基于互聯網+新能源汽車充電導航系統設計

邢偉寅+鐘樂海+羅金生+韓正勇

摘要：本文實現了基于云平臺的電動汽車充電樁充電導航功能，通過該系統可以引導新能源汽車的車主進行有序充電。車主可以通過手機APP查詢附近充電樁狀態，然后預約合適的充電樁，并能為車主提供導航服務。系統后臺還可匯總一段時期各充電樁的狀態數據，進行數據挖掘分析，給出合理的定價建議，為決策者在充電樁布局和充電策略優化進行決策支持。

Abstract： This paper realizes the charging and navigation function of electric vehicle charging piles based on cloud platform. The system can guide the owners of new energy vehicles to orderly charge. The owner can query the state of the near charging pile through the phone APP， and then make an appointment on appropriate charging pile， and the phone APP can provide navigation services for the owner. The system background can also summarize the state data of each charging pile for a period of time， carry on the data mining analysis， give reasonable pricing suggestion， and make decision support for the decision maker in the charging pile layout and the charging strategy optimization.

關鍵詞：大數據；云計算；新能源汽車

Key words： large data； cloud computing； new energy vehicles

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0127-02

0 引言

目前，隨著城市的發展，傳統能源不斷枯竭，汽車尾氣產生的環境污染越來越嚴重，有必要發展節能環保的新能源汽車來逐步取代使用汽油作為燃料的傳統汽車。而電動汽車使用可再生的電能，并且環保高效，值得推廣。

從用戶方來說，用戶希望實時了解充電樁的位置信息、電價信息、導航信息，后臺管理者也需要了解各用戶和充電樁的信息，并根據大數據分析結果制定電價策略，引導用戶有序充電。如何解決這一問題已經成為了目前的重要研究課題。

因此在本項目中，設計了基于互聯網+智能充電引導系統，用戶可以通過手機實現充電裝置狀態查詢、定位導航、充電預約及智能充電與充電裝置鎖定等功能。后臺通過內置在汽車中已經連接CANBUS總線的車載數據采集系統采集相關數據，并發回給服務器端，服務器端就可從遠端實時監控汽車的電力狀態。后臺還可通過基于Hadoop的智能云服務器對用戶充電狀態進行大數據分析，然后給出用戶合理的行駛建議，并為電動汽車大規模推廣奠定智能服務的基礎。

1 基本框架

在本文提出的電動汽車智能充電導航系統當中，系統獲得電動汽車的位置、速度等信息、獲得充電樁狀態信息、充電樁電價信息、充電樁排隊信息，并每隔一個時間段（例如10分鐘）更新狀態。同時，系統通過高德地圖獲得道路實時路況，并將分析計算之后的結果發布給汽車。

根據上述分析，整個系統分三部分設計：車載數據采集系統、手機充電樁預約導航系統、數據分析中心。

車載數據采集系統通過收集電動汽車相關狀態，采集和處理數據。根據需求，有兩種設計策略，策略1是車輛相關信息均通過用戶手機客戶端來采集，此方式主要采集車輛GPS信息，并將采集到的信息通過手機發送到后臺服務器端，然后服務器根據采集到的數據進行分析，此種方案不需要加裝內置信息盒，但是不能得到汽車電池狀態數據等關鍵信息。策略2是在車輛內置數據采集模塊，通過采集模塊將采集到的整車數據、GPS數據、電池數據通過Modbus報文打包發送給新能源汽車管理平臺進行分析，平臺服務器將收集到的數據進行數據清洗、數據變換后進行數據的分析和挖掘。此方案可以獲得電動汽車行駛的一些關鍵數據，為管理者進行電動汽車充電樁設置和管理策略提供決策支持。

為了獲得更全面的數據，在本項目中，我們采用策略2進行設計。也就是說要在汽車內加裝汽車數據采集子系統、數據傳輸子系統。汽車數據采集子系統主要包括主控制模塊、GPS模塊、CAN網絡采集控制模塊等，數據傳輸子系統主要是通過無線通信模塊傳輸在移動網絡中傳輸已經封包的數據，數據采集分析子系統主要由云服務器和上位機監控軟件組成，分析拆包獲得的數據，并使用相關聚類算法進行新能源汽車的數據聚類分析。

充電樁預約子系統是用戶根據導航系統查詢到的充電樁數據，通過高德地圖的導航功能，引導用戶前往選定的充電樁充電，充電結束通過手機進行結算。

數據分析中心可根據車輛的數據，充電樁負荷狀態、用戶充電計劃進行分析，然后執行控制策略，引導用戶有序充電，并實現電網的負荷平衡。

2 車載智能數據系統設計

車載智能系統主要獲取用戶的車輛定位信息，這時需要GPS模塊獲得車輛定位信息，還包括速度、方向、經緯度等信息，然后通過異步串行通信方式傳給主控制模塊。車輛的電池管理系統通過汽車的CANBUS總線把電池信息傳送給主控制模塊。同時，這些信息通過Modbus協議封裝在主控制器存儲器中（SD卡）。當主控制器收到服務器獲取車輛信息的指令時，主控制器將已經封裝成Modbus報文的GPS信息和電池信息通過4G移動網絡傳送給數據分析中心，也就是新能源汽車的監控平臺進行分析處理。監控平臺通過上位機軟件對數據進行解包、顯示、監控、儲存、分析、挖掘，后臺運營者監控每臺汽車的電量信息、位置信息，也為下一步進行合理規劃充電樁和指導電動汽車生產廠家進行技術改進提供支持。endprint

本項目中數據采集模塊使用了Modbus協議進行封包，也就是國家標準GB/T19582-2008。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由CanBus網絡和其它設備之間均可通信。當在同一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器需要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。通過Modbus網絡可支持247個之多的遠程從屬控制器，Modbus報文傳輸協議遵循“請求-應答”的通信方式，能夠實現不同種類總線、不同網絡設備之間的“客戶機-服務器”通信。

在本項目中，將新能源汽車的數據分析中心（簡稱中心）設置為Modbus主機，將放置于汽車中的車載智能信息終端（簡稱信息盒）作為Modbus從機。當中心需要獲取車輛信息時，中心向信息盒發送請求報文幀，信息盒讀取請求報文幀數據域指定寄存器中的內容，發送應答報文幀給數據采集分析中心。同時，數據采集分析中心也可以廣播消息的方式向車載智能信息終端發送控制命令。

3 車主方充電管理導航系統APP設計

該系統采用三層架構進行設計，分為視圖層、業務邏輯層和業務實體層。①視圖層，與用戶交互的界面，響應用戶的請求，調用業務邏輯層的接口進行邏輯處理，根據結果以不同的形式展現給用戶。視圖層包含查詢界面、控制界面、狀態顯示、支付結算、地圖顯示。②業務邏輯層，業務邏輯層主要完成對視圖層所有功能的業務邏輯支撐，主要包括狀態顯示功能、查詢功能、控制功能、支付功能、地圖功能。③業務實體層，包含了各個業務實體，對網關服務器的數據請求、數據解析；對平臺服務器的數據請求、數據解析；數據庫維護。

手機的導航部分采用高德地圖API作為平臺的地理信息系統的處理支撐平臺，基本原理是通過在智能硬件設備上獲取定位數據，傳給服務端進行處理，最后在手機軟件內進行地圖、路線規劃、POI檢索、軌跡追蹤等功能展示。采用高德地圖API的優勢：高德地圖能夠比較輕松的實現智能搜索，導航準確，并且不僅能檢索高德母庫數據，還能檢索自有位置數據，由于充電樁數據不一定已經收錄在高德地圖中，因此可以充分利用高德云圖，將充電樁數據放置在高德云圖中，輕松托管海量位置數據。通過高德地圖SDK、定位SDK、街景SDK、云圖SDK，幫助車主輕松定位導航到合適的充電樁。

手機客戶端軟件依據用戶需求，選用業務邏輯層相應的模塊，業務邏輯層負責業務流程的組織，并調用業務實體層的模塊，通過網關服務器接口（或平臺服務器接口）同網關服務器（或平臺服務器）進行信息交換。該APP具備如下功能：

①查詢功能。用戶可從中獲取充電相關數據。②控制功能。利用控制命令可設置和控制智能充電裝置，比如取消預約、開始充電、停止充電等。③支付功能。系統具有充電結算功能，通過將賬戶和微信、支付寶賬戶綁定，可實現多種方式的智能充電，比如定時、定量、定額等。④狀態顯示功能。手機APP可顯示出智能充電樁的各種狀態，比如已預約、正在使用、故障、空閑等。⑤地圖功能。其具有地圖應用功能，能夠通過地圖及導航查詢充電樁的位置信息。

客戶端具有定電量、定時間、定金額等多種充電服務模式，可實現自動充電，并且在充電期間可手動隨時終止充電。在充電過程中，充電樁的顯示信息包括充電電量、充電時間等；充電結束后，充電樁的顯示信息包括用戶的賬戶余額、消費金額、已充電量、充電時間等信息。

4 數據分析中心管理模塊設計

后臺數據分析中心管理模塊主要功能有車輛基本信息管理、用戶登錄及權限管理、監控參數管理、監控日志管理、故障碼管理等，另外系統每隔一段時間就使用Hadoop平臺對歷史數據進行數據清洗、數據集成、數據變換，處理掉噪聲數據和遺漏值，然后根據處理的情況，預測下一個月充電站的充電的復合制定電價表，然后通過變價表生成控制參處通過通信單元下發至基站。

5 結論

本文探討了基于云平臺的電動汽車智能充電系統的系統結構，分析了車載數據采集系統、手機充電樁預約導航系統、數據分析中心等3個主要單元的組成與功能。該系統通過APP客戶端讓用戶采用手持終端即可實現充電裝置狀態查詢、定位導航，可以查看各個充電網點的使用情況，能夠通過一卡通或者微信完成在線支付功能。數據分析中心可以感應汽車剩余電力，并給出充電建議。

參考文獻：

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