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

0 引言

2015年國(guó)家發(fā)改委印發(fā)的《電動(dòng)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(guó)將新增集中式充換電站超過(guò)1.2萬(wàn)座，分散式充電樁超過(guò)480萬(wàn)個(gè)，以滿足全國(guó)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車的需求。在這些充電設(shè)施中，太陽(yáng)能充電站以其綠色無(wú)污染、可再生能力強(qiáng)的特點(diǎn)備受各方青睞。預(yù)計(jì)到“十三五”期間，我國(guó)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(wú)車和有車無(wú)樁的尷尬局面，極大地提升用戶對(duì)電動(dòng)汽車的消費(fèi)熱情并逐步改善空氣質(zhì)量[1]。而目前，我國(guó)太陽(yáng)能電動(dòng)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(yùn)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(gè)光伏組件發(fā)生故障時(shí)，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(shí)，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(wèn)題，滿足將來(lái)日益擴(kuò)大的充電市場(chǎng)并提高運(yùn)營(yíng)和管理的效率，以精準(zhǔn)化、無(wú)人化、智能化為導(dǎo)向，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)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(kāi)發(fā)一種能對(duì)故障進(jìn)行追根溯源和實(shí)時(shí)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(jiǎn)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(jì)的[2]。在我國(guó)，QR碼以其高容量、高密度、糾錯(cuò)能力強(qiáng)大的特點(diǎn)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(shí)讀速度快還有占用空間小的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)態(tài)碼[4]。

1)靜態(tài)碼主要用于文字信息的編碼，其優(yōu)勢(shì)在于即便移動(dòng)終端沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)也可以對(duì)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(bào)廢階段的設(shè)備將不再是電站管理人員重點(diǎn)維護(hù)的對(duì)象，因此可以采用維護(hù)成本相對(duì)較低的靜態(tài)二維碼進(jìn)行設(shè)備信息的存儲(chǔ)，如圖1所示。

圖1 靜態(tài)二維碼

2)動(dòng)態(tài)碼在靜態(tài)碼的基礎(chǔ)上與應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行有效結(jié)合，移動(dòng)終端掃描后直接訪問(wèn)網(wǎng)址。因此，動(dòng)態(tài)二維碼的信息承載量得到進(jìn)一步提升，有效增強(qiáng)了識(shí)別性，也發(fā)展成數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的入口。在本系統(tǒng)中，對(duì)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(dòng)態(tài)二維碼[5]。

電站設(shè)備按照在全生命周期的時(shí)間維度上可以分成3個(gè)階段：庫(kù)存階段、使用階段、報(bào)廢階段。不同階段的設(shè)備在管理上會(huì)有不同的特點(diǎn)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(hào)、名稱、型號(hào)、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(shí)現(xiàn)性，本文只以其中最具代表性的部分信息作為研究?jī)?nèi)容。

2)變動(dòng)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(jì)、甚至與有關(guān)人員分享。

二維碼雖然具有強(qiáng)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(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)維護(hù)使用中設(shè)備時(shí)，掃描動(dòng)態(tài)二維碼可以快捷錄入維修信息并對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，此時(shí)的二維碼起到了人機(jī)交互的橋梁作用[5]。當(dāng)需要溯源報(bào)廢設(shè)備時(shí)，掃描靜態(tài)二維碼后可快速查詢有用信息，此時(shí)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(chǔ)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、充電樁群組成。管理系統(tǒng)由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(ZigBee與GPRS-DTU模塊共同組成)、云服務(wù)器、移動(dòng)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(guò)GPRS發(fā)來(lái)的各種請(qǐng)求信息，并對(duì)用戶信息、設(shè)備維護(hù)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析等。移動(dòng)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(shí)通過(guò)自適應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)向云服務(wù)器提交運(yùn)維表單，對(duì)服務(wù)端進(jìn)行訪問(wèn)。Web客戶端則主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)，管理人員通過(guò)移動(dòng)端的掃描功能對(duì)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(yè)面。與使用靜態(tài)二維碼技術(shù)相比，采用動(dòng)態(tài)二維碼技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電站設(shè)備運(yùn)維信息的快速收集和捕獲。圖3是管理人員對(duì)設(shè)備維護(hù)一次的流程，圖4是整個(gè)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(jì)與實(shí)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(jì)算服務(wù)。本設(shè)計(jì)選用新浪云服務(wù)器來(lái)搭建一個(gè)穩(wěn)定性好、并發(fā)量大的平臺(tái)[6]。將會(huì)話管理、信息管理、二維碼管理、故障管理抽象成一個(gè)通用的服務(wù)平臺(tái)，結(jié)合新浪云提供的強(qiáng)大計(jì)算能力并采用SpringMVC和SpringData框架技術(shù)來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)[7]。

3.2 服務(wù)端設(shè)計(jì)

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(guò)Spring框架對(duì)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(wú)論是Controller對(duì)象、Service對(duì)象還是DAO對(duì)象都能有機(jī)地運(yùn)行[8]。系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)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(jì)最關(guān)鍵的是業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層(Service)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)際處理功能。業(yè)務(wù)層首先要設(shè)計(jì)Service接口，然后設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)的類，最后利用XML配置文件實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，這樣可以調(diào)用Service接口來(lái)處理業(yè)務(wù)[9]。為了提高重復(fù)利用性和獨(dú)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(gè)復(fù)雜的過(guò)程，必須要引進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于設(shè)備信息的動(dòng)態(tài)記錄，為此，使用云服務(wù)中的MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)備的動(dòng)態(tài)運(yùn)維記錄則通過(guò)微信客戶端的HTML5瀏覽器的訪問(wèn)功能寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)[10]。服務(wù)端還構(gòu)建了新的動(dòng)態(tài)接口用于對(duì)各模塊功能的實(shí)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(jì)。本文針對(duì)電站設(shè)備在管理過(guò)程中涉及到的數(shù)據(jù)交互對(duì)服務(wù)端的業(yè)務(wù)層進(jìn)行了4部分的設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)層設(shè)計(jì)

3.3 移動(dòng)客戶端設(shè)計(jì)

在移動(dòng)客戶端的構(gòu)建過(guò)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(jiǎn)單易操作、高普及率，高保有量的特點(diǎn)，選擇微信作為客戶端。微信具有獨(dú)特的用戶認(rèn)證體系，系統(tǒng)可以直接憑借維修員獨(dú)一無(wú)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(duì)網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行識(shí)別和訪問(wèn)，也可以隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)將運(yùn)維信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。移動(dòng)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(shí)現(xiàn)

整個(gè)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(shí)時(shí)獲取設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息、并與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。在整個(gè)過(guò)程中，服務(wù)端部署的Web應(yīng)用必須滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)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(yáng)能充電站設(shè)備管理系統(tǒng)的功能需求，利用eclipse等開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Web應(yīng)用。其具體功能包括：

1)會(huì)話管理：對(duì)電站設(shè)備和維修員微信內(nèi)嵌的瀏覽器的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。

2)信息管理：對(duì)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(hào)、姓名、性別、聯(lián)系電話、微信號(hào)等。對(duì)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(shí)現(xiàn)基本的操作功能。

4)故障管理：能夠?qū)﹄娬局懈黝惓Ｒ?jiàn)設(shè)備出現(xiàn)的故障進(jìn)行管理，可以對(duì)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(tái)設(shè)備都含有豐富的信息，如果不能對(duì)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(wú)從談起[11]。因此，將按設(shè)備類型、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備價(jià)格、設(shè)備采購(gòu)時(shí)的流水號(hào)4個(gè)維度對(duì)電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行編號(hào)，如圖9所示。

圖9 設(shè)備編號(hào)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(chǔ)電設(shè)備，用字母CD表示；4、逆變?cè)O(shè)備，用字母NB表示，其中DC/DC變換器和逆變?cè)O(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(yùn)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(bào)廢，用數(shù)字3表示。

根據(jù)設(shè)備的價(jià)格分為三類：A類，1萬(wàn)元以上的設(shè)備；B類，2千元以上1萬(wàn)元以下的設(shè)備；C類，2千元以下的設(shè)備。

設(shè)備流水號(hào)：時(shí)間上設(shè)備采購(gòu)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(duì)象有：設(shè)備、設(shè)備備件、供應(yīng)商、維修員。這些對(duì)象間存在著如下的關(guān)系：

1)設(shè)備與設(shè)備備件：多對(duì)多的關(guān)系。

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

3)維修員與設(shè)備：多對(duì)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(duì)于站內(nèi)設(shè)備和遠(yuǎn)端的管理系統(tǒng)來(lái)講具有橋梁一樣的重要作用，尤其是在設(shè)備的運(yùn)維過(guò)程中。系統(tǒng)可以對(duì)二維碼進(jìn)行制作、查看、添加等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kù)(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(kù)函數(shù)[12]。也可以單獨(dú)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(cuò)等級(jí)可以分為L(zhǎng)、M、Q、H四個(gè)等級(jí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 ZigBee組網(wǎng)功能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)需要3個(gè)ZigBee無(wú)線模塊，3臺(tái)計(jì)算機(jī)和串口調(diào)試助手，如圖13所示。其中一個(gè)協(xié)調(diào)器和兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心的星型網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232串行接口連接一臺(tái)計(jì)算機(jī)，然后分別在各自計(jì)算機(jī)上運(yùn)行串口調(diào)試軟件。

圖13 ZigBee組網(wǎng)測(cè)試圖

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)1向協(xié)調(diào)器發(fā)送消息：“This is a message from Node1”，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)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(lái)自終端節(jié)點(diǎn)1和2的數(shù)據(jù)，并在消息頭帶有終端節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，其中FF01代表終端節(jié)點(diǎn)1，F(xiàn)F02代表終端節(jié)點(diǎn)2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明ZigBee組網(wǎng)成功，能夠滿足充電站內(nèi)實(shí)際的通信需求。

圖14 ZigBee測(cè)試結(jié)果

4.2 二維碼和Web客戶端測(cè)試

對(duì)于靜態(tài)碼，維修人員掃描報(bào)廢設(shè)備上的二維碼即可識(shí)別出設(shè)備的報(bào)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(cè)試后的結(jié)果如圖15所示。

圖15 靜態(tài)二維碼測(cè)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(shí)，會(huì)啟動(dòng)消息推動(dòng)子線程向維修人員推送維修消息，此時(shí)，維修人員及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)并使用微信客戶端對(duì)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(huì)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新操作，如圖17所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)基本達(dá)到了對(duì)設(shè)備進(jìn)行高效精準(zhǔn)管理的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，二維碼的廣泛應(yīng)用主要是因?yàn)槎S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(jí)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(lái)還可以借助QR二維碼對(duì)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(wèn)題，即可隨時(shí)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。