智慧校园电动自行车充电小程序设计研究

朱 哲，钟 声（通信作者），郭 豪，王 盛，周哲臣，王佳轩，梁成龙，陈语琪

（1西南石油大学土木工程与测绘学院 四川 成都 610500）

（2西南石油大学计算机科学学院 四川 成都 610500）

（3西南石油大学电气信息学院 四川 成都 610500）

0 引言

随着国民生活水平的提高，在国内各大小城市中电动自行车的使用量快速上升，在高校中尤为明显，由于电动自行车的轻便省力，大部分学生选择其作为在校园里的代步工具，使高校中电动自行车的数量大幅度增加，这也对校园充电桩的需求量提出了更高的要求[1]。由于在充电过程中，电动自行车乱停乱放、充电私接电缆、乱拔他人充电线、电瓶充电充坏等问题层出不穷，因此，本文研究设计一款微信小程序，便于使用者快速寻找充电位置，并对学校充电桩布局提供建议，推动智慧校园的建设[2]。

1 研究现状

本文以西南石油大学为例，由于校园扩建、教学楼间距离增加，电动自行车成了学生和教师出行的主要交通工具，电动自行车的保有量也随之增加，导致师生对充电桩的需求量急速提升。并且在使用过程中，电动自行车乱停乱放、电线私自乱接、擅自拔掉他人未使用完的充电器等问题时有发生，还有充电线插反导致充电器烧坏问题[3]，对校园环境和师生造成不便并增加了安全隐患，因此，加强校园充电桩的安全管理十分重要。基于电动自行车充电桩的理论分析，专家学者提出了立柱式充电桩、移动式充电桩等解决方法[4]。但是，由于校园学生基数大、电动自行车数量增加、充电桩数量有限等原因，导致花费大量时间寻找空闲充电桩，电动自行车摆放无序，充电过程中被他人终止充电等问题频出不穷。这些问题一方面对大学生日常学习生活造成影响，另一方面给校园的环境、管理和安全带来威胁。因此，本文研究设计一款可查看充电桩分布和使用情况、监控电动自行车温度、方便学校管理的智慧校园充电小程序，并设计一种防拔装置，便于师生充电使用。

2 研究内容

2.1 设计方案

通过实地调研校园，统计学校的电动自行车数量、充电桩个数、分布范围及其使用频率，得到电动自行车数量约3 000个，充电桩个数共241个，其主要分布范围如下表所示，研究框架图如图1所示。

表1 充电桩分布表

图1 研究框架

根据目前调研情况，校内电动自行车充电情况经常会有充电桩个数不足，以及充电桩管理缺陷问题，管理发展建设程度较低，仍有大幅度的提升空间。本研究设计的小程序意在辅助主要的充电桩管控嵌入式设备进行充电桩的管理，包括电满释放、充电付费、充电桩使用情况等。因此设计一个能够进行不同地理位置个性化定制和多功能高效率的充电桩小程序是完全有必要的。

2.2 关键技术

2.2.1 前端技术

本研究前端开发基于微信小程序，采用工具为微信开发者工具[5]，主要包含有JavaScript、json、wxml、wxss等相关技术，主要实现小程序界面设计，界面与后端的人机交互。

首先，使用微信小程序官方codeID，与微信账号连接起来实现微信登录功能，保证数据传输的安全性和隐蔽性。其次，本研究所运用的微信小程序的JavaScript运行环境是在微信App的上下文中，既不能操作Browser context下的DOM，也不能通过Node.js相关接口访问操作系统API。虽然本研究设计的微信小程序并不是Html5，但是开发过程和用到的技术栈和Html5是相通的。本研究前端部分采用微信小程序开发最多受众的uniapp开发框架，uniapp是一款基于web端vue框架的适配微信小程序端的框架，具有轻量级、快捷方便的特性。在框架的基础上使用axios通信技术与后端MySQL数据库进行交互，相比于传统的ajax网络通信技术，axios更加方便、灵活、快速，它是对ajax的一种集成和改造，能够充分利用ajax的优点并且剔除其缺点。通过交互技术获取后端数据后通过页面过渡组件展示在小程序页面上面。

在小程序UI设计方面，以简洁大方为主，采用主绿色配色，列表框架居多。在代码方面，进行了组件封装，大大提高了前端部分代码的复用性，减少了后期维护的复杂性，只需要通过修改相关组件的代码即可对程序进行调试。

2.2.2 后端技术

本研究后端基于SpringBoot+MyBatis[6]，主要实现用户登录、充电桩的使用记录、充电倒计时等功能。数据库使用MySQL数据库，同时配合NoSQL数据库Redis，消息中间件RabbitMQ进行异步解耦的优化。引用第三方API，实现用户微信登录、短信验证等。通过AOP面向切面编程，完成对业务方法的耗时统计，对业务代码进行优化。使用MySQL索引，通过充电桩的id作为主键索引，加快数据库的查询速度。使用Redis缓存、String数据类型记录充电桩使用情况，通过设置过期时间的方式进行充电倒计时。数据库和缓存存在一致性问题，由于项目对缓存命中率没有过高要求，选用旁路缓存模式进行设计。读操作时进行更新缓存，写操作时删除缓存。使用Redis+MyBatis二级缓存，避免缓存雪崩提高系统的可用性。使用RabbitMQ消息中间件，实现索引库和数据库的同步达到异步解耦。通过synchronized关键字，保证线程对资源访问的同步性，通过加锁的方式防止充电桩的多次支付。采用单例模式双重判空加同步的方式实现单例。

2.2.3 简单的JVM调优

目的在于使用较小的内存占用来获得较高的吞吐量或较低的延迟。在复杂和高并发下的服务下，可能出现很多影响系统稳定的因素，为了保证每次Garbage collection（gc）不会出现性能下降，各种性能指标不会出现波动，Garbage collection（gc）回收规律而且干净，保证系统的稳定运行，本系统决定采用JVM调优技术[7]。首先通过插件检测得到本系统需要优化的JVM参数，生成一份用于本项目的JVM配置文件，其次使用生成的配置文件替代JVM的原有配置。在JVM调优后，系统的稳定性得到了提高。

2.3 功能设计

本研究根据西南石油大学电动自行车使用现状而设计出的智慧校园电动自行车充电小程序主要功能如图2所示。主要分为三个模块，功能主页中主要帮助使用者快速寻找可充电位置，并且可帮助使用者查看电动自行车充电情况，在使用过程中有任何问题，可通过维修报备与问题反馈至后台中，相关工作人员会及时解决；账单页面中主要是进行充值服务、余额查看和消费记录，套餐中可选择1元4小时、2元8小时与3元12小时充电服务，可满足使用者电动自行车供电量需求；个人页面中可修改个人资料，点击“我的电动车”可查看电动自行车充电情况，并且可选择中断或者续费充电服务。小程序的功能可满足师生日常充电需求，解决目前存在的找不到可充电位置等问题，可帮助学校进行校园管理，建设安全、舒适的校园环境。

图2 充电小程序功能框架

2.4 防拔控制

对于充电时被他人拔除充电线问题，结合校园充电桩的实际使用情况，本文提出了一种防拔控制原件以配合小程序实现电动自行车充电时无法被他人恶意拔除。对于该部分，研究采用基于MM32F3277开发板来控制。MM32F3277系列使用的是高性能的ArmCortex-M3作为内核的32位单片机微控制器，工作频率达到120 MHz，内置SRAM和内存高速存储器，丰富的I/O端口和外设连接到外部总线。

用户通过软件界面发出开或关断信号，该信号通过无线串口发送给开发板，开发板再通过排线将控制信号发送给驱动芯片。驱动芯片在接收到来自开发板的信号后，通过内部集成的驱动芯片来控制Mos管的开通和关断。研究人员将电磁开关装置集成到充电插板上，当驱动板上Mos管打开时对电磁开关供电，开关弹出将电动自行车充电器插头夹紧，Mos管关闭时停止供电，开关断开，插头则松开。图3和图4分别为开发板和驱动板3D模型图片。

图3 开发板

图4 驱动板

3 研究结果

3.1 充电小程序

本文基于以上研究设计出一款便于师生使用的电动自行车充电小程序，小程序界面如图5所示。主页包含五个板块，分别是充电桩分布点、维修报备、监控查看和GPS定位、通知、问题反馈。分布点可查看当前校内充电桩分布位置以及空闲充电桩。维修报备可上报问题充电口至后台。监控查看和GPS定位可导航到目标充电桩。小程序相关通知会发放在通知模块中。问题反馈可反馈相关问题到后台。

图5 小程序界面

3.2 充电桩布局优化建议

充电桩的布局规划与交通量、充电需求和服务半径、充电设施的多样化、运营模式、城市电网规划等密切相关。充电桩的建立，应该符合校园总体规划以及交通规划，充电桩的对象为交通流中的电动自行车，故应依托于交通系统来选取充电设施的大体位置，若安排不当，既降低充电桩的使用率，又会影响交通，例如将充电桩建立在交叉路口，可能会引起交通堵塞。在对充电桩的需求准确测算的基础上，要合理把控充电桩的数量，这样可以做到资源的节约，避免造成充电桩的闲置。充电桩运行需要有稳定的电力供应，所以在规划上本研究必须充分考虑规划区域输配电网现状，满足规划的充电设施运行电力要求。根据目前西南石油大学电动自行车保有量，应在校园增加三个充电站，分别在二期篮球场旁边空地上，增加约300个充电桩；在教师公寓31幢附近增加约100个充电桩；在一期宿舍10幢附近增加约300个充电桩，即可满足当前校园电动自行车充电需求。充电桩布局如下图所示：

图6 充电桩分布图

4 结论

本文以西南石油大学为例，基于SpringBoot+MyBatis等关键技术，开发出智慧校园电动自行车充电小程序，小程序具有轻量级、方便性、安全性和保密性等优点。选择微信小程序[8]的优点在于不会占据用户手机内存，使用者无需等待与加载，扫码或者搜索即可打开，开发成本低，维护较为方便。本文针对校园电动自行车充电存在的乱停乱放、拔除他人充电线等问题进行研究，在调查校园充电桩布局与电动自行车数量情况后，提出设计一种充电小程序解决上述问题，设计了一种防拔原件来避免被他人拔除充电线，并对学校充电桩的布局提出建议。研究结果为学校日常管理提供有效帮助，可推动智慧校园的建设。