【摘要】为解决小区电动车充电难，不安全、不方便等问题，本文提出了一种基于无线传感网络技术的电动车充电系统。系统通过传感器采集数据，集成充电桩上传的数据信息，并整合付费Ic卡数据后，接入ziee网络，进而把充电桩统一管理起来，以此监控刷卡消费和电动车电量使用情况，实现对小区充电桩及充值卡的集中管理，让小区电动车充电系统智能化。

【关键词】传感器；ZigBee；充电系统；电动车

 

1引言

      现今电动车因环保、便捷、经济等特性在小区居民中使用十分广泛，可随之也出现了一些问题。目前小区居民深感电动车充电不方便、不安全、费用缴纳明细不清晰，一些小区虽然安装了充电桩，但是站点有限，管理不太方便且成本比较高。除此以外，小区内电动车大多要求在停车棚统一充电，采用刷卡或投币消费，在支付方式上存在着一定的局限和落后。因充电设备之间未联网，用户无法对卡余额实时查询管理，因此电动车充电设施的建设和完善越来越重要，在这种需求下，本文提出了一种基于无线传感网络技术的电动车智能充电系统。

2需求分析

2．1功能需求分析

       (1)需要对充电设备及电动车运行情况进行实时检测监控，充电控制器通过ZigBee接入互联网，管理员通过系统查看并将信息及时推送反馈给用户。

       (2)系统提供信息查询，充电管控等功能，通过互联网平台，收集充电桩上传的数据信息，把充电桩统一管理起来。

       (3)系统要具有安全防护功能来保护充电桩设备，可通过实时检测内部温度传感器节点上传数据的信息，一旦充电桩运行时遇到异常情况自发采取相应防护措施并立即通知车主。

       (4)充电时能够定时充电，充满自动断电，有效保护电动车电池寿命，防止因电动车充电造成的火灾。

       (5)在智能充电桩终端内嵌入安全芯片，“一终端一密钥”，电动车用户在使用Ic卡付费的过程中，个人信息将会得到加密处理。

       (6)系统要实现与微信对接，用户在微信可查看消费记录，充电时也可在线支付，远程操控充电。

2.2性能需求分析

(1)即时性：

      系统对电动车的定位、信息获取都应保证数据传输和服务的实时性，时间对客户端显示界面进行刷新，为用户提供实时性的服务。

(2)准确性：

      系统充电信息、电动车用户消费充值信息显示、缓存等流程或功能上均应保证信息的准确性。

(3)安全性：

       在系统的数据传输过程中应进行信息的校验和加密防止信息泄露，系统集成时应对代码进行加密防止知识产权流失。

(4)快速性：

        启动速度、界面切换速度、与服务器交互的网络速度都要做到尽可能的快。

3相关技术

3．1技术应用背景介绍

      随着互联网移动支付兴起与无线传感器网络技术发展，可通过zig—bee网络，把充电设备接入互联网，并将电动车充电系统与移动支付结合。本文设想利用传感器，对充电桩实时监控，通过该系统能够有效管理小区内电动车的充电，具有定时充电，手机支付，充满自动断电，随时监控充电状态等优点，让小区电动车充电变得智能化、人性化。

3．2无线传感网络

       Zigbee网络由一个协调器，多个路由器，多个终端设备。ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低成本的双向无线网络技术，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。本系统采用ZigBee无线传感网络主要为搭建充电桩本地的无线局域网络，实现局域网络的短距离无线通信。

3．3二维码

      用户可以通过扫描充电点二维码来充值缴费，每个充电点的二维码都是的，用户使用前扫描二维码确定机器号后，付款购买充电时长成功后便可以使用该充电点充电。

4系统开发与设计

4．1系统总体设计

      本系统将通过布置在充电桩周围的ZigBee网络采集数据，把集成与智能传感器装入充电桩中，每一个充电桩作为无线传感网络中的终端节点；安置一个无线通信设备，对充电桩状态参数采集，每个电动车设有的ID标识，传感器可感知电动车；通过扩展多种传感器，设计了充电桩自身的保护功能；通过充电用户与充电桩的交互来实现用户的身份识别功能，余额识别功能；电动车成了物联网一部分，系统就可对充电设备及电动车运行情况实时检测监控。

4．2功能模块设计

4．2．1信息管理模块

(1)用户信息管理：

       包括用户基本信息，用户消费充值信息用户信息修改查询等；

(2)充电桩管理：

       包括充电桩工作状态信息，充电桩消费历史记录，信息采集后经系统处理存储到数据库中以供查询。

(3)充值卡管理：

        包括建立充值卡人员档案信息；充值卡操作，提供充值卡开户、销户、挂失、补卡等操作；充值卡充值，读取充值卡信息，充值前，验证充值卡状态是否正确。

4．2．2充电模块

       用户使用微信小程序扫描插座上的二维码获得接入充电插座的ID，通过网络获取当前接入位置的充电服务，选择充电时间或金额，微信支付完成充电命令经无线网络发送给服务器，即可充电。

4．2．3界面显示模块

       界面显示模块是人机交互接口，在本系统中有登录窗口、主界面窗口、开户／销户／充值窗口、用户个人信息查询窗口、充值／消费记录查询窗口等

4．2．4微信接口模块

      (1)智能充电桩具备地图应用功能，可以通过地图查询小区充电桩的位置信息。

      (2)通过微信显示智能充电桩的各种状态如空闲、故障、正在使用、己预约等。

      (3)系统具有充电结算功能，通过账户和微信账户等绑定，可定额、定量、定时等。

      (4)实现对智能充电装置的设置和控制，包括开始充电、取消预约、停止充电等。

      (5)用户可在微信上查询个人信息，消费充值记录，充电数据详情(次数、累计)。

5后台数据库设计

       数据库的设计过程是在给定的DBMS中表达用户的需求，并将其转换为有效的数据库结构，构成较好的数据库模式的过程。本系统数据库设计分为数据库概念设计和数据库逻辑设计两部分。

5．1数据库概念设计

       数据库概念设计是将需求分析阶段得到的用户需求和数据需求抽象为开发人员和用户能够理解的概念模型的过程。本系统中包含的实体主要有充电桩、电动车、用户、管理员、消费记录、充值记录六个。各实体问的联系如下：充电桩由管理员管理和用户使用，电动车属于用户，消费记录和充值记录由用户查看和管理员查看管理，用户和充电桩之间通过刷卡扫码等方式建立联系，电动车和充电桩之间通过充电活动建立联系。

5．2数据库逻辑设计

       数据库逻辑设计是利用转换规则将概念数据模型转换为初始关系模式集，然后利用关系规范化理论对关系模式进行优化。本系统中，各个实体表包括各个实体的关键字和属性。用户或管理员与消费记录为一对多联系，用户或管理员与充值记录为一对多联系，用户与电动车为一对多联系，管理员与充电桩为一对多联系，用户与充电桩为多对多联系，充电桩与电动车为多对多联系。充电表为充电桩和电动车的中间表，主键由充电桩和电动车的主键组合构成。关系表中的每一个分量都不可分，所有的非主属性完全依赖于其主关键字，且表中任意非主属性都不传递依赖于主关键字。因此，该数据库设计满足3NF。

6安科瑞电动自行车充电桩系统

6.1系统概述

      安科瑞电动自行车充电桩通过GPRS模块与云端进行通信和数据交互。系统能够对电动自行车充电桩的日常状态、充电过程进行监控；实现充电支付对接：支持投币、刷卡、微信支付等多种支付方式，保证支付交易过程的完整性，对充电过程中的异常情况进行有效预警；实现对下游站级平台的清算、对账功能。平台可对接消防物联网平台、小程序等，提供相关异常数据，实现电动车充电安全管理的网络化、可视化。

6.2 平台功能

①　安全预警

对平台连接的所有充电桩状态进行监视，充电桩发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号，及时消除火灾隐患。

②　交易结算管理

平台为运营方提供充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表等，支持投币、刷卡和扫码充电。

③　充电服务

可通过软件搜索附近充电桩，并查看充电桩状态，并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电。

④　运营分析

对订单进行数据化分析，通过柱状图、报表方式直观展示数据，并支持和第三方平台对接。

 

⑤　微信小程序

可通过微信小程序扫码充电，充电账单支付。运营商和物业管理人员均可通过小程序管理，监测充电桩状态和充电交易情况。

6.3 产品选型

7安科瑞汽车充电桩收费系统

7.1平台概述

      安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。

充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括财务管理、变压器监控和运营分析等功能。

7.2主要功能

①登录

按不同角色和账户登录

②实时监控

☆地图查询

地图查询站点信息

☆充电站监控

可以按站点名称进行筛选，显示站点详情、充电枪列表、统计订单信息、故障记录

       1、可以按充电枪编号、状态、功率筛选充电枪列表

        2、点击某个充电枪编号后在进入充电枪监控页面

        3、可以批量远程设置充电枪的限制功率。

③交易管理

      交易管理包括账户交易、订单管理、交易记录、财务报表等功能

④故障管理

      故障管理包括故障记录、故障处理、故障确认、故障分析等功能

⑤微信小程序

      微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示

授权登录

主界面

7.3 产品选型

 

8结束语

      本文在已有的电动车智能充电装置和系统的基础上，对小区电动车智能充电系统进行数据需求分析和功能需求分析，设计了系统概念数据模型和逻辑数据模型，利用MySQL完成了系统数据库的创建；用物联网技术(Zigbee网络、互联网技术、传感器技术、数据通信技术等)完成系统的详细设计。完善已有系统的不足，强化数据加密部分，保障充电桩安全、有效运行，注重人机交互，使用户可以自行鉴权，实现充电桩智能化。

参考文献：

[1]张海藩，牟永敏．软件工程导论(第6版)[M]．清华大学出版社，2013

[2]瞿雷，刘盛德，胡成斌．zigBee技术及应用[M]．中国：北京航空航天大学出版社，2007．

[3]胡勇，刘奇峰．基于webGIS的分布式电动汽车充电桩运营管理系统设计与实现[J]电力建设，2014，35(1)：98—103．

[4] 支贺娜，赵明倩  小区电动车智能充电系统开发与设计 

[5] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版