基于北斗的校園智能充電樁管理系統

常云蕾 程錚錚 仝雪琳

摘 要：目前高校校園內充電樁普遍存在分布位置標識不明確、管理混亂等問題，因此導致學生為充電而違規扯線，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的北斗高精度定位與導航功能，結合地理圍欄算法，設計了基于北斗的校園智能充電樁管理系統。

關鍵詞：北斗；智能充電管理系統；地理圍欄

一、引言：

北斗衛星導航系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要而自主建設、獨立運行的衛星導航系統[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也涌現出了不少成果，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航系統，結合地理圍欄算法設計了校園智能充電樁管理系統，以期能夠合理高效地利用校園充電樁資源。

二、系統總體框架：

本系統的總體框架包括：北斗模塊、單片機模塊、4G通信模塊為工程模塊，此外還有數據庫系統、APP客戶端及云服務端三個部分。

1.北斗模塊

在北斗定位導航系統中，定位、導航和通信等功能都是通過用戶終端應用軟件的協助來實現的[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及當前時間。其中坐標信息用于路徑規劃及地理圍欄算法；時間信息則用于手持終端工作系統校時，方便動態了解各個充電樁空位情況。

1.2 位置、軌跡及路徑導航顯示

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

2.數據庫系統

數據庫被用以實現空位查詢、預約等功能。數據庫作為系統服務的后臺，用來存儲充電樁的基本使用及預約信息。

3.地理圍欄

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

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

3.1地理圍欄算法

假設指定圍欄中心點的坐標為（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）

設置地理圍欄觸發事件：d-r≤0。

事件 1： d-r≤0時，用戶已到達指定的地理圍欄。

事件 2： d-r>0時，用戶在地理圍欄外部。

3.2地理圍欄應用

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

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

（2）充電過程中出現斷電現象，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，即未觸發圍欄事件：

指定接口保持占用狀態，并向用戶發送“已斷電，請確認是否本人操作”的通知信息。若選擇“是”或30s內不選擇，發送“充電結束”通知，自動結算費用，并解除接口占用狀態。

若選擇“否”，保持占用狀態25min，期間不允許其他用戶使用該接口。若用戶在指定時間內到達并繼續充電，計費繼續。25min內未重新接通，則充電結束，向用戶發送“充電結束”通知消息，自動結算當前充電費用，并解除接口占用狀態。

②用戶手持終端出圍欄，且在圍欄外時：

向用戶發送“充電停止”警報信息并通知用戶在25min內到達該充電樁繼續充電。

該接口保持占用狀態25min，期間不允許其他用戶使用該接口。若用戶在指定時間內到達并繼續充電，計費繼續。25min內未重新接通，則充電結束，向用戶發送“充電結束”通知消息，自動結算費用，并解除接口占用狀態。

③用戶手持終端出圍欄后，再次進入圍欄：

向用戶發送“是否本人操作”的信息，選擇“是”或30s內不選擇，發送“充電結束”通知，自動結算費用，向用戶發送充電完成的信息，并解除接口占用狀態。

若選擇“否”，保持占用狀態25min，期間不允許其他用戶使用該接口。若用戶在指定時間內到達并繼續充電，計費繼續。25min內未重新接通，則充電結束，向用戶發送“充電結束”通知消息，自動結算當前充電費用，并解除接口占用狀態。

4、APP客戶端：

APP客戶端含注冊登錄、空位查詢與預約、充電與斷電通知、計費結算四大功能。

（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存一定費用。

（2）空位查詢與預約

空位查詢：用戶可查詢附近可用充電樁接口。

空位預約：對于可用充電樁接口進行預約，考慮到各高校平均占地面積、學生用電習慣及區域信號機用戶設備問題，預約時間設定為25min，期間可取消預約。不同高?？稍O定不同預約時間。

（3）充電及斷電通知

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

斷電通知：當檢測到斷電信息時，判斷是否為本人操作，向用戶發送不同通知消息。

（4）計費結算

實時查看充電信息：服務器將充電剩余時間實時發送到APP客戶端。

實時計費：用戶開始充電后，按分鐘計費。當充電結束（或提前中斷）則計費停止，系統自動結算本次費用。用戶可在APP內預存充電費用，也可綁定其他支付手段。

5、云服務端：

云服務器是面向各類互聯網用戶提供綜合業務能力的服務平臺[7]，它的出現構建了一種全新計算機數據儲存架構。本系統中云服務端主要用于對手機APP客戶端和充電樁設備上傳數據進行存儲、分析和處理，然后客戶端通過4G網絡通信向云端發出請求，以獲取所需信息。

三、結語

基于北斗的校園智能充電樁系統使得用戶能夠方便快捷地完成充電樁查詢、預約、支付等功能；此外該系統還能夠靈活判斷惡意斷電現象的發生并加以遏制，不僅為同學們提供了極大地便利，也進一步加強了校園文明建設。

參考文獻：

[1] 張楷時，焦文海，李建文.北斗三號MEO組網衛星數據質量評估[J].測繪科學技術學報，2018（03）：265-269.

[2]劉水，蔡文，周奇等.基于無線通信技術的電動汽車智能充電管理系統[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的研究[J].物聯網技術，2016（12）：52-56.

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

[5]白如玉.基于北斗_GPS雙模衛星的搜尋定位系統設計[D].山西?。褐斜贝髮W，2016.

[6]鞠明山.地理圍欄技術發展現狀及網絡信息安全問題探究[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程控制系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，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：地理信息科學專業

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

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