基于OCPP的汽車充電樁系統(tǒng)與后臺管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陜西理工大學(xué)機械工程學(xué)院 杜明明 崔立堃 馮緒永 王承祥

在信息化時代,電動汽車充電樁的發(fā)展也非常迅速,然而,充電樁基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏和系統(tǒng)的不健全是目前大規(guī)模采用電動汽車的主要障礙之一,在充電樁系統(tǒng)中,軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)之間的信息交換能力是充電樁發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。運用Web前端技術(shù)搭建出客戶端界面,接著運用MySQL技術(shù)、JDK項目構(gòu)建技術(shù)和Maven項目管理工具等技術(shù)搭建出可以和客戶端交互基于的服務(wù)器,最后通過驗證證明基于OCPP設(shè)計的系統(tǒng)能夠進行快速、準確的通信,能夠達到預(yù)期的設(shè)計目標。

0 前言

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展,城市機動車數(shù)量越來越多,這也導(dǎo)致汽車尾氣對環(huán)境造成的污染越來越嚴重。中國要走節(jié)能環(huán)保、綠色出行的道路,一定要大力發(fā)展節(jié)能汽車、新能源汽車[1],以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展,所以充電樁的建設(shè)發(fā)展需求必然大幅增加。目前,國家電網(wǎng),南方電網(wǎng),特來電能等多數(shù)國內(nèi)充電設(shè)備生產(chǎn)廠商和運營商多采用以104協(xié)議作為基礎(chǔ)協(xié)議,并對其進行一定程度上的修改。其數(shù)據(jù)量很小,但是易讀性較差,而且缺少拓展性。OCPP(開放充電通訊協(xié)議)嘗試構(gòu)建出一種免費的開放標準,它是一種通用的開放通訊協(xié)議,它用于解決私營充電網(wǎng)絡(luò)帶來的私有性的挑戰(zhàn)[2-3],統(tǒng)一的通訊標準可以使不同的CSMS和CS達到高度的互聯(lián)互通,因此對于整個電動汽車市場都是一個優(yōu)勢。本文在對OCPP進行研究后,基于Linux下的Ubuntu操作系統(tǒng)[4-6]實現(xiàn)了OCPP通信功能,經(jīng)過驗證,各個功能均可以達到良好的交互,擬為后續(xù)汽車充電樁的通信模式和管理方式提供借鑒意義。

1 OCPP v1.6

OCPP為CS與各種不同的CSMS(充電站管理系統(tǒng))間提供了一種統(tǒng)一的通訊手段。該協(xié)議的架構(gòu)能支持來自不同供應(yīng)商的CSMS與所有的CS點互相連接[7]。OCPP的目標是為充電站和充電站管理系統(tǒng)之間的通信方法提供統(tǒng)一的解決方案。OCPP 1.6引入了一些新功能,包括智能充電,并在支持SOAP格式之后開始支持基于WebSocket的JSON應(yīng)用格式[8]。JSON是一種輕量的數(shù)據(jù)集交換格式,采用完全獨立于編程語言的文本格式來存儲和表示數(shù)據(jù),具有簡潔和清晰的層次結(jié)構(gòu),易于開發(fā)者編寫、閱讀和檢查,也易于機器解析和生成,傳輸速度快等特點,正成為Web上最流行的數(shù)據(jù)交換格式之一[9-12]。

2 OCPP功能代碼實現(xiàn)

2.1 授權(quán)

該功能塊描述了與授權(quán)相關(guān)的功能,它包含了對用戶進行授權(quán)的不同方式,在線或離線授權(quán),以及授權(quán)請求消息處理行為、授權(quán)緩存功能等。當(dāng)用戶希望將電動汽車從充電站拔出時,充電站需要驗證用戶是發(fā)起充電的用戶,或者用戶是同一組用戶,從而允許終止充電。電動汽車司機插入電動汽車與充電站之間的充電電纜。充電站發(fā)送狀態(tài)通知請求和充電事件請求(事件類型=已啟動),以通知CSMS有關(guān)已插入電纜的信息,電動汽車司機按下開始按鈕開始充電。

2.2 充電請求

在OCPP1.6中,這是由CSMS完成的,充電站生成的充電ID對于該充電站必須是唯一的,在充電站的生命周期內(nèi),它永遠不應(yīng)使用兩次相同的充電ID。EV駕駛員將其“EV”停在帶有停車位占用檢測器的充電站,這將觸發(fā)檢測器,充電站發(fā)送充電請求(事件類型=已啟動),通知CSMS有關(guān)已開始的充電,CSMS響應(yīng)充電響應(yīng),確認已收到充電事件請求。

2.3 CS停止充電請求

該用例描述了電動汽車司機如何停止充電,通知CSMS充電站的充電已停止。當(dāng)停車位占用不再檢測到電動車時,停止充電。充電站停車場占用檢測器停止檢測電動汽車充電站發(fā)送充電事件請求(事件類型=已結(jié)束),通知CSMS有關(guān)已結(jié)束的充電。

2.4 啟動請求

啟動通電后,充電站將向充電站管理系統(tǒng)發(fā)送啟動通知的請求,其中包含有關(guān)其配置的信息。充電站管理系統(tǒng)應(yīng)響應(yīng)來指示是否接受該充電站。每次啟動或重新啟動時,充電站都應(yīng)發(fā)送一個啟動通知請求。當(dāng)充電站管理系統(tǒng)接收到充電站啟動通知的請求后,充電站管理系統(tǒng)會對充電站的請求進行響應(yīng),其中包含充電站管理系統(tǒng)的當(dāng)前時間、間隔和狀態(tài),其中狀態(tài)主要有三種類型:(1)Accepted;(2)Pending;(3)Refused。

3 充電站及管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 客戶端的設(shè)計

以O(shè)CPP1.6協(xié)議為基礎(chǔ)搭建充電站客戶端,目的是使充電站管理系統(tǒng)和充電站可以進行正常的連接和相互通信。本文客戶端的搭建還涉及到UI界面的運行,用到的技術(shù)主要是HTML超文本標記語言,因為現(xiàn)代瀏覽器對HTML錯誤的容錯率很高,并采用啟發(fā)式方法來默默地糾正錯誤,正是由于這些錯誤糾正啟發(fā)式方法的存在,網(wǎng)頁的呈現(xiàn)速度可能會更慢[13]。如圖1所示的OCPP客戶端的UI操作界面。

圖1 客戶端UI界面Fig.1 Client UI interface

3.2 實現(xiàn)Steve服務(wù)器的實現(xiàn)

通過運用MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Maven項目管理技術(shù)、JDK構(gòu)建技術(shù)等核心技術(shù)搭建的服務(wù)器運行環(huán)境來構(gòu)建Steve服務(wù)器。服務(wù)器登錄界面如圖2所示。

圖2 服務(wù)器登錄界面Fig.2 Server login interface

4 客戶端和服務(wù)器端交互

通過所搭建的Steve服務(wù)器,結(jié)合OCPP中所涉及的功能塊的工作原理,最后成功地實現(xiàn)了功能,并且可以很好地進行工作。圖3展示了后臺管理系統(tǒng)的關(guān)于充電樁充電的信息。

圖3 后臺管理界面Fig.3 Backstage management interface

5 結(jié)論

從OCPP在充電樁和充電站管理系統(tǒng)的通信中扮演著越來越重要的作用出發(fā),以該協(xié)議為參考基礎(chǔ)進行了功能模塊的研究,接著運用項目構(gòu)建工具、MySql數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Maven等技術(shù)搭建設(shè)計出服務(wù)器;運用Web前端技術(shù)設(shè)計出客戶端運行界面,最后應(yīng)用WebSocket協(xié)議把客戶端連接到服務(wù)器。通過連接良好的兩端進一步驗證各個OCPP功能塊。經(jīng)過多次驗證,證明了所設(shè)計的系統(tǒng)運行穩(wěn)定,響應(yīng)及時,能達到預(yù)期設(shè)計目標,同樣也為以后充電樁通訊協(xié)議應(yīng)用OCPP提供了一種可行性的框架思路。

引用

[1] 俞志強.新能源汽車充電樁系統(tǒng)設(shè)計研究[D].青島:青島科技大學(xué),2020.

[2] Alcaraz C,Lopez J,Wolthusen S.OCPP Protocol:Security Threats and Challenges[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2017(99):1.

[3] OCA,“Standarization of OCPP at OASIS and IEC,”O(jiān)pen Charge Alliance,http://www.openchargealliance.org/news/,last access August 2016,Tech.Rep.July 2016.

[4] 吳宗鍵.基于Ubuntu的Unix服務(wù)器管理系統(tǒng)開發(fā)[J].軟件,2018,39(02):157-160.

[5] LI Zhao,ZHANG Yong.A Multicast Routing Design and Linux Implementation in Ad Hoc Network[J].The Journal of New Industrialization,2011,1(11):1-10.

[6] WANG Li-xin,ZHANG Yong,DAI Chao.Design & Implementation of Cognitive Ad Hoc Network Testbed under Linux[J].The Journal of New Industrialization,2011,1(10):96-102.

[7] OCA,“Open charge point protocol 1.6,”O(jiān)pen Charge Alliance,Duiven,The Netherlands,Tech.Rep.2015.

[8] Alcaraz C,Lopez J,Wolthusen S.OCPP Protocol:Security Threats and Challenges[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2017(99):1-1.

[9] 黃秀麗,陳志.基于JSON的異構(gòu)Web平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2021,31(03):120-125.

[10] 高靜,段會川.JSON數(shù)據(jù)傳輸效率研究[J].計算機工程與設(shè)計,2011,32(7):2267-2270.

[11] NURSEITOV N,PAULSON M,REYNOLDS R,et al.Comparison of JSON and XML Data Interchange Formats:A Case Study[C]//Proceedings of the ISCA 22nd International Conference on Computer Applications in Industry and Engineering.San Francisco,California,USA:DBLP,2009:157-162.

[12] 丁承君,崔欣,朱雪宏,等.信息物理系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式交換性能研究[J].科技通報,2019,35(2):59-63.

[13] ARTZI S,QUINONEZ J,MD ERNST,et al.Parameter Reference Immutability:Formal Definition,Inference Tool, and Comparison[J].Automated Software Engineering,2009,16(1):145-192.