【摘要】為解決小區(qū)電動車充電難，不安全、不方便等問題，本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡技術的電動車充電系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，集成充電樁上傳的數(shù)據(jù)信息，并整合付費Ic卡數(shù)據(jù)后，接入ziee網(wǎng)絡，進而把充電樁統(tǒng)一管理起來，以此監(jiān)控刷卡消費和電動車電量使用情況，實現(xiàn)對小區(qū)充電樁及充值卡的集中管理，讓小區(qū)電動車充電系統(tǒng)智能化。

【關鍵詞】傳感器；ZigBee；充電系統(tǒng)；電動車
 
1引言
現(xiàn)今電動車因環(huán)保、便捷、經(jīng)濟等特性在小區(qū)居民中使用十分廣泛，可隨之也出現(xiàn)了一些問題。目小區(qū)居民深感電動車充電不方便、不安全、費用繳納明細不清晰，一些小區(qū)雖然安裝了充電樁，但是站點有限，管理不太方便且成本比較高。除此以外，小區(qū)內(nèi)電動車大多要求在停車棚統(tǒng)一充電，采用刷卡或投幣消費，在支付方式上存在著一定的局限和落后。因充電設備之間未聯(lián)網(wǎng)，用戶無法對卡余額實時查詢管理，因此電動車充電設施的建設和完善越來越重要，在這種需求下，本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡技術的電動車智能充電系統(tǒng)。
2需求分析
2．1功能需求分析
(1)需要對充電設備及電動車運行情況進行實時檢測監(jiān)控，充電控制器通過ZigBee接入互聯(lián)網(wǎng)，管理員通過系統(tǒng)查看并將信息及時推送反饋給用戶。
(2)系統(tǒng)提供信息查詢，充電管控等功能，通過互聯(lián)網(wǎng)平臺，收集充電樁上傳的數(shù)據(jù)信息，把充電樁統(tǒng)一管理起來。
(3)系統(tǒng)要具有安全防護功能來保護充電樁設備，可通過實時檢測內(nèi)部溫度傳感器節(jié)點上傳數(shù)據(jù)的信息，一旦充電樁運行時遇到異常情況自發(fā)采取相應防護措施并立即通知車主。
(4)充電時能夠定時充電，充滿自動斷電，有效保護電動車電池壽命，防止因電動車充電造成的火災。
(5)在智能充電樁終端內(nèi)嵌入安全芯片，“一終端一密鑰”，電動車用戶在使用Ic卡付費的過程中，個人信息將會得到加密處理。
(6)系統(tǒng)要實現(xiàn)與we chart對接，用戶在we chart可查看消費記錄，充電時也可在線支付，遠程操控充電。
2.2性能需求分析
(1) 即時性：
系統(tǒng)對電動車的定位、信息獲取都應保證數(shù)據(jù)傳輸和服務的實時性，時間對客戶端顯示界面進行刷新，為用戶提供實時性的服務。
(2) 準確性：
系統(tǒng)充電信息、電動車用戶消費充值信息顯示、緩存等流程或功能上均應保證信息的準確性。
(3) 安全性：
在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中應進行信息的校驗和加密防止信息泄露，系統(tǒng)集成時應對代碼進行加密防止知識產(chǎn)權(quán)流失。
(4) 快速性：
啟動速度、界面切換速度、與服務器交互的網(wǎng)絡速度都要做到盡可能的快。
3相關技術
3．1技術應用背景介紹
隨著互聯(lián)網(wǎng)移動支付興起與無線傳感器網(wǎng)絡技術發(fā)展，可通過zig—bee網(wǎng)絡，把充電設備接入互聯(lián)網(wǎng)，并將電動車充電系統(tǒng)與移動支付結(jié)合。本文設想利用傳感器，對充電樁實時監(jiān)控，通過該系統(tǒng)能夠有效管理小區(qū)內(nèi)電動車的充電，具有定時充電，手機支付，充滿自動斷電，隨時監(jiān)控充電狀態(tài)等點，讓小區(qū)電動車充電變得智能化、人性化。
3．2無線傳感網(wǎng)絡
Zigbee網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器，多個路由器，多個終端設備。ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無線網(wǎng)絡技術，可嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。本系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡主要為搭建充電樁本地的無線局域網(wǎng)絡，實現(xiàn)局域網(wǎng)絡的短距離無線通信。
3．3二維碼
用戶可以通過掃描充電點二維碼來充值繳費，每個充電點的二維碼都是專屬的，用戶使用掃描二維碼確定機器號后，付款購買充電時長成功后便可以使用該充電點充電。
4系統(tǒng)開發(fā)與設計
4．1系統(tǒng)總體設計
本系統(tǒng)將通過布置在充電樁周圍的ZigBee網(wǎng)絡采集數(shù)據(jù)，把集成與智能傳感器裝入充電樁中，每一個充電樁作為無線傳感網(wǎng)絡中的終端節(jié)點；安置一個無線通信設備，對充電樁狀態(tài)參數(shù)采集，每個電動車設有專屬的ID標識，傳感器可感知電動車；通過擴展多種傳感器，設計了充電樁自身的保護功能；通過充電用戶與充電樁的交互來實現(xiàn)用戶的身份識別功能，余額識別功能；電動車成了物聯(lián)網(wǎng)一部分，系統(tǒng)就可對充電設備及電動車運行情況實時檢測監(jiān)控。
4．2功能模塊設計
4．2．1信息管理模塊
(1) 用戶信息管理：
包括用戶基本信息，用戶消費充值信息用戶信息修改查詢等；
(2) 充電樁管理：
包括充電樁工作狀態(tài)信息，充電樁消費歷史記錄，信息采集后經(jīng)系統(tǒng)處理存儲到數(shù)據(jù)庫中以供查詢。
(3) 充值卡管理：
包括建立充值卡人員檔案信息；充值卡操作，提供充值卡開戶、銷戶、掛失、補卡等操作；充值卡充值，讀取充值卡信息，充值，驗證充值卡狀態(tài)是否正確。
4．2．2充電模塊
用戶使用小程序掃描插座上的二維碼獲得接入充電插座的ID，通過網(wǎng)絡獲取當接入位置的充電服務，選擇充電時間或金額，支付完成充電命令經(jīng)無線網(wǎng)絡發(fā)送給服務器，即可充電。
4．2．3界面顯示模塊
界面顯示模塊是人機交互接口，在本系統(tǒng)中有登錄窗口、主界面窗口、開戶／銷戶／充值窗口、用戶個人信息查詢窗口、充值／消費記錄查詢窗口等
4．2．4接口模塊
(1)智能充電樁具備地圖應用功能，可以通過地圖查詢小區(qū)充電樁的位置信息。
(2)通過顯示智能充電樁的各種狀態(tài)如空閑、故障、正在使用、己預約等。
(3)系統(tǒng)具有充電結(jié)算功能，通過賬戶和賬戶等綁定，可定額、定量、定時等。
(4)實現(xiàn)對智能充電裝置的設置和控制，包括開始充電、取消預約、停止充電等。
(5)用戶可在公眾號上查詢個人信息，消費充值記錄，充電數(shù)據(jù)詳情(次數(shù)、累計)。
5后臺數(shù)據(jù)庫設計
數(shù)據(jù)庫的設計過程是在給定的DBMS中表達用戶的需求，并將其轉(zhuǎn)換為有效的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，構(gòu)成較好的數(shù)據(jù)庫模式的過程。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計分為數(shù)據(jù)庫概念設計和數(shù)據(jù)庫邏輯設計兩部分。
5．1數(shù)據(jù)庫概念設計
數(shù)據(jù)庫概念設計是將需求分析階段得到的用戶需求和數(shù)據(jù)需求抽象為開發(fā)人員和用戶能夠理解的概念模型的過程。本系統(tǒng)中包含的實體主要有充電樁、電動車、用戶、管理員、消費記錄、充值記錄六個。各實體問的聯(lián)系如下：充電樁由管理員管理和用戶使用，電動車屬于用戶，消費記錄和充值記錄由用戶查看和管理員查看管理，用戶和充電樁之間通過刷卡掃碼等方式建立聯(lián)系，電動車和充電樁之間通過充電活動建立聯(lián)系。
5．2數(shù)據(jù)庫邏輯設計
數(shù)據(jù)庫邏輯設計是利用轉(zhuǎn)換規(guī)則將概念數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為初始關系模式集，然后利用關系規(guī)范化理論對關系模式進行化。本系統(tǒng)中，各個實體表包括各個實體的關鍵字和屬性。用戶或管理員與消費記錄為一對多聯(lián)系，用戶或管理員與充值記錄為一對多聯(lián)系，用戶與電動車為一對多聯(lián)系，管理員與充電樁為一對多聯(lián)系，用戶與充電樁為多對多聯(lián)系，充電樁與電動車為多對多聯(lián)系。充電表為充電樁和電動車的中間表，主鍵由充電樁和電動車的主鍵組合構(gòu)成。關系表中的每一個分量都不可分，所有的非主屬性*依賴于其主關鍵字，且表中任意非主屬性都不傳遞依賴于主關鍵字。因此，該數(shù)據(jù)庫設計滿足3NF。
6安科瑞電動自行車充電樁系統(tǒng)
6.1系統(tǒng)概述
安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱幼孕熊嚦潆姌兜娜粘顟B(tài)、充電過程進行監(jiān)控；實現(xiàn)充電支付對接：支持投幣、刷卡、等多種支付方式，保證支付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進行有效預警；實現(xiàn)對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺、小程序等，提供相關異常數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電動車充電安全管理的網(wǎng)絡化、可視化。
 
6.2 平臺功能
①　安全預警
  對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發(fā)出報警信號，及時消除火災隱患。
 
②　交易結(jié)算管理
  平臺為運營方提供充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。
 
③　充電服務
  可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態(tài)，并導航至可用充電樁?？赏ㄟ^在線自助支付實現(xiàn)充電。
 
④　運營分析
  對訂單進行數(shù)據(jù)化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數(shù)據(jù)，并支持和第三方平臺對接。
 
 
⑤　小程序
  可通過小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業(yè)管理人員均可通過小程序管理，監(jiān)測充電樁狀態(tài)和充電交易情況。
 
6.3 產(chǎn)品選型
 
7安科瑞汽車充電樁收費系統(tǒng)
7.1平臺概述
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過小程序掃描二維碼進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。
充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括財務管理、變壓器監(jiān)控和運營分析等功能。
7.2主要功能
①登錄
按不同角色和賬戶登錄
 
②實時監(jiān)控
☆地圖查詢
地圖查詢站點信息
☆充電站監(jiān)控
可以按站點名稱進行篩選，顯示站點詳情、充電槍列表、統(tǒng)計訂單信息、故障記錄
1、可以按充電槍編號、狀態(tài)、功率篩選充電槍列表
2、點擊某個充電槍編號后在進入充電槍監(jiān)控頁面
3、可以批量遠程設置充電槍的限制功率。
 
③交易管理
交易管理包括賬戶交易、訂單管理、交易記錄、財務報表等功能
 
④故障管理
故障管理包括故障記錄、故障處理、故障確認、故障分析等功能
 
⑤小程序
小程序可以通過掃描二維碼和文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示
 
授權(quán)登錄
 
主界面
 
7.3 產(chǎn)品選型

 
8結(jié)束語
本文在已有的電動車智能充電裝置和系統(tǒng)的基礎上，對小區(qū)電動車智能充電系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)需求分析和功能需求分析，設計了系統(tǒng)概念數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型，利用MySQL完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建；用物聯(lián)網(wǎng)技術(Zigbee網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術、數(shù)據(jù)通信技術等)完成系統(tǒng)的詳細設計。完善已有系統(tǒng)的不足，強化數(shù)據(jù)加密部分，保障充電樁安全、有效運行，注重人機交互，使用戶可以自行鑒權(quán)，實現(xiàn)充電樁智能化。
參考文獻：
[1] 張海藩，牟永敏．軟件工程導論(第6版)[M]．清華大學出版社，2013
[2] 瞿雷，劉盛德，胡成斌．zigBee技術及應用[M]．中國：北京航空航天大學出版社，2007．
[3] 胡勇，劉奇峰．基于webGIS的分布式電動汽車充電樁運營管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]電力建設，2014，35(1)：98—103．
[4]  支賀娜，趙明倩  小區(qū)電動車智能充電系統(tǒng)開發(fā)與設計
[5]  安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版