基于大数据的智慧充电系统与实现

摘要随着社会生产力的发展，新能源正在慢慢代替传统的，不可再生的，逐渐枯竭能源，我国在近些年来一直在出台相应的政策来扶持涉及新能源的项目。新能源汽车在新能源的发展热潮中也得到了迅速的发展，我国也很快的找到了适合本土化的新能源汽车的发展道路。新能源汽车在一定程度上缓解了交通阻塞、环境污染和能源枯竭等等的问题，但由于充电桩基础设施的在城市中、乡镇中、服务器的选址布局规划的问题尚且没有一条清晰的方向，带来充电桩的利用率低、出行高峰期一桩多车等待的情况频繁发生。作为电动汽车的配搭设施充电桩也应该做出提前的规划和布局，应该从这几方面入手：需求预测、市场调研、空间规划、优化选址、智能调度、持续优化、安全可靠，因此设计一款基于大数据技术的智慧充电系统显的尤为重要。本论文设计的系统保证了跨平台的兼容性和简化了用户的繁琐充电步骤，采用简洁的设计理念，同时系统的可扩展性极高，为以后得升级迭代打下了基础。总之本文提出的智慧充电系统为新能源汽车的发展提供了强有力的支持，有望为未来的城市交通或乡镇出行带来更加便捷、高效、安全、环保的充电系统一站式解决方案。关键词：新能源大数据充电系统充电设施系统实现系统设计

ABSTRACTWiththedevelopmentofsocialproductivity,newenergyisslowlyreplacingtraditional,non-renewable,andgraduallyexhaustedenergy,Chinahasbeenissuingcorrespondingpoliciesinrecentyearstosupportprojectsinvolvingnewenergy.Newenergyvehicleshavealsodevelopedrapidlyinthedevelopmentboomofnewenergy,andChinahasquicklyfoundadevelopmentroadsuitableforlocalizationofnewenergyvehicles.Toacertainextent,newenergyvehicleshavealleviatedtheproblemsoftrafficcongestion,environmentalpollutionandenergydepletion,etc.,butthereisnocleardirectionforthelocationlayoutplanningofchargingpileinfrastructureincities,towns,andservers,resultinginlowutilizationofchargingpilesandfrequentoccurrenceofmultiplevehicleswaitingduringpeaktraveltimes.Asamatchingfacilityforelectricvehicles,chargingpilesshouldalsobeplannedandlaidoutinadvance,andshouldstartfromtheseaspects:demandforecasting,marketresearch,spatialplanning,optimallocation,intelligentscheduling,continuousoptimization,safetyandreliability,sothedesignofasmartchargingsystembasedonbigdatatechnologyisparticularlyimportant.Thesystemdesignedinthispaperensurescross-platformcompatibilityandsimplifiesthetediouschargingstepsofusers,adoptssimpledesignconcept,andthesystemhashighscalability,whichlaysafoundationforfutureupgradeiteration.Inshort,theintelligentchargingsystemproposedinthispaperprovidesstrongsupportforthedevelopmentofnewenergyvehicles,andisexpectedtobringamoreconvenient,efficient,safeandenvironmentallyfriendlyone-stopchargingsystemsolutionforfutureurbantransportationortownshiptravel.Keywords:Newenergy;Bigdata;Chargingsystem;Chargingfacility;Systemimplementation;Systemdesign-1-第四章系统概要设计4.1系统流程设计通过合理设计系统流程，可以优化操作顺序和步骤，减少不必要的环节，提高整个系统的运行效率和稳定性。同时为用户提供更好的使用体验。系统流程设计能够确保操作的安全性和稳定性，避免因操作不当或流程缺陷导致系统故障和经济损失，在充电系统中，包括充电过程的安全，防止过充、过放的安全问题。同时良好的系统流程设计使得系统的管理和维护更加便捷。对于充电系统而言，这包括对充电设备的监控、处理充电的异常情况、进行设备维护等等，确保系统安全稳定的运行。4.1.1系统模块设计本系统分为以下几个模块功能模块图如图4.1所示：用户管理模块:用户管理模块主要是对用户的权限、用户钱包账户、用户登录账号进行管理。设备管理模块：充电桩的不同充电枪的充电效率进行管理；充电订单服务模块：订单的成功与失败；充电导航服务模块：为用户提供出附近充电桩的使用情况和距离规划；充电监控服务模块：对充电桩的状态和温度进行监控；充电系统用户管理充电系统用户管理充电监控充电导航订单服务设备管理用户登录用户钱包用户权限快充慢充中充计算距离获取位置订单失败附近充电桩创建订单订单成功状态信息温度告警图4.1系统模块4.1.2扫码充电流程设计由用户在手机APP或小程序扫描二维码开始建立充电连接，进入充电启动倒计时。启动充电指令下发存在一定概率启动失败的情况，此时订单不适合写入数据库中，先推送到消息队列中。等待充电桩的终端接收到启动指令，并返回启动成功确认后，订单才是有效的，此时在写入数据库中。启动成功订单和启动失败订单需要分开存储，方便后期对订单数据的分析，同时也减少了主订单对应的表中的数据量。当一个订单在中途就被中断，就不会有充电结束事件上报，这类订单被归为异常订单，存储到相应的库中，然后进行异常订单处理流程，这种情况采用定时扫描方式，扫描订单表中，超过充电最高时长还没有结束的充电订单（快充三小时，慢充24小时），最后对这些订单进行数据分析，进行上报，交给人工进行审核，具体实现流程图如图4.2所示。是是否否否是是是是是是否是进入系统生成订单启动危险策略停止更换设备用户充值提示用户充电桩状态车辆vin码交流/直流充电订单设备异常车辆异常余额不足待付订单4.1.3充电过程监控设计当在用户使用充电枪进行充电过程中，我们的系统会每隔三十秒向服务器上传数据（温度、湿度、电池型号、电池状态、电表数据等），我们会对上传的数据通过大数据的实时流计算技术对海量数据进行快速运算处理，并反馈给用户以此来提供稳定的充电过程，如果异常数据，就向用户推送告警信息，用户来决定是否继续充电，如果有紧急情况最终情况由系统来断开与汽车的连接，阻止意外发生。充电过程中，系统会实时监测充电消费金额以及账户余额，发现余额不足就跳转充值页面，按照页面所展示的几个固定面值进行充值操作，充值是接入的第三方充值服务，充值完成，跳转到充电页面，重新开启充电，充电完成进行充电消费金额的最终结算，具体实现流程图如图4.3所示。启动成功启动成功危险状态是否充值剩余时长启动充电充电桩充电中告警充值界面剩余时间电压/温度账户余额剩余所需电量上报是是是图4.3充电监控流程图4.1.4充电结束设计充电结束阶段，充电停止指令等下发，设备停止供电，并上报充电结束事件，根据充电结束事件来计算订单的充电时长、使用电量、消费金额、实际付款金额等等，进入订单结算流程，结算完成通知用户订单信息。如果是非正常结束订单，就会进入充电订单异常订单结算流程，结算完成通知用户异常订单信息，具体实现流程图如图4.4所示。停止充电停止充电停止接口停止指令停止充电充电桩充电费用设备状态充电计费充电详情用户图4.4充电结束流程图4.2.1数据库物理结构设计该充电系统的表设计遵循阿里巴巴开发手册设计原则，充分考虑了业务逻辑和数据分离，数据库只作为一个保证ACID事务正确和可靠性的持久化存储系统，尽量减少自定义函数、存储过程、视图和触发器。充分考虑数据的安全设计，数据库管理和使用人员权限分离。主要通过根据业务系统特点进行分库和分表设计，对数据表进行恰当的分区设计和索引策略，并在表中存储一定的数据项冗余，从减少数据库访问次数，增加数据库的并行访问，降低数据库访问的IO瓶颈，减少数据库表的联表查询使用的频繁度，完成数据库的性能设计和优化。充分考虑数据增长模型，采用水平拆分和垂直拆分的模式。主要有一下几张表：充电枪表、管理员表、充电费用规则表、用户车辆绑定表、订单异常表、运营商表、充电进度表、订单成功表，具体表如下所示。表4-1充电枪表设计charging_gun_info字段类型约束字段定义备注id int(11)primaryindex自增ID编号gun_numberchar(1)NOTNULL枪编号gun_namevarchar(10)DEFAULTNULL枪名称字段类型约束字段定义备注powerfloat(9,4)DEFAULTNULL额定功率KW单位：kw electricityfloat(9,4)DEFAULTNULL额定电流Avoltage_upper_limitsfloat(9,4)DEFAULTNULL电压上限Vvoltage_lower_limitsfloat(9,4)DEFAULTNULL电压下限Vgun_typetinyint(1)DEFAULTNULL充电桩IDgun_statustinyint(1)DEFAULTNULL枪状态(1空闲2使用中3故障4离线)create_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP创建时间update_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP更新时间deletedtinyint(4)DEFAULT'0'是否删除表4-2管理员表charging_admin字段类型约束字段定义备注idint(18)primaryindex自增ID编号adminnamevarchar(128)DEFAULT''管理员名称passwordvarchar(128)DEFAULT''管理员密码create_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP创建时间update_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP更新时间deletedtinyint(4)DEFAULT'0'是否删除表4-3充电费用规则表charging_cost_rule字段类型约束字段定义备注idint(11)primaryindex自增ID编号station_idint(11)DEFAULT'0'充电站编号gun_typetinyint(4)DEFAULTNULL设备类型namevarchar(128)DEFAULTNULL计费名称create_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP起始时间update_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP结束时间字段类型约束字段定义备注power_feedecimal(10,2)DEFAULT'0.00'电费service_feedecimal(10,2)DEFAULT'0.00'服务费表4-4用户车辆绑定表charging_user_vehicle_bind字段类型约束字段定义备注idint(11)primaryindex自增ID编号user_idint(11)DEFAULTNULL用户编号vehicle_idint(11)DEFAULTNULL车辆编号statetinyint(4)DEFAULT'0'状态状态(1:绑定0:解绑)create_timevarchar(32)notnull创建时间unbind_timevarchar(32)notnull解绑时间deletedtinyint(4)DEFAULT'0'是否删除表4-5订单异常表charing_bill_exception字段类型约束字段定义备注idint(11)primaryindex自增IDbill_idvarchar(255)DEFAULT''订单编号electricitydecimal(10,0)DEFAULT'0'电源voltagedecimal(10,0)DEFAULT'0'电压temperaturefloatDEFAULT'0'温度bill_starttimetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP订单开始时间create_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP记录创建时间deletedtinyint(1)DEFAULT'0'是否删除表4-6运营商表charging_operator_info字段类型约束字段定义备注idint(10)primaryindex自增IDoperator_numbervarchar(255)NOTNULL运营商编号operator_namevarchar(255)DEFAULTNULL运营商名称businessvarchar(255)DEFAULTNULL经营业务字段类型约束字段定义备注phonevarchar(11)DEFAULTNULL联系方式addressvarchar(255)DEFAULTNULL地址create_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP创建时间unbind_timetimestampDEFAULTNULL解绑时间表4-7充电进度表charging_bill_progress字段类型约束字段定义备注idint(18)primaryindex自增ID编号bill_idvarchar(255)NOTNULL订单号charging_capacityfloatDEFAULT'0'充电量kwhbattery_temperaturefloat(9,4)DEFAULT'0.0000'电池温度create_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP创建时间total_capacityfloatDEFAULT'000000000000'总电量update_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP更新时间deletedtinyint(4)DEFAULT'0'是否删除表4-8订单成功表charging_bill_succes字段类型约束字段定义备注idint(18)primaryindex自增ID编号bill_idvarchar(255)NOTNULL订单号charging_capacityint(3)DEFAULTNULL充电量kwhelectric_moneydecimal(8,3)DEFAULTNULL电费service_moneydecimal(8,3)DEFAULTNULL服务费charging_durationint(11)DEFAULTNULL充电时长user_idint(11)DEFAULTNULL用户IDoperator_idint(11)DEFAULTNULL运营商IDstation_idint(11)DEFAULTNULL场站IDgun_idint(11)DEFAULTNULL车牌号vehicle_idint(11)DEFAULTNULL车辆编号charging_start_timedatetimeDEFAULTNULL充电开始时间charging_end_timedatetimeDEFAULTNULL充电结束时间bill_statustinyint(4)DEFAULTNULL订单状态1充电中2正常3异常4欠费pay_amountdecimal(8,3)DEFAULTNULL支付金额字段类型约束字段定义备注pay_timedatetimeDEFAULTNULL支付时间pay_channeltinyint(4)DEFAULTNULL支付渠道update_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP更新时间deletedtinyint(4)DEFAULT'0'是否删除reate_timetimestampDEFAULTCURRENT_TIMESTAMP订单创建时间4.2.2充电系统E-R图设计充电系统启动充电主要是对充电枪状态的获取（电压、电流等），查看充电是否可以正常进行，如图4.5所示。启动事件启动事件开始时间采样时间SOC电流电压金额时段电量服务费电价设备状态订单状态图4.5启动充电系统E-R图本系统的计费采用的方法是，电价由运营商在后台进行配置，电价按照尖峰平谷四种电价，电价浮动范围在各地政府规定的最低和最高价格区间中进行定义，每天24小时可以分为最多48个时段，每个时段的电价由四种电价中选择；如果由优惠活动，可以根据领取优惠，在充电完成的结算阶段计算（实付金额=sum（（时段电量*时段电价）+时段服务费）-优惠金额），具体的计费模型，如图4.6所示。计费模型计费模型时段配置时段ID模型ID运营商状态通信协议模型名称计费模式模型ID开始时间结束时间ID时段值时段名图4.6充电系统计费E-R图4.3概念模型设计充电订单实体是各个基础实体通过泛化构造出来的超类实体，充电订单实体概念图，具体如图4.7所示。充电订单充电订单充电车辆充电会员充电电量充电设备运营商充电时间计价方式订单来源订单状态充电费用支付费用优惠卷充电时长图4.7订单实体概念图充电车辆实体（注册车辆信息的基本档案），如图4.8所示。新能源车辆新能源车辆车辆牌照车辆产地车辆型号车辆类别车辆名称vin码电池系统主机厂图4.8充电车辆实体概念图4.3.1非关系型数据库设计该系统首先用户授权手机程序获取用户的位置，手机程序把用户的位置发送给后端服务器，后端服务器使用RedisGEO功能计算用户附近的充电站，redis返回附近充电站的距离，经度，纬度，充电站编号，在用充电站编号从redis中查找充电站详细信息。服务器返回手机的是一个集合，集合包含多个充电站，每个充电站有名称、举例、费用等信息。Redis中的key为stationGeoZset（类型是zset）,value是对应充电站的经纬度，充电站名称重复会把名称改为对应的ID。第五章系统的实现5.1系统后台功能的实现5.1.1后台管理系统该系统的后台管理系统是由运营商和管理员都可以登录的，首先填写管理员账号信息和验证码，界面如图5.1所示，点击“登录”按钮即可进入系统，若输入的用户名或密码不正确，则登录不成功。图5.1后台管理系统登录界面后台管理界面采用简洁明了的设计，主要功能有系统管理、系统监控、系统工具、管理这四大模块，其中充电管理下面有设备管理、计费管理、用户管理、订单管理，其中充电场站可以对充电站进行新增、删除和修改等功能，界面如图5.2所示。图5.2后台管理系统主页面管理员在对应的管理页面可以对用户、充电桩、充电站进行增加、修改和删除操作。界面如图5.3所示。由前端发送一个对应的请求，后端通过SpringMVC框架找到对应的Controller类接收并处理该请求。图5.3充电桩增加页面管理员还可以通过后台管理系统查看成功订单、失败订单、异常订单，如图5.4所示。图5.4后台管理系统查看界面该块功能主要代码： publicclassChargingAdminControllerextendsBaseController{@AutowiredprivateIChargingAdminServicechargingAdminService;@PreAuthorize("@ss.hasPermi('charge:admin:list')")@GetMapping("/list")publicTableDataInfolist(ChargingAdminchargingAdmin){startPage();List<ChargingAdmin>list=chargingAdminService.selectChargingAdminList(chargingAdmin);returngetDataTable(list);}@PreAuthorize("@ss.hasPermi('charge:admin:query')")@GetMapping(value="/{id}")publicAjaxResultgetInfo(@PathVariable("id")Longid){returnAjaxResult.success(chargingAdminService.selectChargingAdminById(id));}@PreAuthorize("@ss.hasPermi('charge:admin:add')")@Log(title="管理员",businessType=BusinessType.INSERT)@PostMappingpublicAjaxResultadd(@RequestBodyChargingAdminchargingAdmin){returntoAjax(chargingAdminService.insertChargingAdmin(chargingAdmin));}}管理员对应的接口： publicinterfaceIChargingAdminService{publicChargingAdminselectChargingAdminById(Longid);publicList<ChargingAdmin>selectChargingAdminList(ChargingAdminchargingAdmin);publicintinsertChargingAdmin(ChargingAdminchargingAdmin);publicintupdateChargingAdmin(ChargingAdminchargingAdmin);publicintdeleteChargingAdminByIds(Long[]ids);publicintdeleteChargingAdminById(Longid);}5.1.2前端界面实现充电系统前端是由Vue+uni-app+HBuilderX开发实现的，优点是可以多端适配（手机端、PC端）不需要编写大量的重复代码，缩短系统开发周期，同时也加快了应用程序的上市时间，UniApp采用了多种性能优化技术，如缓存管理和数据预加载等技术，这有助于大幅度提升应用程序的性能，使其在运行过程中更加流畅和快速的向用户提出反馈。同时，Vue和UniApp都有庞大的社区在背后支持。开发者可以在开发者社区中找到大量的文档和教学视频等，这有助于帮助开发者在开发中遇到的种种问题，同时也能从其他开发者的经验中学习到更多的知识和技巧。Vue和UniApp的结合使得前端应用更易于扩展和维护，Vue的组件化开发模式使得代码更加模块化，易于理解和管理。而UniApp的跨平台特征使得应用在不同平台上的表现更加一直，减少了维护成本。相关代码实现截图如下图5.1、5.2所示。图5.1附近充电桩图图5.2扫码充电界面充电系统可以在“我的”页面中选择“车辆认证”，可以给充电的车选择品牌、型号并添加车牌号、发动机号、车辆识别代码等信息认证该车辆，如图5.3所示。图5.3绑定车辆信息界面在主页中可以看见所有充电站的列表，方便用户查看所有充电桩位置信息，如图5.4所示。图5.4附近充电站列表下面是充电站详情界面，本系统以创建一个简洁开发页面为最终目标的系统，让所有人都能快速使用本系统。虽然简洁但是功能集成、用户体验、界面设计都是十分完备的，如图5.5、5.6所示。图5.5充电站界面图5.6充电站筛选界面5.2.1充电系统的后台实现充电系统的后台主要用到的框架和技术有SpringBoot、Redis、MariDB、SpringCloud、消息队列、ElasticSerach、Canal、Flink、Mybatis等。微服务使用的是SpringCloud和Feign,原因是SpringCloud是由国内阿里提供的一套基于微服务一站式解决方案，该框架特别全面不需要过多的配置和复杂的学习便可以快速上手，但远程调用使用的是OpenFeign,它相比于阿里的Dubbo有着以下几种优点：OpenFeign可以跨语言，不仅仅局限于Java，但是Dubbo要求微服务的提供者和消费者都用Java编写业务代码。这点大大降低了充电系统的以后的升级和迭代。OpenFeign是基于HTTP请求的，有请求行和请求头，而Dubbo是基于RPC，没有请求行和请求头，OpenFeign更加符合我们的业务场景需求。并且我们在监控充电桩的状态时需要的是长连接，Dubbo因此不是我们最好的选择。微服务的搭建：通过添加对应版本的Maven依赖项（Nacos、SpringCloud、OpenFeign），并写入相应的配置，部分源码：依赖项：<dependency><grouId>org.springframework.cloud</groupId><artifactId>spring-cloud-starter-loadbalancer</artifactId></dependency>//user微服务通过UserParam接收参数//bill微服务通过UserParam传数据给user微服务publicclassUserParam{StringuserId;PublicStringgetUserId(){ReturnuserId;}publicvoidsetUserId(StringuserId){this.userId=userId;}}service-user实现微服务，部分代码：@RestControllerpublicclassUserController{//feign在调用微服务时，用json传数据，提供用json收数据@PostMapping(“getVehicle”)publicStringgetVehicle(@RequestBodyUserParamuserParam){Return“用户”+userParam.getUserId()+”车牌是京A00000”;}}微服务消费者不分代码：@FeignClient(“service-user”)//bill脸上nacos，通过service-user从nacos中能得到用户微服务的ipprotpublicinterfaceUserServiceClient{//从用户微服务拷贝UserParam和controller中的方法定义@PostMapping(“getVehicle”)publicStringgetVehicle(@RequestBodyUserParamuserParam);}Controller层代码：@RestControllerpubliclassBillController{@AutowiredUserServiceClientuserServiceClient;publicStringcreateBill(){UserParamuserParam=newUserParam();userParam.setUserId(“2306”);ReturnuserServiceClient.getVehicle(userParam);}}上面就是该系统实现微服务的部分主要代码，该系统主要是为了应对大的流量和大的数据量冲击进来，所以采用微服务，微服务对后期系统的升级和迭代提供了巨大的便利。微服务已经成为目前系统设计的主流，目前随着5G时代带来的巨大的带宽，服务器也受到了巨大的流量冲击，为了给用户提供更好的服务，增加系统的容灾性微服务时必不可少的。在大数据的情况下，数据同步就显得尤为重要，充电系统的数据同步使用的是Canal，Canal是Alibaba旗下的一款开源项目，使用纯Java开发，它是基于数据库增量日志解析，提供增量数据订阅和消费的功能。Canal主要用于MySQL数据库的增量日志信息解析，以捕获数据库的变更数据，并把这些变更数据传递其它系统。Canal的工作原理依赖于主从复制原理，通过解析数据库的二进制日志（binarylog）来实现数据的增量同步。主要使用场景包括：数据同步：如在线、离线数据库之间进行数据同步操作。数据消费：例如根据关注的数据库的变化，进行搜索增量。数据脱敏：如将线上动态数据导入其他地方，进行数据脱敏处理。总的来说，Canal是一个功能强大且灵活的开源项目，可以广泛应用于各种数据同步场景。本系统有四个微服务和一个网关，后台系统较为完善可以面对任何复杂的场景，还可横向、纵向扩展。5.2.2充电系统监控实现主要监控用户的请求执行的时间，cpu、内存、磁盘使用率等相关数值。本系统是使用Prometheus实现的手机和监控充电系统的相关信息，Prometheus是一套开源的系统监控和报警框架，启发于Google的borgmon监控系统，主要特点包括：多维度数据模型、高效的存储结构、支持多种模式支持。部分代码如下所示：依赖项：<dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-actuator</artifactId></dependency><dependency> <groupId>io.micrometer</groupId> <artifactId>micrometer-registry-prometheus</artifactId></dependency>修改perties配置类management.endpoints.web.exposure.include=*management.metrics.tags.application=mallController类代码：@RestControllerpublicclassUserController{@RequestMapping("/user/selectAll")publicStringselectAll(){return"selectAll";}}充电系统监控关系为：由端口为8080的服务器启动prometheus客户端和在业务代码中配置SpringBoot依赖项，端口9090的服务器部署Prometheus服务器，由9090服务器向8080服务器请求监控信息，8080返回信息，9090服务器获取到数据对数据进行统计、分析和监控我们只需访问9090这台服务即可看见Prometheus的相关监控信息和相应的图表。第六章系统测试6.16.1.1登录界面的测试充电系统的后台管理系统登录界面是第一个测试的目标，也是管理员进入该管理系统的唯一路径，如果管理员输入的用户名、密码或验证码有一个不正确则无法进入系统。管理系统的初始用户名是admin，密码是admin123，管理员的账号和密码由公司的超级管理员统一发放，不能自行更改账户和密码，输