基于微信小程序的智能電動(dòng)自行車(chē)充電樁解決方案的研究與設(shè)計(jì)

黃 永

（福建星網(wǎng)銳捷通訊股份有限公司 福建 福州 350002）

1 引言

隨著我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)數(shù)量及規(guī)模的激增，隨之而來(lái)的安全問(wèn)題也日漸突顯。在智能手機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成熟的當(dāng)下，借助微信小程序、二維碼、NB-IoT、大數(shù)據(jù)分析、虛擬化等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一套智能安全的充電解決方案，在滿(mǎn)足用戶(hù)給電動(dòng)車(chē)充電需求的同時(shí)也起到了對(duì)電動(dòng)車(chē)安全監(jiān)控監(jiān)管的作用，并且通過(guò)微信小程序及大數(shù)據(jù)平臺(tái)使用戶(hù)能夠感知自己電動(dòng)車(chē)電池使用情況及風(fēng)險(xiǎn)，從而帶來(lái)更好的體驗(yàn)[1]。

2 系統(tǒng)總體方案

智能充電樁解決方案組網(wǎng)見(jiàn)圖1。

圖1 智能充電樁解決方案組網(wǎng)

整個(gè)智能充電樁解決方案分為：充電樁（包括中繼設(shè)備與插座終端設(shè)備）、微信小程序及微信公眾號(hào)、智能充電樁平臺(tái)等3大組成部分。

3 解決方案組成部分介紹

3.1 充電樁

充電樁設(shè)備總體包括中繼設(shè)備、插座終端兩個(gè)部分。

充電樁中繼設(shè)備：向上通過(guò)NB-IoT模塊實(shí)現(xiàn)與智能充電樁平臺(tái)的通信，并使用MQTT實(shí)時(shí)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的低負(fù)載高可靠的通信。同時(shí)，向下通過(guò)CAN總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)最大下掛30個(gè)插座終端、最高傳輸距離500 m的插座終端集成與通信，完成平臺(tái)與插座間通信、管理等承上啟下的中繼作用。

充電樁插座終端設(shè)備：插座終端設(shè)備根據(jù)型號(hào)分為單插座、雙插座等類(lèi)型。插座終端通過(guò)CAN總線(xiàn)與充電樁中繼完成充電控制信令交互等邏輯，實(shí)現(xiàn)插座供電的控制。在此基礎(chǔ)上，采集并向平臺(tái)上報(bào)當(dāng)前充電過(guò)程中的供電曲線(xiàn)，為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于用戶(hù)、電動(dòng)車(chē)電池狀態(tài)等大數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

3.2 微信小程序

微信小程序大致包括：充值、充電、個(gè)人中心等模塊。微信小程序通過(guò)調(diào)用微信API接口實(shí)現(xiàn)支付與掃碼等功能。同時(shí)，微信小程序通過(guò)MQTT協(xié)議與智能充電樁平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

在微信小程序中，用戶(hù)通過(guò)綁定手機(jī)號(hào)實(shí)現(xiàn)注冊(cè)。用戶(hù)通過(guò)小程序掃描充電樁插座上的二維碼讀取對(duì)應(yīng)插座SN序列號(hào)，并將序列號(hào)、用戶(hù)等信息通過(guò)MQTT協(xié)議上報(bào)給充電樁平臺(tái)，平臺(tái)識(shí)別SN并且判斷用戶(hù)的余額信息后將充電請(qǐng)求下發(fā)給插座終端對(duì)應(yīng)的中繼，中繼通過(guò)CAN總線(xiàn)將充電請(qǐng)求發(fā)給對(duì)應(yīng)的插座，插座終端為對(duì)應(yīng)的插座開(kāi)始供電并將操作結(jié)果原路返回到用戶(hù)的小程序上，完成充電業(yè)務(wù)流程，見(jiàn)圖2。

圖2 微信小程序充電流程

如圖3所示，用戶(hù)還可以在小程序上查看正在進(jìn)行和過(guò)往的充電記錄，包括充電時(shí)長(zhǎng)、消費(fèi)金額等信息。

圖3 微信小程序個(gè)人訂單界面

3.3 微信公眾號(hào)

由于微信小程序不具備實(shí)時(shí)消息推送的功能。因此，用戶(hù)可選擇通過(guò)綁定手機(jī)號(hào)的方式進(jìn)行注冊(cè)，將小程序與公眾號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶(hù)發(fā)起充值、充電等操作，以及充電結(jié)束后訂單結(jié)算等結(jié)果，平臺(tái)通過(guò)微信公眾號(hào)推送給客戶(hù)，以此完善用戶(hù)操作結(jié)果的感知體驗(yàn)。

3.4 智能充電樁平臺(tái)

3.4.1 平臺(tái)架構(gòu)與技術(shù)

智能充電樁平臺(tái)采用分布式微服務(wù)架構(gòu)，運(yùn)用Spring Cloud微服務(wù)架構(gòu)將模塊細(xì)分為微服務(wù)。同時(shí)，還引入了ZooKeeper注冊(cè)中心、RocketMQ消息隊(duì)列服務(wù)組件、FastDFS分布式文件系統(tǒng)、Nginx以及MySQL和Rediss兩種數(shù)據(jù)庫(kù)等第三方組件，組成完整的微服務(wù)集群部署解決方案[2]。

智能充電樁整合充電樁業(yè)務(wù)相關(guān)服務(wù)，共分為設(shè)備管理與業(yè)務(wù)處理兩大塊。設(shè)備管理由ACS設(shè)備接入服務(wù)、NE設(shè)備管理服務(wù)兩種服務(wù)集群，主要實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的通信與控制的邏輯。業(yè)務(wù)處理由ACS小程序接入服務(wù)、BZ業(yè)務(wù)管理服務(wù)、PAY支付平臺(tái)對(duì)接服務(wù)等三種服務(wù)集群，主要實(shí)現(xiàn)企業(yè)、代理商、物業(yè)/項(xiàng)目的層級(jí)關(guān)系、分成設(shè)置、用戶(hù)管理、訂單報(bào)表與結(jié)算等一系列業(yè)務(wù)邏輯，并完成與第三方支付平臺(tái)的對(duì)接。然后，還有一個(gè)Web服務(wù)集群，提供運(yùn)營(yíng)商、代理商、物業(yè)等3種類(lèi)型管理員的登錄與管理。

所有服務(wù)及其集群實(shí)例向ZooKeeper注冊(cè)中心發(fā)布自己的API，并訂閱自己模塊所需要的相關(guān)接口，ZooKeeper定期更新并發(fā)布相關(guān)API接口列表給訂閱者，以此實(shí)現(xiàn)服務(wù)間透明化RPC調(diào)用。另外，服務(wù)集群間異步通信使用RocketMQ發(fā)布與訂閱Topic來(lái)完成，以此實(shí)現(xiàn)一些非實(shí)時(shí)處理的功能。整個(gè)平臺(tái)的文件管理采用分布式FastDFS進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣可以充分利用所有服務(wù)器的存儲(chǔ)空間并可無(wú)縫擴(kuò)容并保證可靠性。平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，并且Redis作為緩存數(shù)據(jù)庫(kù)共享服務(wù)間的數(shù)據(jù)[3]。

整個(gè)平臺(tái)的組件，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、消息隊(duì)列等均采用主備形式進(jìn)行部署，確保平臺(tái)高可用性。而平臺(tái)自身服務(wù)在相關(guān)組件故障時(shí)也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行主備切換，保證業(yè)務(wù)不受影響。

由于采用的是微服務(wù)框架，并且使用了服務(wù)無(wú)狀態(tài)化方式實(shí)現(xiàn)，因此每個(gè)服務(wù)均可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)容或調(diào)整而不影響原有業(yè)務(wù)，即不停機(jī)更新。另外，平臺(tái)采用docker虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)鏡像與容器，配以自主研發(fā)的運(yùn)維管理系統(tǒng)，可對(duì)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)部署和調(diào)整，極大地提高平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性和擴(kuò)容調(diào)整的便捷性。

3.4.2 平臺(tái)功能

智能充電樁平臺(tái)分為系統(tǒng)管理、平臺(tái)監(jiān)控、設(shè)備管理與業(yè)務(wù)管理4大部分。

系統(tǒng)管理，包括用戶(hù)與用戶(hù)組管理、平臺(tái)參數(shù)配置等功能。管理員可以在系統(tǒng)管理中設(shè)置用戶(hù)組及其權(quán)限，將職能權(quán)限在此進(jìn)行體現(xiàn)，然后為相對(duì)應(yīng)的人員創(chuàng)建管理用戶(hù)，并將其設(shè)置到指定的用戶(hù)組中讓其擁有對(duì)應(yīng)的管理權(quán)限。平臺(tái)參數(shù)配置，主要針對(duì)智能充電樁平臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與配置。

平臺(tái)監(jiān)控，主要針對(duì)平臺(tái)自身的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控與管理。包括性能監(jiān)控與告警，平臺(tái)對(duì)自身CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、流量的空閑值進(jìn)行采集，來(lái)判斷其是否超過(guò)閾值而產(chǎn)生運(yùn)行告警，提醒運(yùn)維人員平臺(tái)可能的異常；操作日志記錄，平臺(tái)記錄所有用戶(hù)在平臺(tái)的操作日志便于安全審計(jì)與操作追蹤；運(yùn)行日志管理，平臺(tái)自身對(duì)運(yùn)行日志文件進(jìn)行定期回滾以及提供下載功能，便于有問(wèn)題時(shí)查看運(yùn)行情況和跟蹤。

設(shè)備管理是對(duì)在網(wǎng)充電樁設(shè)備的統(tǒng)一管理與維護(hù)，包括中繼設(shè)備、插座終端、插座的管理與狀態(tài)顯示。平臺(tái)通過(guò)層級(jí)抽屜的方式呈現(xiàn)中繼設(shè)備與插座終端、插座終端與插座的關(guān)系，并顯示各自的當(dāng)前狀態(tài)。平臺(tái)還負(fù)責(zé)采集并呈現(xiàn)設(shè)備（中繼與插座終端）上報(bào)的異常告警，以便運(yùn)維人員能夠直觀(guān)地查看到異常狀態(tài)及其故障原因。平臺(tái)能夠?qū)υO(shè)備發(fā)起升級(jí)、重啟、獲取運(yùn)行日志、網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)、硬件自檢、參數(shù)配置等操作，便于運(yùn)維人員遠(yuǎn)程管理和調(diào)試設(shè)備。另外，平臺(tái)還可以訂閱指定插座終端的充電功率，當(dāng)開(kāi)啟此功能時(shí)，設(shè)備定時(shí)采集當(dāng)前充電的功率并上報(bào)給平臺(tái)。平臺(tái)收集這些功率數(shù)據(jù)與訂單用戶(hù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以此呈現(xiàn)具體某一用戶(hù)電動(dòng)車(chē)電池的充電功率曲線(xiàn)，便于分析該用戶(hù)電池的老化情況和電池充電特性，在此大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上能夠?qū)㈦姵厍闆r準(zhǔn)確地反饋給客戶(hù)[4]。

業(yè)務(wù)管理，包括訂單管理、報(bào)表管理等模塊。訂單管理呈現(xiàn)所有用戶(hù)產(chǎn)生的訂單數(shù)據(jù)，并根據(jù)時(shí)間、用戶(hù)、設(shè)備SN等各種維度來(lái)進(jìn)行過(guò)濾查找，便于平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的賬務(wù)管理。報(bào)表管理分為設(shè)備故障情況、訂單情況、用戶(hù)情況，以各種維度來(lái)呈現(xiàn)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)情況，便于平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的決策分析。例如，用戶(hù)情況可以呈現(xiàn)各地項(xiàng)目用戶(hù)活躍度的熱力圖來(lái)分析項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)情況、可以呈現(xiàn)設(shè)備新裝設(shè)備趨勢(shì)圖來(lái)反映各地業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文借助于目前大眾普遍使用的微信小程序、NBIoT、大數(shù)據(jù)、微服務(wù)、虛擬化等技術(shù)，提出了從移動(dòng)應(yīng)用端到充電樁設(shè)備的智能電動(dòng)自行車(chē)充電樁解決方案。用戶(hù)可以通過(guò)掃碼、刷卡等方式進(jìn)行充電消費(fèi)的同時(shí)，平臺(tái)根據(jù)充電過(guò)程的充電曲線(xiàn)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析用戶(hù)及其電動(dòng)車(chē)電池的狀態(tài)，在一定策略下保證充電的安全，解決了日趨突顯的電動(dòng)自行車(chē)充電不規(guī)范所帶來(lái)的安全問(wèn)題。