基于云平台的充电桩智能管理系统及移动应用开发

付萍萍， 郑富永， 王华， 李敏， 于仕

(国网江西省电力有限公司信息通信分公司， 江西， 南昌 330077)

0 引言

近年来，电动汽车在国家政策推动下获得了极大的发展。据统计，2020年全球电动汽车与混合动力汽车的销量达到324万辆[1]，较去年增长43%。2020年11月国务院发布新能源汽车产业发展规划，明确到2025年新能源汽车销售量达到销售总量的20%左右[2]。基于电力的新能源电动汽车已经成为汽车产业未来发展的必然趋势。

为了满足日益增长的电动汽车对充电设施建设和管理使用需求，同时满足对其智能化监控和智能化使用，亟需开发智能化的监控管理系统[3]，高效的监控管理平台能够有效促进电动汽车产业的发展[4]。本文设计并实现了基于云平台的充电桩管理系统与移动智能应用平台。系统管理端实现了远程管理、监控电桩的运行、分析电桩交易、修复电桩故障、回复用户评论等功能；用户端实现定位功能、查询充电桩、管理用户信息等功能。基于云平台、PHP、Apache等技术实现服务器后端，基于Android移动应用开发、JavaScript等技术实现移动平台与浏览器的前端。测试结果表明，基于云平台的充电桩管理系统能够实现上述设计的功能，为充电桩的智能管理提供技术支撑。

1 相关工作

1.1 电动汽车与充电桩的发展现状

目前，国内新能源汽车发展迅速，电动汽车充电基础设置体系也在不断完善。目前国内已建成或者在建的电动汽车充电设施主要有充电站和充电桩。目前，电动汽车充电桩的智能化管理和使用具有一定的滞后性，亟需打造一体化的充电平台管理系统[5]。

为了满足大规模的家用电动汽车用户即时方便充电的需求，分布式充电桩是一种较好的模式，在住宅小区或商业大厦的专用停车场内安装一定数量的智能充电桩提供交流电源接口，为电动汽车提供便利的充电服务[6]。

1.2 充电桩管理平台的问题

尽管近年来我国新能源汽车行业获得了较大发展，但是电动汽车充电桩的管理仍存在问题，主要包括：规划布局不完善、充电桩数量较少、管理服务不成熟等，另外缺乏有效统筹管理的私人充电桩的大量涌入，增加管理成本的同时导致了高比例的充电桩闲置率，造成车主充电难，运营商盈利难的困境。

如何构建合理有效的电动汽车充电桩资源配置平台，合理监控和管理充电桩资源，充分调动各市场主体的资源优势并提高闲置充电桩的使用率，是目前亟待解决的问题[7]。

1.3 充电桩管理的业务需求

位置不同的充电桩构成了电动汽车充电网络，其基本特征是数量较多且地理位置分散[8]。多数充电桩设备运行环境苛刻，长时间在湿度、温差较大的环境下工作。因此需要及时掌握充电桩的运行状态，以保障充电设备平稳、可靠运行。

充电桩管理系统还需要对设备运营过程进行管理，涉及充电设施的资产管理、充电桩充电监视及相关参数的设置管理、用户个人信息管理(充值，解锁，注销)等。充电桩管理系统的主要功能包含：远程监控、远程控制、计费管理、用户管理和资产分析。

2 系统设计与架构

2.1 功能结构设计

充电桩管理平台需要实现对用户的信息管理以及对用户交易数据进行统计分析，充电桩运行信息监控，充电桩基本信息管理等服务。本文基于云平台的充电桩管理平台系统的功能结构如图1所示。

图1 系统功能结构图

系统的主要角色是管理员与用户。其中，管理员的功能为远程管理充电桩的基本信息，监控其运行状态；管理交易记录，进行查询、统计与分析；管理用户信息以及回复评论与用户交互。用户的功能为查询充电桩位置并提供导航信息；进行充电桩用电交易，包括充值、解锁、计费扣费等；注册账号并管理个人信息；发布评论提出意见与建议。

2.2 通信架构设计

由于充电桩分布较为分散，充电桩管理系统需要远程控制不同地点的充电桩，同时为管理端和服务端提供服务[8]。系统既保证所有充电设备信息、用户交易信息等能够有效上传，又需要降低通信成本[9]。为此本文设计了相关设备的通信架构，如图2所示。

图2 系统通信架构设计图

依据充电桩所在的位置，位于路边或街道等地分散的充电桩通过3G、4G及专网等与系统服务器进行通信[10]；位于停车场、小区、充电站等充电桩较为集中的场所，使用集中器装置将区域所属充电桩信息通过专用网络与服务器进行连接，以此提高通信效率。

2.3 系统架构设计

基于当前用户的实际需求与技术发展，系统使用B/S结构与C/S结构相结合的方式，系统架构如图3所示。系统的管理端采用基于HTML与JavaScript技术实现的B/S结构；用户端采用基于C/S结构实现移动智能应用程序。后端则选用PHP技术实现业务逻辑代码，使用云平台与Apache服务器部署代码。

图3 系统框架图

3 系统实现

3.1 云服务器配置

系统租用阿里云服务器，原型配置信息如表1所示。

表1 云服务器配置信息

3.2 用户端主要功能实现

(1) 动态验证码的生成

用户登录系统时，为了防止登录系统请求的频率过高，同时防止脚本暴力破解，除了输入用户名与密码外，还需输入动态验证码进行验证，功能示意图如图4所示。

图4 验证码生成功能图

(2) 充电桩位置搜索

系统提供检索指定位置附近充电桩的功能，用户通过输入关键词检索目的地周围的充电桩，并选择相应地点规划最优的行驶路径。

该功能基于高德地图提供API实现，该用例的时序图如图5所示。首先调用高德地图提供的inputTips类的Inputtips.InputtipsListener接口来监听输入的位置关键词，然后在所有可能的位置中选择前6条记录，存入ArrayList中并使用Android的Listview控件中显示。接着对Listview绑定点击事件监听，当用户点击相应位置信息的时，调用Listview的getChildAt方法，取出选中的位置信息，将位置信息的值传入搜索框，供下一步路径规划使用，同时清除Listview的内容。

图5 充电桩位置搜索的时序图

同时，系统的充电桩位置搜索功能示意图如图6所示。可以根据输入地点前缀，匹配多个地址。

图6 充电桩位置搜索功能示意图

(3) 评论发表

系统提供发表评论的功能，用户可以通过评论对系统或充电桩提出意见与建议，管理员可以在管理平台上查看用户评论，及时了解用户体验，如图7所示。

图7 评论功能示意图

(4) 定位及路径导航测试

系统提供路线导航功能，用户搜索充电桩目的地后，系统从数据库读出选中充电桩的位置信息，给出从当前位置到目的地的可行路线，并提供实时导航帮助用户抵达充电桩。

该功能基于高德地图API实现，该用例的时序图如图8所示。系统后端接收到用户选择的充电站的位置信息后，使用高德地图API提供的AMap.Marker类为该充电桩创建一个标记点对象。接着，通过Android API的LocationManager读取用户的当前位置信息，将当前位置信息与标记点对象的信息作为规划路径的起点和终点，调用高德地图API的Driving.search函数来进行行驶路径的规划，将路径规划结果显示在地图上。

图8 定位及路径导航的时序图

用户定位与路径导航的功能如图9所示。通过高德导航，推荐至充电桩的最佳路径供用户选择。

图9 定位及路径导航功能示意图

3.3 管理员主要功能实现

(1) 充电桩管理与维护

系统提供充电桩管理与维护功能，管理员将新设施的基本信息添加到数据库中，对新设施进行监控和管理，充电站及充电桩添加功能测试如图10所示。

图10 充电桩信息维护示意图

(2) 交易数据分析与可视化

充电桩管理平台能够查询所有充电站发生的交易数据，系统基于highcharts插件实现了交易数据可视化功能，通过直方图或圆饼图等展示交易数据详情，如图11所示。图11使用直方图显示了每日交易次数。

图11 直方图交易数据统计可视化

4 总结

本文设计并实现了充电桩管理平台和用户服务平台的功能，设计实现了管理员的电桩管理平台，实现了远程管理和监控电桩的运行，查看和分析电桩交易，查看和通知修复电桩故障等功能;完成了基于Android的应用开发，实现了定位功能与路线规划、查询充电桩、管理用户信息等功能。系统可为电动汽车智能化发展提供技术支撑。