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摘 要：目前高校校园内充电桩普遍存在分布位置标识不明确、管理混乱等问题，因此导致学生为充电而违规扯线，为校园安全埋下了极大的隐患。针对以上情况本文利用我国自主研发的北斗高精度定位与导航功能，结合地理围栏算法，设计了基于北斗的校园智能充电桩管理系统。
关键词：北斗；智能充电管理系统；地理围栏
一、引言：
北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要而自主建设、独立运行的卫星导航系统[1]。目前，随着电力能源的推广与普及，基于北斗的电动车、电动汽车充电桩系统也涌现出了不少成果，但高校充电桩管理方面的成果还比较少且功能较单一[2-4]。本文使用北斗定位导航系统，结合地理围栏算法设计了校园智能充电桩管理系统，以期能够合理高效地利用校园充电桩资源。
二、系统总体框架：
本系统的总体框架包括：北斗模块、单片机模块、4G通信模块为工程模块，此外还有数据库系统、APP客户端及云服务端三个部分。
1.北斗模块
在北斗定位导航系统中，定位、导航和通信等功能都是通过用户终端应用软件的协助来实现的[5]。
1.1 北斗手持定位终端
ATK1218-BD北斗定位模块为APP客户端提供当前充电桩位置信息，并与单片机链接，通过4G通信模块向云端传输精确坐标及当前时间。其中坐标信息用于路径规划及地理围栏算法；时间信息则用于手持终端工作系统校时，方便动态了解各个充电桩空位情况。
1.2 位置、轨迹及路径导航显示
地物目标的位置、移动轨迹、路径的显示及“地理围栏”的绘制都需要数字地图的支持。本文引入高德地图API来提供地理基础底图，从而实现基于数字地图的显示、查询和路径规划等功能。本系统中需要另建立四个地图服务图层：位置图层、轨迹图层、路径导航图层、“地理围栏”图层。
2.数据库系统
数据库被用以实现空位查询、预约等功能。数据库作为系统服务的后台，用来存储充电桩的基本使用及预约信息。
3.地理围栏
地理围栏是LBS（基于位置服务）的一种新应用：用虚拟的栅栏围出一个虚拟地理边界，当手机进入、离开特定地理区域或在区域内活动时，手机可以接收相应的通知或警告[6]。
在本系统中，将“地理围栏”设置为一个圆形边界，以充电桩为圆心。考虑到电动车车身与电线的长度，将半径设为2.5m。
3.1地理围栏算法
假设指定围栏中心点的坐标为（x0，y0），地理围栏半径为r，通过手持终端的北斗定位模块实时传送用户位置坐标为（x1，y1）。
由式（3-2）可求出手持终端与围栏中心点的距离d。
（3-1）
设置地理围栏触发事件：d-r≤0。
事件 1： d-r≤0时，用户已到达指定的地理围栏。
事件 2： d-r>0时，用户在地理围栏外部。
3.2地理围栏应用
通过公式（3-1）计算用户手持终端与目标充电桩的实际距离差，判断用户是否发生触发事件（进/出围栏），然后根据不同情况向用户发送通知或警报信息。
（1）充电正常结束，向用户发送“充电结束”通知消息，系统自动结算费用，同时接口解除占用状态。若用户未能将车及时推走，其他用户只要看到系统中接口状态为可用，便可拔掉接口，此时系统不会发送任何通知信息。
（2）充电过程中出现断电现象，此时计费停止，通过地理围栏判断用户手持终端与充电桩的位置，有以下三种情况：
①用户手持终端未出围栏，即未触发围栏事件：
指定接口保持占用状态，并向用户发送“已断电，请确认是否本人操作”的通知信息。若选择“是”或30s内不选择，发送“充电结束”通知，自动结算费用，并解除接口占用状态。
若选择“否”，保持占用状态25min，期间不允许其他用户使用该接口。若用户在指定时间内到达并继续充电，计费继续。25min内未重新接通，则充电结束，向用户发送“充电结束”通知消息，自动结算当前充电费用，并解除接口占用狀态。
②用户手持终端出围栏，且在围栏外时：
向用户发送“充电停止”警报信息并通知用户在25min内到达该充电桩继续充电。
该接口保持占用状态25min，期间不允许其他用户使用该接口。若用户在指定时间内到达并继续充电，计费继续。25min内未重新接通，则充电结束，向用户发送“充电结束”通知消息，自动结算费用，并解除接口占用状态。
③用户手持终端出围栏后，再次进入围栏：
向用户发送“是否本人操作”的信息，选择“是”或30s内不选择，发送“充电结束”通知，自动结算费用，向用户发送充电完成的信息，并解除接口占用状态。
若选择“否”，保持占用状态25min，期间不允许其他用户使用该接口。若用户在指定时间内到达并继续充电，计费继续。25min内未重新接通，则充电结束，向用户发送“充电结束”通知消息，自动结算当前充电费用，并解除接口占用状态。
4、APP客户端：
APP客户端含注册登录、空位查询与预约、充电与断电通知、计费结算四大功能。
（1）注册登录
用户注册后，选择微信、QQ、微博或短信验证码任一方式登录并完善个人信息，同时用户可在账户中预存一定费用。
（2）空位查询与预约
空位查询：用户可查询附近可用充电桩接口。
空位预约：对于可用充电桩接口进行预约，考虑到各高校平均占地面积、学生用电习惯及区域信号机用户设备问题，预约时间设定为25min，期间可取消预约。不同高校可设定不同预约时间。 （3）充电及断电通知
充电时间选择：用户到达指定充电桩后扫描二维码，确定预约接口，选择充电时间（2h、4h、6h、8h）。
断电通知：当检测到断电信息时，判断是否为本人操作，向用户发送不同通知消息。
（4）计费结算
实时查看充电信息：服务器将充电剩余时间实时发送到APP客户端。
实时计费：用户开始充电后，按分钟计费。当充电结束（或提前中断）则计费停止，系统自动结算本次费用。用户可在APP内预存充电费用，也可绑定其他支付手段。
5、云服务端：
云服务器是面向各类互联网用户提供综合业务能力的服务平台[7]，它的出現构建了一种全新计算机数据储存架构。本系统中云服务端主要用于对手机APP客户端和充电桩设备上传数据进行存储、分析和处理，然后客户端通过4G网络通信向云端发出请求，以获取所需信息。
三、结语
基于北斗的校园智能充电桩系统使得用户能够方便快捷地完成充电桩查询、预约、支付等功能；此外该系统还能够灵活判断恶意断电现象的发生并加以遏制，不仅为同学们提供了极大地便利，也进一步加强了校园文明建设。
参考文献：
[1] 张楷时，焦文海，李建文.北斗三号MEO组网卫星数据质量评估[J].测绘科学技术学报，2018（03）：265-269.
[2]刘水，蔡文，周奇等.基于无线通信技术的电动汽车智能充电管理系统[J].电测与仪表，2018（s1）：90-93.
[3]蔡培伦，张珣.基于云计算的智能充电桩管理系统的研究[J].物联网技术，2016（12）：52-56.
[4]魏青.浅析电动汽车充电桩建设[J].中国设备工程，2018（17）：96-97.
[5]白如玉.基于北斗_GPS双模卫星的搜寻定位系统设计[D].山西省：中北大学，2016.
[6]鞠明山.地理围栏技术发展现状及网络信息安全问题探究[J].江西通信科技，2018（03）：39-41.
[7]张震宇，李云红，李欢.基于4G通信的智能充电桩远程控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2018（8）：52-53.
作者简介：
常云蕾（1997.5.19）女，汉族，河南省焦作市，本科生，研究方向：地理信息科学专业
胡铮铮（1997.6.20）女，汉族，河南省南阳市，本科生，研究方向：地理信息科学专业
仝雪琳（1998.12.28）女，汉族，河南省滑县，本科生，研究方向：地理信息科学专业
关键词：北斗；智能充电管理系统；地理围栏
一、引言：
北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要而自主建设、独立运行的卫星导航系统[1]。目前，随着电力能源的推广与普及，基于北斗的电动车、电动汽车充电桩系统也涌现出了不少成果，但高校充电桩管理方面的成果还比较少且功能较单一[2-4]。本文使用北斗定位导航系统，结合地理围栏算法设计了校园智能充电桩管理系统，以期能够合理高效地利用校园充电桩资源。
二、系统总体框架：
本系统的总体框架包括：北斗模块、单片机模块、4G通信模块为工程模块，此外还有数据库系统、APP客户端及云服务端三个部分。
1.北斗模块
在北斗定位导航系统中，定位、导航和通信等功能都是通过用户终端应用软件的协助来实现的[5]。
1.1 北斗手持定位终端
ATK1218-BD北斗定位模块为APP客户端提供当前充电桩位置信息，并与单片机链接，通过4G通信模块向云端传输精确坐标及当前时间。其中坐标信息用于路径规划及地理围栏算法；时间信息则用于手持终端工作系统校时，方便动态了解各个充电桩空位情况。
1.2 位置、轨迹及路径导航显示
地物目标的位置、移动轨迹、路径的显示及“地理围栏”的绘制都需要数字地图的支持。本文引入高德地图API来提供地理基础底图，从而实现基于数字地图的显示、查询和路径规划等功能。本系统中需要另建立四个地图服务图层：位置图层、轨迹图层、路径导航图层、“地理围栏”图层。
2.数据库系统
数据库被用以实现空位查询、预约等功能。数据库作为系统服务的后台，用来存储充电桩的基本使用及预约信息。
3.地理围栏
地理围栏是LBS（基于位置服务）的一种新应用：用虚拟的栅栏围出一个虚拟地理边界，当手机进入、离开特定地理区域或在区域内活动时，手机可以接收相应的通知或警告[6]。
在本系统中，将“地理围栏”设置为一个圆形边界，以充电桩为圆心。考虑到电动车车身与电线的长度，将半径设为2.5m。
3.1地理围栏算法
假设指定围栏中心点的坐标为（x0，y0），地理围栏半径为r，通过手持终端的北斗定位模块实时传送用户位置坐标为（x1，y1）。
由式（3-2）可求出手持终端与围栏中心点的距离d。
（3-1）
设置地理围栏触发事件：d-r≤0。
事件 1： d-r≤0时，用户已到达指定的地理围栏。
事件 2： d-r>0时，用户在地理围栏外部。
3.2地理围栏应用
通过公式（3-1）计算用户手持终端与目标充电桩的实际距离差，判断用户是否发生触发事件（进/出围栏），然后根据不同情况向用户发送通知或警报信息。
（1）充电正常结束，向用户发送“充电结束”通知消息，系统自动结算费用，同时接口解除占用状态。若用户未能将车及时推走，其他用户只要看到系统中接口状态为可用，便可拔掉接口，此时系统不会发送任何通知信息。
（2）充电过程中出现断电现象，此时计费停止，通过地理围栏判断用户手持终端与充电桩的位置，有以下三种情况：
①用户手持终端未出围栏，即未触发围栏事件：
指定接口保持占用状态，并向用户发送“已断电，请确认是否本人操作”的通知信息。若选择“是”或30s内不选择，发送“充电结束”通知，自动结算费用，并解除接口占用状态。
若选择“否”，保持占用状态25min，期间不允许其他用户使用该接口。若用户在指定时间内到达并继续充电，计费继续。25min内未重新接通，则充电结束，向用户发送“充电结束”通知消息，自动结算当前充电费用，并解除接口占用狀态。
②用户手持终端出围栏，且在围栏外时：
向用户发送“充电停止”警报信息并通知用户在25min内到达该充电桩继续充电。
该接口保持占用状态25min，期间不允许其他用户使用该接口。若用户在指定时间内到达并继续充电，计费继续。25min内未重新接通，则充电结束，向用户发送“充电结束”通知消息，自动结算费用，并解除接口占用状态。
③用户手持终端出围栏后，再次进入围栏：
向用户发送“是否本人操作”的信息，选择“是”或30s内不选择，发送“充电结束”通知，自动结算费用，向用户发送充电完成的信息，并解除接口占用状态。
若选择“否”，保持占用状态25min，期间不允许其他用户使用该接口。若用户在指定时间内到达并继续充电，计费继续。25min内未重新接通，则充电结束，向用户发送“充电结束”通知消息，自动结算当前充电费用，并解除接口占用状态。
4、APP客户端：
APP客户端含注册登录、空位查询与预约、充电与断电通知、计费结算四大功能。
（1）注册登录
用户注册后，选择微信、QQ、微博或短信验证码任一方式登录并完善个人信息，同时用户可在账户中预存一定费用。
（2）空位查询与预约
空位查询：用户可查询附近可用充电桩接口。
空位预约：对于可用充电桩接口进行预约，考虑到各高校平均占地面积、学生用电习惯及区域信号机用户设备问题，预约时间设定为25min，期间可取消预约。不同高校可设定不同预约时间。 （3）充电及断电通知
充电时间选择：用户到达指定充电桩后扫描二维码，确定预约接口，选择充电时间（2h、4h、6h、8h）。
断电通知：当检测到断电信息时，判断是否为本人操作，向用户发送不同通知消息。
（4）计费结算
实时查看充电信息：服务器将充电剩余时间实时发送到APP客户端。
实时计费：用户开始充电后，按分钟计费。当充电结束（或提前中断）则计费停止，系统自动结算本次费用。用户可在APP内预存充电费用，也可绑定其他支付手段。
5、云服务端：
云服务器是面向各类互联网用户提供综合业务能力的服务平台[7]，它的出現构建了一种全新计算机数据储存架构。本系统中云服务端主要用于对手机APP客户端和充电桩设备上传数据进行存储、分析和处理，然后客户端通过4G网络通信向云端发出请求，以获取所需信息。
三、结语
基于北斗的校园智能充电桩系统使得用户能够方便快捷地完成充电桩查询、预约、支付等功能；此外该系统还能够灵活判断恶意断电现象的发生并加以遏制，不仅为同学们提供了极大地便利，也进一步加强了校园文明建设。
参考文献：
[1] 张楷时，焦文海，李建文.北斗三号MEO组网卫星数据质量评估[J].测绘科学技术学报，2018（03）：265-269.
[2]刘水，蔡文，周奇等.基于无线通信技术的电动汽车智能充电管理系统[J].电测与仪表，2018（s1）：90-93.
[3]蔡培伦，张珣.基于云计算的智能充电桩管理系统的研究[J].物联网技术，2016（12）：52-56.
[4]魏青.浅析电动汽车充电桩建设[J].中国设备工程，2018（17）：96-97.
[5]白如玉.基于北斗_GPS双模卫星的搜寻定位系统设计[D].山西省：中北大学，2016.
[6]鞠明山.地理围栏技术发展现状及网络信息安全问题探究[J].江西通信科技，2018（03）：39-41.
[7]张震宇，李云红，李欢.基于4G通信的智能充电桩远程控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2018（8）：52-53.
作者简介：
常云蕾（1997.5.19）女，汉族，河南省焦作市，本科生，研究方向：地理信息科学专业
胡铮铮（1997.6.20）女，汉族，河南省南阳市，本科生，研究方向：地理信息科学专业
仝雪琳（1998.12.28）女，汉族，河南省滑县，本科生，研究方向：地理信息科学专业