠靈活判斷惡意斷電現(xiàn)象的發(fā)生并加以遏制，不僅為同學(xué)們提供了極大地便利，也進(jìn)一步加強了校園文明建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張楷時，焦文海，李建文.北斗三號MEO組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量評估[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2018（03）：265-269.

[2]劉水，蔡文，周奇等.基于無線通信技術(shù)的電動汽車智能充電管理系統(tǒng)[J].電測與儀表，2018（s1）：90-93.

[3]蔡培倫，張珣.基于云計算的智能充電樁管理系統(tǒng)的研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016（12）：52-56.

[4]魏青.淺析電動汽車充電樁建設(shè)[J].中國設(shè)備工程，2018（17）：96-97.

[5]白如玉.基于北斗_GPS雙模衛(wèi)星的搜尋定位系統(tǒng)設(shè)計[D].山西?。褐斜贝髮W(xué)，2016.

[6]鞠明山.地理圍欄技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及網(wǎng)絡(luò)信息安全問題探究[J].江西通信科技，2018（03）：39-41.

[7]張震宇，李云紅，李歡.基于4G通信的智能充電樁遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018（8）：52-53.

作者簡介：

常云蕾（1997.5.19）女，漢族，河南省焦作市，本科生，研究方向：地理信息科學(xué)專業(yè)

胡錚錚（1997.6.20）女，漢族，河南省南陽市，本科生，研究方向：地理信息科學(xué)專業(yè)

仝雪琳（1998.12.28）女，漢族，河南省滑縣，本科生，研究方向：地理信息科學(xué)專業(yè)