基于微信小程序的智能电动自行车充电桩解决方案的研究与设计

黄 永

（福建星网锐捷通讯股份有限公司 福建 福州 350002）

1 引言

随着我国电动自行车数量及规模的激增，随之而来的安全问题也日渐突显。在智能手机与互联网应用成熟的当下，借助微信小程序、二维码、NB-IoT、大数据分析、虚拟化等技术来实现一套智能安全的充电解决方案，在满足用户给电动车充电需求的同时也起到了对电动车安全监控监管的作用，并且通过微信小程序及大数据平台使用户能够感知自己电动车电池使用情况及风险，从而带来更好的体验[1]。

2 系统总体方案

智能充电桩解决方案组网见图1。

图1 智能充电桩解决方案组网

整个智能充电桩解决方案分为：充电桩（包括中继设备与插座终端设备）、微信小程序及微信公众号、智能充电桩平台等3大组成部分。

3 解决方案组成部分介绍

3.1 充电桩

充电桩设备总体包括中继设备、插座终端两个部分。

充电桩中继设备：向上通过NB-IoT模块实现与智能充电桩平台的通信，并使用MQTT实时通信协议实现与平台的低负载高可靠的通信。同时，向下通过CAN总线，实现最大下挂30个插座终端、最高传输距离500 m的插座终端集成与通信，完成平台与插座间通信、管理等承上启下的中继作用。

充电桩插座终端设备：插座终端设备根据型号分为单插座、双插座等类型。插座终端通过CAN总线与充电桩中继完成充电控制信令交互等逻辑，实现插座供电的控制。在此基础上，采集并向平台上报当前充电过程中的供电曲线，为平台实现基于用户、电动车电池状态等大数据分析提供依据。

3.2 微信小程序

微信小程序大致包括：充值、充电、个人中心等模块。微信小程序通过调用微信API接口实现支付与扫码等功能。同时，微信小程序通过MQTT协议与智能充电桩平台进行实时通信。

在微信小程序中，用户通过绑定手机号实现注册。用户通过小程序扫描充电桩插座上的二维码读取对应插座SN序列号，并将序列号、用户等信息通过MQTT协议上报给充电桩平台，平台识别SN并且判断用户的余额信息后将充电请求下发给插座终端对应的中继，中继通过CAN总线将充电请求发给对应的插座，插座终端为对应的插座开始供电并将操作结果原路返回到用户的小程序上，完成充电业务流程，见图2。

图2 微信小程序充电流程

如图3所示，用户还可以在小程序上查看正在进行和过往的充电记录，包括充电时长、消费金额等信息。

图3 微信小程序个人订单界面

3.3 微信公众号

由于微信小程序不具备实时消息推送的功能。因此，用户可选择通过绑定手机号的方式进行注册，将小程序与公众号进行关联。当用户发起充值、充电等操作，以及充电结束后订单结算等结果，平台通过微信公众号推送给客户，以此完善用户操作结果的感知体验。

3.4 智能充电桩平台

3.4.1 平台架构与技术

智能充电桩平台采用分布式微服务架构，运用Spring Cloud微服务架构将模块细分为微服务。同时，还引入了ZooKeeper注册中心、RocketMQ消息队列服务组件、FastDFS分布式文件系统、Nginx以及MySQL和Rediss两种数据库等第三方组件，组成完整的微服务集群部署解决方案[2]。

智能充电桩整合充电桩业务相关服务，共分为设备管理与业务处理两大块。设备管理由ACS设备接入服务、NE设备管理服务两种服务集群，主要实现与设备的通信与控制的逻辑。业务处理由ACS小程序接入服务、BZ业务管理服务、PAY支付平台对接服务等三种服务集群，主要实现企业、代理商、物业/项目的层级关系、分成设置、用户管理、订单报表与结算等一系列业务逻辑，并完成与第三方支付平台的对接。然后，还有一个Web服务集群，提供运营商、代理商、物业等3种类型管理员的登录与管理。

所有服务及其集群实例向ZooKeeper注册中心发布自己的API，并订阅自己模块所需要的相关接口，ZooKeeper定期更新并发布相关API接口列表给订阅者，以此实现服务间透明化RPC调用。另外，服务集群间异步通信使用RocketMQ发布与订阅Topic来完成，以此实现一些非实时处理的功能。整个平台的文件管理采用分布式FastDFS进行存储，这样可以充分利用所有服务器的存储空间并可无缝扩容并保证可靠性。平台的数据库采用MySQL，并且Redis作为缓存数据库共享服务间的数据[3]。

整个平台的组件，包括数据库、消息队列等均采用主备形式进行部署，确保平台高可用性。而平台自身服务在相关组件故障时也会自动进行主备切换，保证业务不受影响。

由于采用的是微服务框架，并且使用了服务无状态化方式实现，因此每个服务均可以根据业务需要进行动态扩容或调整而不影响原有业务，即不停机更新。另外，平台采用docker虚拟化技术实现镜像与容器，配以自主研发的运维管理系统，可对平台进行实时监控和动态部署和调整，极大地提高平台运行稳定性和扩容调整的便捷性。

3.4.2 平台功能

智能充电桩平台分为系统管理、平台监控、设备管理与业务管理4大部分。

系统管理，包括用户与用户组管理、平台参数配置等功能。管理员可以在系统管理中设置用户组及其权限，将职能权限在此进行体现，然后为相对应的人员创建管理用户，并将其设置到指定的用户组中让其拥有对应的管理权限。平台参数配置，主要针对智能充电桩平台的运行参数进行调整与配置。

平台监控，主要针对平台自身的运行情况进行监控与管理。包括性能监控与告警，平台对自身CPU、内存、磁盘、流量的空闲值进行采集，来判断其是否超过阈值而产生运行告警，提醒运维人员平台可能的异常；操作日志记录，平台记录所有用户在平台的操作日志便于安全审计与操作追踪；运行日志管理，平台自身对运行日志文件进行定期回滚以及提供下载功能，便于有问题时查看运行情况和跟踪。

设备管理是对在网充电桩设备的统一管理与维护，包括中继设备、插座终端、插座的管理与状态显示。平台通过层级抽屉的方式呈现中继设备与插座终端、插座终端与插座的关系，并显示各自的当前状态。平台还负责采集并呈现设备（中继与插座终端）上报的异常告警，以便运维人员能够直观地查看到异常状态及其故障原因。平台能够对设备发起升级、重启、获取运行日志、网络检测、硬件自检、参数配置等操作，便于运维人员远程管理和调试设备。另外，平台还可以订阅指定插座终端的充电功率，当开启此功能时，设备定时采集当前充电的功率并上报给平台。平台收集这些功率数据与订单用户进行关联，以此呈现具体某一用户电动车电池的充电功率曲线，便于分析该用户电池的老化情况和电池充电特性，在此大数据分析的基础上能够将电池情况准确地反馈给客户[4]。

业务管理，包括订单管理、报表管理等模块。订单管理呈现所有用户产生的订单数据，并根据时间、用户、设备SN等各种维度来进行过滤查找，便于平台运营商的账务管理。报表管理分为设备故障情况、订单情况、用户情况，以各种维度来呈现平台运营情况，便于平台运营商的决策分析。例如，用户情况可以呈现各地项目用户活跃度的热力图来分析项目运营情况、可以呈现设备新装设备趋势图来反映各地业务发展趋势。

4 结语

本文借助于目前大众普遍使用的微信小程序、NBIoT、大数据、微服务、虚拟化等技术，提出了从移动应用端到充电桩设备的智能电动自行车充电桩解决方案。用户可以通过扫码、刷卡等方式进行充电消费的同时，平台根据充电过程的充电曲线进行大数据分析用户及其电动车电池的状态，在一定策略下保证充电的安全，解决了日趋突显的电动自行车充电不规范所带来的安全问题。