電動汽車智能充電樁管理系統的設計與開發

張明慧，周天睿，于靜，金民

（1.鄭州師范學院信息科學與技術學院，鄭州 450044；2.海南師范大學物理與電子工程學院，海口 571158）

0 引言

電動汽車不僅可以實現節能減排，且純電動汽車的制造工藝相對簡單，僅需要提供充電設備即可。為推動電動汽車的發展，我國政府在2015年頒布《電動汽車基礎設施發展指南（2015—2020年）》，計劃到2020年，建成480萬個充電樁。隨之而來的問題是對充電樁的建設、管理以及推廣。

在充電電樁的應用和推廣過程中，往往因為充電不便而導致電動汽車的銷售受到一定程度的影響。不方便的主要原因除了充電樁數量不足，更多在于充電電樁的管理服務不夠完善。充電樁分布零散，信息不互通，使很多車主在充電時需要切換多個充電服務平臺來選擇充電樁。甚至會出現接入充電樁準備充電時，卻發現充電樁是“僵尸樁”或者已經有人使用的情況，嚴重影響了用戶的體驗。

在充電設備的應用服務上，美國、德國、日本等國家較早開始投入建設，并且發展的比較成熟［1］。美國處于領先地位，ChargePoint是最具代表性的充電樁運營商。其智能充電系統提供充電設施硬件和充電服務管理，將不同的充電設施接入云服務平臺。它以手機APP為基礎，利用在線地圖，完成充電樁位置信息在整個美國范圍內的共享，方便用戶尋找充電站。同時為車主提供充電狀態查詢服務，能夠實時顯示充電時間和電量、充電完成、充電意外中斷、故障報警和節能減排效果等信息。在“產品+服務”的模式下，與地圖運營商、互聯網公司和電動汽車企業合作，聯系充電樁和充電APP，構造了完整的充電服務生態鏈［2］。

歐洲國家電動汽車充電服務的運營以德國和丹麥為代表，主要使用充電APP為電動汽車用戶提供充電站定位和遠程監控服務［3］。例如：實時掌握充電時間、充電電量以及充電故障等。對于充電行程的安排，用戶可以自由取消、變更。在充電費用的支付方式上也比較靈活。日本的電動汽車行業發展迅猛。這得益于政府的大力支持和車企的配合。在日本，許多地點都安置了充電樁，但主要的消費方式是通過實體充電卡［4］。

近幾年，我國電動汽車行業也在快速發展。政府對充電設施基礎建設投入了大量精力，充電樁的數量不斷增加，但是充電服務有待提高［5］。目前，電動汽車使用的充電樁只要符合國標都是通用的，主要的充電方式是通過充電APP找樁充電。市場中使用最多的APP有特來電、e充電和星星充電等。每一款APP都有自己的特點，但是由于不同的運營商所管轄的范圍有區別，他們之間相互獨立，不能共享充電樁的信息，導致車主需要在手機中安裝多個充電APP以便能夠順利充電。這一點給用戶的手機帶來了多余的負擔。

信息的不互通、找樁難、用戶滿意度低等問題引發了一些國內研究者的思考。王東琴［6］基于Android開發了一款能夠對充電樁信息進行檢索并預約導航的安卓APP，可以實時獲取充電樁數據，也能對充電訂單進行記錄，方便用戶對充電樁的使用。在功能上比較完善，但是僅支持Android系統使用。申曜榮［10］經過對多個城市的調研，研究新能源汽車充電樁的實際情況，詳細設計了集智慧充電后臺管理系統、車主APP和充電站運行管理系統于一體的智能充電系統。它能夠快速準確地查找充電樁，給電動汽車充電服務強有力的支撐，使運營管理高效有序，但是在界面的設計上略顯呆板。本文開發了供車主使用的微信小程序，可以在多個系統平臺運行，界面美觀，可操作性強。為管理員創建了后臺管理系統，對解決充電樁信息不能互通、充電APP過多占用手機內存的問題有所幫助。

1 系統總體設計

電動汽車智能充電樁管理系統集Web服務器端、小程序用戶端和數據庫三部分于一體，采用B∕S架構和C∕S架構相結合的方式開發。數據庫為系統數據提供高安全性的保存，具體功能的實現在業務邏輯層完成，系統的表現層是Web服務器端和小程序端。

Web服務器端為B∕S架構，供系統管理員使用。數據加工在Web Server完成，最后返回處理信息到瀏覽器。客戶端采用的是C∕S架構，客戶端訪問服務器端存儲的數據采用數據庫連接的方式。客戶端和服務器端接受C∕S架構分配的任務，減少系統的通訊開銷。

Web服務器端分為三個模塊，分別是后臺管理系統的管理、監控和充電模塊。充電模塊由電樁管理、微信用戶和訂單管理組成。電樁管理包括系統對接入的充電樁進行信息分類存儲，支持按照充電設備的編號、型號、制造廠商等多種條件進行檢索；對充電設備的工作狀態、報警信號、故障信號進行采集；控制充電樁的啟動、終止；調整每個充電樁的充電價格；注銷廢棄充電樁。系統平臺保存微信用戶信息，對所有的充電交易記錄進行存儲，支持精細化的訂單管理和檢索功能。在系統后臺運維Web頁面，可設定篩選條件，查詢并展示符合條件的歷史數據，例如：充電交易記錄。

用戶端提供充電樁地圖，具有獲取自身定位的功能。在用戶未登錄時只能瀏覽充電地圖而不能使用充電樁，需要先進行注冊、登錄。綁定可用充電樁開始充電后，自動生成訂單，在訂單頁面可以遠程結束充電。用戶在小程序里可以查看個人信息與訂單信息。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統功能

2 充電電樁管理模塊設計

控制類通用數據處理基類BaseController.java，封裝了編程常用的方法。實體類基類BaseEntity.java，包含所有對象的共有屬性，便于新建對象繼承。

電樁管理控制類：ElectricController.java，處理電樁管理頁面傳來的請求，比如新增電樁。

電樁實體類：Electric.java，用于記錄充電樁的信息，與數據庫中的充電樁表保持一致。

電樁管理業務邏輯接口類：IElectricService.java，提供ElectricController調用的方法。

電樁管理業務邏輯實現類：ElectricServiceImpl.java，實現IElectricService中的方法。

電樁管理數據持久類：ElectricMapper.java，訪問數據庫，完成數據庫實體的映射。

圖2 充電電樁管理類圖

3 系統實現

電動汽車智能充電樁平臺的后臺管理系統通過Web瀏覽器訪問，主要是為超級管理員提供用戶、充電樁和訂單的管理。此外，還對后臺管理系統自身進行管理和監控，例如：顯示在線用戶、記錄登錄日志和操作日志、菜單管理等。

系統管理包括用戶、角色、菜單和日志四部分管理。超級管理員具有最高權限。在用戶管理模塊，可以為后臺管理系統添加管理員、進行管理員的刪除、信息修改等操作。超級管理員也可以對系統的菜單進行調整。

超級管理員登錄后臺管理系統后可在系統監控模塊查看在線用戶，這一監控功能應用Shiro的過濾器實現。在線用戶監控為系統安全增加一層保障，管理員可以強退不安全用戶。同時還對系統運行的CPU、Java虛擬機、服務器等進行服務監控，對系統使用的數據源、SQL、session進行數據監控。

3.1 充電電樁模塊設計

充電模塊是Web服務器端的核心功能，分為電樁管理、訂單管理和微信用戶三個部分。

3.1.1 電樁管理

在電樁管理頁面可以清晰的看到管理員能夠添加、刪除充電樁、修改充電樁信息以及數據導出等，支持按照多種方式檢索充電樁。

圖3 電樁管理頁面

在電樁管理頁面點擊“添加”，錄入信息包括充電樁的名稱、型號、制造廠商等。使用騰訊地圖坐標拾取器獲取經緯度，輸入到電樁信息中，實現在充電地圖上標點的功能。如果某充電樁不再使用，管理員可以把該充電樁刪除，在數據庫中注銷信息。錄入電樁信息時，默認電樁的使用狀態為啟動，管理員可根據實際情況決定是否終止充電樁。

電樁被用戶綁定使用時，將充電樁的狀態信息傳輸到后臺管理頁面，工作狀態變為“工作中”，結束充電后，工作狀態再次回到“空閑”。用戶提交故障信息后電樁工作狀態更改為“故障”，管理員可以在充電樁的故障修復后將充電樁的工作狀態更改為“空閑”。

圖4 電樁信息編輯頁面

3.1.2 微信用戶

微信用戶這一欄主要是對小程序注冊用戶信息的記錄。在該頁面，管理員一般只是進行查詢操作，必要時更改用戶信息或者刪除用戶。

圖5 微信用戶頁面

3.1.3 訂單管理

在訂單管理模塊管理員可以根據電樁名稱搜索來查看每個充電樁的使用頻率。如圖6所示，搜索電樁2訂單管理頁面顯示出所有使用電樁2的充電記錄。

圖6 搜索訂單頁面

3.2 客戶端設計

客戶端與后臺管理系統的數據交互上采用Json傳輸數據。Json是一種數據傳輸格式，語法格式簡單，結構層次清晰，易寫易讀。在數據傳輸時，由于Json編寫過程中很少有多余的字符，可以節約帶寬。小程序端添加的數據可以直接通過Json傳輸到Web后臺同步。微信小程序通過uni.request這個請求訪問后臺服務端口的URL，實現相應功能。

調用getlocation（）方法獲取車主的自身定位，調用騰訊地圖API，獲取新增充電樁時錄入的經緯度在地圖上標出充電樁位置。用戶充電先綁定可用充電樁，調用接口，獲取當前啟動的充電樁狀態，判斷該充電樁是否處于空閑的工作狀態。如果提示“該電樁未處于空閑狀態，請選擇其他充電樁”。

對于已經綁定的充電樁，用戶支付成功后創建一個“我的訂單”記錄這次充電的開始時間和電樁的型號等信息。車主可以在訂單頁面遠程結束充電，如果出現故障，用戶可以點擊故障按鈕將該充電樁的故障信息提交。處于故障狀態的充電樁不能被其他用戶使用，直到維修完畢工作狀態恢復為空閑才可以再次被使用，實現了信息的互通共享。

圖7 綁定、訂單頁面展示

4 結語

本系統的后臺使用Java語言編寫，MySQL提供數據庫支持，采用后端框架SpringBoot和前端框架Bootstrap開發了Web服務器端，以Uni-app為前端框架開發了微信小程序用戶端。該系統實現了管理員對充電樁信息的錄入、用戶的管理和訂單的檢索。對于用戶，僅通過小程序就能夠輕松找樁，在充電地圖上綁定可用充電樁進行充電，并不需要另外安裝APP。系統的界面簡潔清晰，直觀易懂，對于各個年齡段的用戶都很友好，操作起來也很簡單。

該系統的實現有助于提高用戶體驗，為電動汽車發展貢獻力量。但是由于沒有硬件支持以及其他原因的限制，一些功能無法實現。該系統仍然有很多不足之處，比如無法實時查看充電信息，預測充電完成時間，也不能實現更為貼心的預約功能。在未來的發展中，可以對這些缺陷進行完善。