無人值守太陽能充電站設(shè)備管理系統(tǒng)的設(shè)計

(1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，西安 710048；2.中國機械設(shè)備工程股份有限公司(CMEC)，北京 100055)

0 引言

2015年國家發(fā)改委印發(fā)的《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015-2020)》中規(guī)劃，到2020年我國將新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個，以滿足全國500萬輛電動汽車的需求。在這些充電設(shè)施中，太陽能充電站以其綠色無污染、可再生能力強的特點備受各方青睞。預(yù)計到“十三五”期間，我國將基本建成車樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，逐步消除有樁無車和有車無樁的尷尬局面，極大地提升用戶對電動汽車的消費熱情并逐步改善空氣質(zhì)量[1]。而目前，我國太陽能電動汽車充電站分布較少，充電站內(nèi)部的設(shè)備復(fù)雜，其功能和相關(guān)服務(wù)還不夠完善，很難用人工的方式進(jìn)行管理，尤其是站內(nèi)設(shè)備故障管理和運行維護(hù)方面還存在較大的不足之處。以電站設(shè)備中光伏陣列為例，當(dāng)S×P的光伏陣列中有k個光伏組件發(fā)生故障時，記所有可能的故障狀態(tài)數(shù)為，則有：

(1)

不難理解，當(dāng)光伏陣列規(guī)模較大時，其可能出現(xiàn)的總故障狀態(tài)數(shù)量F將非常大，有：

(2)

因此，為了解決此類設(shè)備組件復(fù)雜、故障繁多的問題，滿足將來日益擴(kuò)大的充電市場并提高運營和管理的效率，以精準(zhǔn)化、無人化、智能化為導(dǎo)向，利用移動互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)、快速響應(yīng)二維碼(quick response，QR二維碼)等先進(jìn)信息技術(shù)開發(fā)一種能對故障進(jìn)行追根溯源和實時處理的設(shè)備管理系統(tǒng)就具有重要的意義[2]。

1 二維碼技術(shù)

1.1 QR二維碼簡介

QR二維碼是快速響應(yīng)二維碼的意思，發(fā)明者希望其內(nèi)容能被快速解碼，它原本是為了在汽車制造中便于追蹤零件而設(shè)計的[2]。在我國，QR碼以其高容量、高密度、糾錯能力強大的特點被用于溯源和管理系統(tǒng)中。與其他二維碼相比，QR碼除了識讀速度快還有占用空間小的優(yōu)勢，因此采用QR二維碼作為管理系統(tǒng)使用的二維碼[3]。

1.2 二維碼的應(yīng)用形式

目前，二維碼按編碼原理分為兩大類：堆疊式和矩陣式。按應(yīng)用形式可分為：靜態(tài)碼和動態(tài)碼[4]。

1)靜態(tài)碼主要用于文字信息的編碼，其優(yōu)勢在于即便移動終端沒有聯(lián)網(wǎng)也可以對二維碼進(jìn)行掃描顯示。在本系統(tǒng)中，電站內(nèi)處于生命周期中報廢階段的設(shè)備將不再是電站管理人員重點維護(hù)的對象，因此可以采用維護(hù)成本相對較低的靜態(tài)二維碼進(jìn)行設(shè)備信息的存儲，如圖1所示。

圖1 靜態(tài)二維碼

2)動態(tài)碼在靜態(tài)碼的基礎(chǔ)上與應(yīng)用平臺進(jìn)行有效結(jié)合，移動終端掃描后直接訪問網(wǎng)址。因此，動態(tài)二維碼的信息承載量得到進(jìn)一步提升，有效增強了識別性，也發(fā)展成數(shù)據(jù)庫訪問的入口。在本系統(tǒng)中，對正處于生命周期中使用階段的設(shè)備，其維護(hù)方式將采用動態(tài)二維碼[5]。

電站設(shè)備按照在全生命周期的時間維度上可以分成3個階段：庫存階段、使用階段、報廢階段。不同階段的設(shè)備在管理上會有不同的特點和需求。充電站設(shè)備產(chǎn)生的信息按照可變性則可以分為2類：

1)固定信息：設(shè)備編號、名稱、型號、電壓和電流參數(shù)等。設(shè)備固定信息非常豐富，考慮到系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，本文只以其中最具代表性的部分信息作為研究內(nèi)容。

2)變動信息：如設(shè)備的故障信息、維修記錄、設(shè)備狀態(tài)。在日常管理和維護(hù)中，這幾類信息都是需要查看的重要內(nèi)容，需要同步記錄、統(tǒng)計、甚至與有關(guān)人員分享。

二維碼雖然具有強大的信息承載能力，但為了設(shè)備的數(shù)據(jù)保密和信息安全，正在使用中的設(shè)備其固定信息存儲在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)維護(hù)使用中設(shè)備時，掃描動態(tài)二維碼可以快捷錄入維修信息并對設(shè)備數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，此時的二維碼起到了人機交互的橋梁作用[5]。當(dāng)需要溯源報廢設(shè)備時，掃描靜態(tài)二維碼后可快速查詢有用信息，此時的二維碼起到了電子標(biāo)簽的作用。具體用法如表1所示。

表1 二維碼的用法

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

設(shè)備管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，站內(nèi)設(shè)備主要由光伏陣列、儲電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、充電樁群組成。管理系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)(ZigBee與GPRS-DTU模塊共同組成)、云服務(wù)器、移動端瀏覽器、Web客戶端組成。云服務(wù)器主要響應(yīng)維修員和站內(nèi)設(shè)備通過GPRS發(fā)來的各種請求信息，并對用戶信息、設(shè)備維護(hù)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲、分析等。移動端的瀏覽器主要用于設(shè)備上二維碼的掃描，依托內(nèi)嵌的HTML5構(gòu)架下的瀏覽器組件隨時通過自適應(yīng)的網(wǎng)頁向云服務(wù)器提交運維表單，對服務(wù)端進(jìn)行訪問。Web客戶端則主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫預(yù)設(shè)信息的錄入，完成系統(tǒng)的初始化和一系列后續(xù)管理工作。

圖2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

在管理電站設(shè)備時，管理人員通過移動端的掃描功能對粘貼在待維護(hù)設(shè)備上的二維碼進(jìn)行掃描，即可進(jìn)入維護(hù)頁面。與使用靜態(tài)二維碼技術(shù)相比，采用動態(tài)二維碼技術(shù)可以實現(xiàn)電站設(shè)備運維信息的快速收集和捕獲。圖3是管理人員對設(shè)備維護(hù)一次的流程，圖4是整個管理系統(tǒng)的工作流程。

圖3 維護(hù)流程圖 圖4 工作流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 云服務(wù)器技術(shù)

云服務(wù)器(elastic compute service， ECS)是一種處理能力高效、可彈性伸縮的計算服務(wù)。本設(shè)計選用新浪云服務(wù)器來搭建一個穩(wěn)定性好、并發(fā)量大的平臺[6]。將會話管理、信息管理、二維碼管理、故障管理抽象成一個通用的服務(wù)平臺，結(jié)合新浪云提供的強大計算能力并采用SpringMVC和SpringData框架技術(shù)來構(gòu)建系統(tǒng)[7]。

3.2 服務(wù)端設(shè)計

系統(tǒng)主要包括客戶層、控制層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)持久化層和數(shù)據(jù)層，通過Spring框架對上述各層以松耦合的方式進(jìn)行了有效組織。在Spring 框架的管理下，無論是Controller對象、Service對象還是DAO對象都能有機地運行[8]。系統(tǒng)的分層設(shè)計架構(gòu)圖以及各層之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 分層架構(gòu)及各層之間的關(guān)系

系統(tǒng)的服務(wù)端設(shè)計最關(guān)鍵的是業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層(Service)實現(xiàn)對系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的實際處理功能。業(yè)務(wù)層首先要設(shè)計Service接口，然后設(shè)計其實現(xiàn)的類，最后利用XML配置文件實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，這樣可以調(diào)用Service接口來處理業(yè)務(wù)[9]。為了提高重復(fù)利用性和獨立性，還封裝了Service的業(yè)務(wù)邏輯。業(yè)務(wù)層的構(gòu)建是一個復(fù)雜的過程，必須要引進(jìn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于設(shè)備信息的動態(tài)記錄，為此，使用云服務(wù)中的MySQL作為數(shù)據(jù)庫。設(shè)備的動態(tài)運維記錄則通過微信客戶端的HTML5瀏覽器的訪問功能寫入數(shù)據(jù)庫[10]。服務(wù)端還構(gòu)建了新的動態(tài)接口用于對各模塊功能的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，并將各模塊信息進(jìn)行單元化設(shè)計。本文針對電站設(shè)備在管理過程中涉及到的數(shù)據(jù)交互對服務(wù)端的業(yè)務(wù)層進(jìn)行了4部分的設(shè)計，如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)層設(shè)計

3.3 移動客戶端設(shè)計

在移動客戶端的構(gòu)建過程中，考慮到維修人員的學(xué)習(xí)成本和企業(yè)的管理成本，結(jié)合微信的簡單易操作、高普及率，高保有量的特點，選擇微信作為客戶端。微信具有獨特的用戶認(rèn)證體系，系統(tǒng)可以直接憑借維修員獨一無二的身份ID賦予其權(quán)限，進(jìn)而查看自己想要的維護(hù)記錄和設(shè)備管理信息等。其次是掃碼和解碼功能，在掃一掃模式下，微信內(nèi)嵌的瀏覽器組件可以對網(wǎng)頁端進(jìn)行識別和訪問，也可以隨時通過網(wǎng)頁將運維信息寫入數(shù)據(jù)庫。移動客戶端的架構(gòu)如圖7所示。

3.4 Web客戶端各模塊及功能實現(xiàn)

整個管理系統(tǒng)以二維碼為核心，維修人員可以使用微信進(jìn)行掃描，實時獲取設(shè)備的動態(tài)信息、并與后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。在整個過程中，服務(wù)端部署的Web應(yīng)用必須滿足系統(tǒng)的各項功能要求，其部分代碼結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 Web應(yīng)用的部分代碼結(jié)構(gòu)圖

分析太陽能充電站設(shè)備管理系統(tǒng)的功能需求，利用eclipse等開發(fā)工具設(shè)計并實現(xiàn)了Web應(yīng)用。其具體功能包括：

1)會話管理：對電站設(shè)備和維修員微信內(nèi)嵌的瀏覽器的請求進(jìn)行響應(yīng)。

2)信息管理：對人員信息進(jìn)行錄入、修改、刪除、保存等操作，比如維修員的工號、姓名、性別、聯(lián)系電話、微信號等。對充電站的固有信息進(jìn)行錄入、修改、刪除、保存等操作。

3)二維碼管理：依據(jù)設(shè)備基本信息表中設(shè)備信息的完整數(shù)據(jù)，二維碼管理模塊可以制作、查看、添加二維碼，實現(xiàn)基本的操作功能。

4)故障管理：能夠?qū)﹄娬局懈黝惓Ｒ娫O(shè)備出現(xiàn)的故障進(jìn)行管理，可以對設(shè)備故障進(jìn)行分類記錄。比如：光伏陣列和蓄電池等部件發(fā)生的故障。

3.4.1 設(shè)備信息管理

充電站中存在大量的設(shè)備，每臺設(shè)備都含有豐富的信息，如果不能對設(shè)備進(jìn)行有意義的分類和定義，設(shè)備的信息化管理根本無從談起[11]。因此，將按設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備價格、設(shè)備采購時的流水號4個維度對電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行編號，如圖9所示。

圖9 設(shè)備編號規(guī)則

站內(nèi)設(shè)備根據(jù)類型分為4類，具體如下：1、光伏設(shè)備，用字母GF表示；2、DC/DC變換器，用字母DC表示；3、儲電設(shè)備，用字母CD表示；4、逆變設(shè)備，用字母NB表示，其中DC/DC變換器和逆變設(shè)備是配電系統(tǒng)關(guān)鍵的組成部分。

按照設(shè)備的狀態(tài)分類、可以分為3類：1、正常運行，用數(shù)字1表示；2、維修當(dāng)中，用數(shù)字2表示；3、徹底報廢，用數(shù)字3表示。

根據(jù)設(shè)備的價格分為三類：A類，1萬元以上的設(shè)備；B類，2千元以上1萬元以下的設(shè)備；C類，2千元以下的設(shè)備。

設(shè)備流水號：時間上設(shè)備采購的先后順序。

3.4.2 設(shè)備基本信息表

系統(tǒng)中主要存在的對象有：設(shè)備、設(shè)備備件、供應(yīng)商、維修員。這些對象間存在著如下的關(guān)系：

1)設(shè)備與設(shè)備備件：多對多的關(guān)系。

2)備件與供應(yīng)商：一對一的關(guān)系，供應(yīng)商與備件：一對多的關(guān)系。

3)維修員與設(shè)備：多對多的關(guān)系。設(shè)備基本信息如表2所示。

表2 設(shè)備基本信息表

3.4.3二維碼管理

在設(shè)備管理中，二維碼對于站內(nèi)設(shè)備和遠(yuǎn)端的管理系統(tǒng)來講具有橋梁一樣的重要作用，尤其是在設(shè)備的運維過程中。系統(tǒng)可以對二維碼進(jìn)行制作、查看、添加等操作，實現(xiàn)對二維碼的統(tǒng)一管理，如圖10所示。

3.4.4 二維碼的生成

二維碼的生成可以在設(shè)備管理系統(tǒng)中直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的QR碼函數(shù)庫(EnQRCode.lib)中的EnQRcode函數(shù)，然后將要編碼的字符串信息傳入二維碼庫函數(shù)[12]。也可以單獨使用二維碼生成器生成設(shè)備基本信息的QR二維碼，其中的糾錯等級可以分為L、M、Q、H四個等級，二維碼的尺寸大小還可以進(jìn)行設(shè)置[13]二維碼生成器如圖11所示，二維碼的生成原理如圖12所示。

圖11 二維碼生成器

圖12 二維碼生成原理

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 ZigBee組網(wǎng)功能測試

實驗需要3個ZigBee無線模塊，3臺計算機和串口調(diào)試助手，如圖13所示。其中一個協(xié)調(diào)器和兩個終端節(jié)點組成以協(xié)調(diào)器節(jié)點為中心的星型網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點通過RS232串行接口連接一臺計算機，然后分別在各自計算機上運行串口調(diào)試軟件。

圖13 ZigBee組網(wǎng)測試圖

ZigBee終端節(jié)點1向協(xié)調(diào)器發(fā)送消息：“This is a message from Node1”，ZigBee終端節(jié)點2向協(xié)調(diào)器發(fā)送消息：“This is a message from Node2”。圖14中，在協(xié)調(diào)器接收區(qū)成功收到了來自終端節(jié)點1和2的數(shù)據(jù)，并在消息頭帶有終端節(jié)點對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，其中FF01代表終端節(jié)點1，F(xiàn)F02代表終端節(jié)點2。實驗結(jié)果證明ZigBee組網(wǎng)成功，能夠滿足充電站內(nèi)實際的通信需求。

圖14 ZigBee測試結(jié)果

4.2 二維碼和Web客戶端測試

對于靜態(tài)碼，維修人員掃描報廢設(shè)備上的二維碼即可識別出設(shè)備的報廢原因和其他信息，方便日后企業(yè)進(jìn)行廢物利用。靜態(tài)二維碼掃描測試后的結(jié)果如圖15所示。

圖15 靜態(tài)二維碼測試結(jié)果

以充電站光伏陣列上出現(xiàn)異物遮擋造成了故障為例。當(dāng)系統(tǒng)的故障管理模塊分析到光伏陣列出現(xiàn)故障時，會啟動消息推動子線程向維修人員推送維修消息，此時，維修人員及時趕到現(xiàn)場并使用微信客戶端對故障設(shè)備進(jìn)行掃描，掃描后的結(jié)果如圖16所示。

當(dāng)此次維修工作結(jié)束之后，Web管理系統(tǒng)會進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新操作，如圖17所示。經(jīng)實驗測試，系統(tǒng)基本達(dá)到了對設(shè)備進(jìn)行高效精準(zhǔn)管理的目的。

5 結(jié)束語

目前，二維碼的廣泛應(yīng)用主要是因為二維碼能夠搭建起線上和線下溝通的橋梁，也為設(shè)備管理中線下設(shè)備快速融入系統(tǒng)提供了更加便捷的途徑。在以二維碼為核心的管理模式下，本系統(tǒng)在設(shè)備故障精準(zhǔn)定位和智能分析上還有進(jìn)一步提高的空間，但在一定程度上消除了以往企業(yè)設(shè)備管理層級分明的弊端并達(dá)到了設(shè)備管理扁平化和透明化的目的[14]。此外，將來還可以借助QR二維碼對設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量安全可追溯化管理，一旦電站中安裝的設(shè)備存在質(zhì)量問題，即可隨時核查，從而達(dá)到生產(chǎn)有記錄、信息可查詢、流向可跟蹤，責(zé)任可追究的管理目的。