淺談電動(dòng)自行車(chē)管理系統的框架設計

摘要：為了響應國家“低碳環(huán)保，綠色出行”的環(huán)保理念，論文針對省時(shí)、省力的電動(dòng)自行車(chē)， 設計公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統，利用物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)傳輸電動(dòng)車(chē)況信息，不僅能夠向民眾提供便捷  的公共電動(dòng)自行車(chē)租賃方案，而且能夠協(xié)助交管部門(mén)監管自行車(chē)使用者的行車(chē)周全，從而提高大運量  公共交通工具的使用效率和周全性。

關(guān)鍵詞：公共電動(dòng)自行車(chē)；物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線(xiàn)通訊；GPS

目我國許多城市已經(jīng)建成公共自行車(chē)租賃管理系統，能夠滿(mǎn)足一部分民眾短距離出行的需求，但是自行車(chē)畢竟*靠 人力，在載重和運距上有限。而電動(dòng)自行車(chē)除了節能、經(jīng)濟、 環(huán)保之外，并兼有機動(dòng)車(chē)的省力省時(shí)特點(diǎn)，加符合當今消費 者的消費特征和需求，經(jīng)過(guò)短短幾年的發(fā)展便擁有龐大的消費 群。然而，龐大的電動(dòng)自行車(chē)數量以及部分民眾較為薄弱的交通意識，使得電動(dòng)自行車(chē)的管理非常復雜。因此，研究設 立公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理平臺，采用租借的形式有償出租電 動(dòng)自行車(chē)，來(lái)解決城市公交“一公里”和短途出行問(wèn)題， 既能緩解城市現有大氣污染問(wèn)題，又能通過(guò)集中管理和控制， 減少因電動(dòng)自行車(chē)違規行駛而造成的交通事故。

一、系統總體框架與功能

雖然目在公共人力自行車(chē)方面已經(jīng)有許多成熟的智能管理系統和平臺]，但是公共電動(dòng)自行車(chē)的管理與普通人力自行車(chē)不同，主要體現在以下兩個(gè)方面：

1.電動(dòng)自行車(chē)車(chē)速快，為了避免發(fā)生交通事故，需要對其進(jìn)行限速；

2.電動(dòng)自行車(chē)所能行駛的距離由其電池的續航時(shí)間決定，使用者需要事先知道電池的續航時(shí)間，才能放心使用。

因此，針對電動(dòng)自行車(chē)的特點(diǎn)所設計的智能管理系統總體 框圖如圖 1 所示。主要包括四個(gè)部分：運營(yíng)管理的后端管理平臺、手機軟件的使用者界面、電動(dòng)自行車(chē)、交通監管信息平臺。 每臺電動(dòng)自行車(chē)上搭載一個(gè)通訊盒，通過(guò) GPS 實(shí)現定位和測速， 并以無(wú)線(xiàn)方式將車(chē)輛的信息傳送至后端管理平臺，后端管理平  臺可以實(shí)時(shí)監控車(chē)輛的位置、速度、受損狀況、是否被盜等信息， 以決定是否需要調整當資費、實(shí)施救援或向交管部門(mén)報警，  還可以將數據上傳到云端，進(jìn)而對用戶(hù)的使用行為、交通狀況  進(jìn)行大數據分析，以此作為平衡各個(gè)站點(diǎn)車(chē)輛數目的依據。對  于用戶(hù)而言，只需要下載相關(guān) APP 軟件，注冊會(huì )員，在每次使用可以先查詢(xún)當各個(gè)站點(diǎn)的車(chē)輛電量情況，預約車(chē)輛， 然后在規定時(shí)間內到達現場(chǎng)，通過(guò)手機掃描車(chē)上的二維碼啟動(dòng)  自行車(chē)。在車(chē)上裝有失竊感應裝置，當發(fā)生人為強行搬運車(chē)輛時(shí)，將立即發(fā)出警告蜂鳴并通知交管部門(mén)。當自行  車(chē)的充電插頭插入充電樁時(shí)，充電線(xiàn)路上的霍爾電流感應器將  把電量信息傳送至車(chē)輛上的通訊盒中，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給  后端管理平臺。

圖 1 公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統總體框架

二、系統硬件部分

公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統主要包含兩個(gè)重要的硬件模塊，分別是通訊盒與控制器。

1.通訊盒

智能系統所管理的電動(dòng)自行車(chē)是由通訊盒實(shí)現與后端管理平臺的信息交互，主要由無(wú)線(xiàn)通訊模塊、GPS 定位模塊組成：

1.1無(wú)線(xiàn)通訊模塊

無(wú)線(xiàn)通訊模塊是實(shí)現電動(dòng)自行車(chē)車(chē)和后端管理平臺通訊的關(guān)鍵模塊，可以接收由管理服務(wù)器發(fā)出的識別碼，同時(shí)也可以 將車(chē)輛的位置、電量、是否遭竊等信息傳送給后端的管理服務(wù)器。無(wú)線(xiàn)通信模塊主要包括 4G 模塊和WiFi 模塊。其中 4G 模塊主要是在室外提供信息傳輸功能，而 WiFi 模塊主要用于室內信息傳輸。為了保證信息能夠完整地傳輸到后臺管理服務(wù)器， 該通訊模塊采用“重要性選擇傳輸”算法，在通信鏈路不佳的 情況下，先傳輸重要的信息，把不重要的信息暫存在存儲模 塊中，等到鏈路狀態(tài)好的時(shí)候再發(fā)送。

1.2 GPS 定位模塊

由于電動(dòng)自行車(chē)常常是穿梭在樓宇之間，建筑物的遮擋容易導致 GPS 定位不準確，加上電動(dòng)自行車(chē)在行進(jìn)時(shí)，GPS 的定位點(diǎn)容易亂跳，造成信息讀取的誤差較大，如果進(jìn)入室內，則GPS 是無(wú)法定位。因此本系統采用支持慣性導航功能（ADR） 的GPS 模塊。當 GPS衛星信號無(wú)法接收時(shí)，該模塊使用來(lái)自陀螺和速度脈沖傳感器的角度和速度信息來(lái)推算位置，從而大幅提高 GPS 衛星定位性能，有效降低在城市高樓林立環(huán)境下的多徑效應的影響。通過(guò)對傳感器數據與 GPS 位置進(jìn)行處理，即便在對 GPS 不利（如城區高樓林立的環(huán)境）或 GPS 信號缺失（如隧道和地下停車(chē)場(chǎng)）的情況下也能達到全覆蓋、和持續定位。

2.控制器

控制器的主要功能是收集并判斷車(chē)輛的各種狀態(tài)信息或直接根據后端管理平臺發(fā)來(lái)的指令，控制車(chē)輛的各模塊工作，主要包括對以下功能的控制：

2.1車(chē)輛的啟動(dòng)

以租賃的流程來(lái)說(shuō)，使用者通過(guò)用戶(hù) APP 完成預約后，在規定時(shí)間內到達電動(dòng)自行車(chē)旁，通過(guò)手機掃描車(chē)上二維碼，將 用戶(hù)信息和車(chē)輛信息上傳至后端管理平臺，管理平臺核對用戶(hù) 信息后發(fā)送信息給車(chē)輛，車(chē)輛的無(wú)線(xiàn)通訊模塊收到信息后，即通知控制器開(kāi)啟電動(dòng)車(chē)。如果未預約者掃描已預約車(chē)輛，則后臺不會(huì )發(fā)送信息。

2.2超速警示信息

控制器通過(guò) GPS 定位模塊監測車(chē)輛的速度，當車(chē)速接近交管部門(mén)規定的值時(shí)，就控制警報器向使用者發(fā)出警示信息， 當車(chē)速超過(guò)該值時(shí)，則直接通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊向后端管理  平臺發(fā)送車(chē)輛超速警示信息。

2.3車(chē)輛遭竊警示信息

控制器還需要根據感測驅動(dòng)電路傳送過(guò)來(lái)的鑰匙信息以及慣性感測器傳送的慣性感測信號，判斷是否有不法人士試圖通強行整臺搬運電動(dòng)車(chē)，若發(fā)生上述情況，則產(chǎn)生警示信號，并經(jīng)由無(wú)線(xiàn)通訊模塊將該警示信號發(fā)送至后端管理服務(wù)器，使得監控人員能即刻采取相應的措施，以 便快速找回失竊的電動(dòng)車(chē)。

三、系統軟件部分

根據系統的整體功能，軟件部分主要分為通訊盒軟件和云端管理平臺兩大部分。

1.通訊盒軟件

通訊盒基于嵌入式 Linux 操作系統，采用開(kāi)源的 Node.js 平臺，配合通訊盒控制器、無(wú)線(xiàn)通訊模塊以及定位模塊，進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現以下功能：

（1）對周邊設備的控制，包括：鑰匙啟動(dòng)、防盜機制啟動(dòng)、警報器啟動(dòng)等。

（2）對車(chē)輛信息的實(shí)時(shí)獲取和判斷，包括：位置信息、車(chē)速信息、電池電壓、電池殘量以及鑰匙狀態(tài)等信息的獲取，并判斷某些數值是否達到需要傳送給后端服務(wù)器的門(mén)限值，若達到， 則觸發(fā)信息的傳送。

對車(chē)輛信息的實(shí)時(shí)傳送，將獲取到的車(chē)輛信息實(shí)時(shí)傳送 到后端服務(wù)器。信息的傳送主要依靠?jì)深?lèi)機制觸發(fā)：一為定時(shí)  觸發(fā)機制，即每隔一段固定的時(shí)間，觸發(fā)一次車(chē)輛信息的傳送； 二為事件觸發(fā)機制，即在收集車(chē)輛信息過(guò)程中有觸發(fā)任何事件， 也會(huì )進(jìn)行信息的傳送。信息的傳送首先考慮通過(guò) WiFi 熱點(diǎn)，如果在戶(hù)外沒(méi)有 WiFi 熱點(diǎn)情況下，則采用 4G 模塊進(jìn)行傳送。通訊盒與服務(wù)器的信息交互采用 SOCKET 傳輸模式，透過(guò)三項交握的封包交換機制建立連線(xiàn)通道，并使用滑窗及序列號確認及 重傳等機制實(shí)現可靠傳輸。

2.云端管理平臺

云端管理平臺主要分為兩個(gè)部分：一部分是核心邏輯部分， 本身不提供使用者操作界面，僅處理各種連線(xiàn)及 API 呼叫，所有的營(yíng)運的電動(dòng)自行車(chē)都與該核心邏輯服務(wù)器連接及溝通；另  一部分是管理端界面服務(wù)器和手機服務(wù)器及網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器。

整個(gè)云端管理平臺采用若干臺服務(wù)器及一臺存儲服務(wù)器組成VMware vCloud 虛擬云架構，虛擬化地使用軟件來(lái)模擬硬件的存在，并建立一個(gè)虛擬電腦系統，這樣可在一個(gè)虛擬系統上 執行多事件，并能在單一服務(wù)器上執行多個(gè)操作系統和應用 程序，帶來(lái)規模經(jīng)濟和對硬件資源有效的利用。此外，隨著(zhù)實(shí)體主機的減少，系統閑置所造成能源的消耗問(wèn)題也隨之減 少，可實(shí)現綠色機房的目標。

四、安科瑞充電樁運營(yíng)管理平臺

安科瑞電動(dòng)自行車(chē)充電樁通過(guò)GPRS模塊與云端進(jìn)行通信和數據交互。系統能夠對電動(dòng)自行車(chē)充電樁的日常狀態(tài)、充電過(guò)程進(jìn)行監控；實(shí)現充電支付對接：支持投幣、刷卡、支付等多種支付方式，保證支付交易過(guò)程的完整性，對充電過(guò)程中的異常情況進(jìn)行有效預警；實(shí)現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺、小程序等，提供相關(guān)異常數據，實(shí)現電動(dòng)車(chē)充電管理的網(wǎng)絡(luò )化、可視化。

①　周全預警

對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監視，充電樁發(fā)生異常情況時(shí)可通過(guò)APP、短信及時(shí)向運營(yíng)人員發(fā)出報警信號，及時(shí)消除火災隱患。

②　交易結算管理

平臺為運營(yíng)方提供充電價(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。

③　充電服務(wù)

可通過(guò)軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態(tài)，并導航至可用充電樁?？赏ㄟ^(guò)在線(xiàn)自助支付實(shí)現充電。

④　運營(yíng)分析

對訂單進(jìn)行數據化分析，通過(guò)柱狀圖、報表方式直觀(guān)展示數據，并支持和第三方平臺對接。

⑤　小程序

可通過(guò)小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營(yíng)商和物業(yè)管理人員均可通過(guò)小程序管理，監測充電樁狀態(tài)和充電交易情況。

充電樁型號

 ACX10A-YH

• 可同時(shí)充10輛電瓶車(chē)
• 尺寸空間大，投幣箱容量大，內部空間充裕，具備充足的電氣穩定性。
• 實(shí)體按鍵設計，手感實(shí)在，使用壽命長(cháng)。
• 顯示投幣數、IC刷卡次數、IC卡余額，卡內余額語(yǔ)音播報。
• 每次扣費和充電時(shí)間可調，可多次投幣刷卡，充電時(shí)間自動(dòng)累計。
• 可根據客戶(hù)需求開(kāi)通免費充電功能、月卡功能和刷卡退費。
• 可使用支付寶支付、APP 支付。
• 自動(dòng)識別出現故障的線(xiàn)路，并伴有字母和語(yǔ)音提示。
• 具有斷電記憶功能，當出現斷電，來(lái)電后可以繼續使用剩余的時(shí)間充電。
• 具有拔掉斷電功能，當用戶(hù)拔掉充電器，及時(shí)自動(dòng)斷電。
• 具有充滿(mǎn)自停功能，自動(dòng)檢測電瓶車(chē)充電狀態(tài)，如充滿(mǎn)則停止供電，計費時(shí)間清零。
• 具有過(guò)載保護功能，能識別大功率電器，自動(dòng)暫停供電，防止用戶(hù)私接插線(xiàn)板給多臺電瓶車(chē)充電。
• 具有短路保護功能，當出現短路，保險絲熔斷確保穩定。
• 具有按功率給時(shí)間功能，根據檢測到的功率，按照設定時(shí)間開(kāi)啟充電。
• 可選配聯(lián)網(wǎng)煙感，當出現火情，可發(fā)送短信給責任人。
• 過(guò)溫保護功能，當檢測機箱溫度過(guò)高，停止充電。
• 夜間斷電功能，可設定夜間整機斷電黑屏，禁止夜間充電。
• 遠程抄表，485電表數據采集上報。

五、總結

與一般的自行車(chē)租賃系統相比，本文設計的公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統能夠為民眾提供加便捷的使用體驗，為 交管部門(mén)提供加有效的監管功能，同時(shí)該管理系統能夠根據 車(chē)輛使用狀況動(dòng)態(tài)調整資費、平衡站點(diǎn)負荷，進(jìn)一步提高車(chē)輛 的利用率，緩解城市現有大氣污染和交通擁堵問(wèn)題。

參考文獻 

[1]張素文, 孫朋, 劉吉昌, 等.“基于物聯(lián)網(wǎng)的公共自行車(chē)租賃系統設計與實(shí)現”[J]， 武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版）, 2015, 37(6): 675-679.

[2]肖旻，江福椿,公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統的設計

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版