劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定   201801

摘要：為了響應(yīng)家“低碳環(huán)保，綠色出行”的環(huán)保理念，論文針對(duì)省時(shí)、省力的電動(dòng)自行車(chē)， 設(shè)計(jì)公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統(tǒng)，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(jiān)管自行車(chē)使用者的行車(chē)周全，從而提高大運(yùn)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

目前我許多城市已經(jīng)建成公共自行車(chē)租賃管理系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足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(yùn)距上有限。而電動(dòng)自行車(chē)除了節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、 環(huán)保之外，并兼有機(jī)動(dòng)車(chē)的省力省時(shí)特點(diǎn)，更加符合當(dāng)今消費(fèi) 者的消費(fèi)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(fèi) 群。然而，龐大的電動(dòng)自行車(chē)數(shù)量以及部分民眾較為薄弱的交通意識(shí)，使得電動(dòng)自行車(chē)的管理非常復(fù)雜。因此，研究設(shè) 立公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理平臺(tái)，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“公里”和短途出行問(wèn)題， 既能緩解城市現(xiàn)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(guī)行駛而造成的交通事故。

、系統(tǒng)總體框架與功能

雖然目前在公共人力自行車(chē)方面已經(jīng)有許多成熟的智能管理系統(tǒng)和平臺(tái)]，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(xiàn)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(duì)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(xù)航時(shí)間決定，使用者需要事先知道電池的續(xù)航時(shí)間，才能放心使用。

因此，針對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的智能管理系統(tǒng)總體 框圖如圖 1 所示。主要包括四個(gè)部分：運(yùn)營(yíng)管理的后端管理平臺(tái)、移動(dòng)端軟件的使用者界面、電動(dòng)自行車(chē)、交通監(jiān)管信息平臺(tái)。 每臺(tái)電動(dòng)自行車(chē)上搭載個(gè)通訊盒，通過(guò) GPS 實(shí)現(xiàn)定位和測(cè)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(tái)，后端管理平  臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)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(diào)整當(dāng)前資費(fèi)、實(shí)施救援或向交管部門(mén)報(bào)警，  還可以將數(shù)據(jù)上傳到云端，進(jìn)而對(duì)用戶(hù)的使用行為、交通狀況  進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，以此作為平衡各個(gè)站點(diǎn)車(chē)輛數(shù)目的依據(jù)。對(duì)  于用戶(hù)而言，只需要下載相關(guān) APP 軟件，注冊(cè)會(huì)員，在每次使用前可以先查詢(xún)當(dāng)前各個(gè)站點(diǎn)的車(chē)輛電量情況，預(yù)約車(chē)輛， 然后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)移動(dòng)端掃描車(chē)上的二維碼啟動(dòng)  自行車(chē)。在車(chē)上裝有失竊感應(yīng)裝置，當(dāng)發(fā)生人為鑰匙kai  鎖和強(qiáng)  行搬運(yùn)車(chē)輛時(shí)，將立即發(fā)出警告蜂鳴并通知交管部門(mén)。當(dāng)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(yīng)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(tái)。

圖 1 公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統(tǒng)總體框架

二、系統(tǒng)硬件部分

公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統(tǒng)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(tǒng)所管理的電動(dòng)自行車(chē)是由通訊盒實(shí)現(xiàn)與后端管理平臺(tái)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(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)車(chē)和后端管理平臺(tái)通訊的關(guān)鍵模塊，可以接收由管理服務(wù)器發(fā)出的識(shí)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(nèi)信息傳輸。為了保證信息能夠完整地傳輸?shù)胶笈_(tái)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(chǔ)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(dǎo)致 GPS 定位不準(zhǔn)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(nèi)，則GPS 更是無(wú)法定位。因此本系統(tǒng)采用支持慣性導(dǎo)航功能（ADR） 的GPS 模塊。當(dāng) GPS 衛(wèi)星信號(hào)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(wèi)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(yīng)的影響。通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)與 GPS 位置進(jìn)行處理，即便在對(duì) GPS 不利（如城區(qū)高樓林立的環(huán)境）或 GPS 信號(hào)缺失（如隧道和地下停車(chē)場(chǎng)）的情況下也能達(dá)到全覆蓋、高精度和持續(xù)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(jù)后端管理平臺(tái)發(fā)來(lái)的指令，控制車(chē)輛的各模塊工作，主 要包括對(duì)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(yù)約后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)電動(dòng)自行車(chē)旁，通過(guò)移動(dòng)端掃描車(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(tái)，管理平臺(tái)核對(duì)用戶(hù) 信息后發(fā)送kai  鎖信息給車(chē)輛，車(chē)輛的無(wú)線(xiàn)通訊模塊收到kai  鎖信 息后，即通知控制器開(kāi)啟電動(dòng)車(chē)。如果未預(yù)約者掃描已預(yù)約車(chē) 輛，則后臺(tái)不會(huì)發(fā)送kai 鎖信息。

2.2超速jing  示信息

控制器通過(guò) GPS 定位模塊監(jiān)測(cè)車(chē)輛的速度，當(dāng)車(chē)速接近交管部門(mén)規(guī)定的值時(shí)，就控制警報(bào)器向使用者發(fā)出jing  示信息， 當(dāng)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(tái)發(fā)送車(chē)輛超速jing  示信息。

2.3車(chē)輛遭竊jing 示信息

控制器還需要根據(jù)感測(cè)驅(qū)動(dòng)電路傳送過(guò)來(lái)的鑰匙信息以及慣性感測(cè)器傳送的慣性感測(cè)信號(hào)，判斷是否有不法人士試圖通 過(guò)特定的車(chē)用鑰匙kai  鎖或強(qiáng)行整臺(tái)搬運(yùn)電動(dòng)車(chē)，若發(fā)生上述情 況，則產(chǎn)生jing  示信號(hào)，并經(jīng)由無(wú)線(xiàn)通訊模塊將該jing  示信號(hào)發(fā)送 至后端管理服務(wù)器，使得監(jiān)控人員能即刻采取相應(yīng)的措施，以 便快速找回失竊的電動(dòng)車(chē)。

三、系統(tǒng)軟件部分

根據(jù)系統(tǒng)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(tái)兩大部分。

1.通訊盒軟件

通訊盒基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)，采用開(kāi)源的 Node.js 平臺(tái)，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(xiàn)以下功能：

（1）對(duì)周邊設(shè)備的控制，包括：鑰匙啟動(dòng)、防盜機(jī)制啟動(dòng)、警報(bào)器啟動(dòng)等。

（2）對(duì)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(shù)值是否達(dá)到需要傳送給后端服務(wù)器的門(mén)限值，若達(dá)到， 則觸發(fā)信息的傳送。

對(duì)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?jī)深?lèi)機(jī)制觸發(fā)：為定時(shí)  觸發(fā)機(jī)制，即每隔段固定的時(shí)間，觸發(fā)次車(chē)輛信息的傳送； 二為事件觸發(fā)機(jī)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(xiàng)交握的封包交換機(jī)制建立連線(xiàn)通道，并使用滑窗及序列號(hào)確認(rèn)及 重傳等機(jī)制實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。

2.云端管理平臺(tái)

云端管理平臺(tái)主要分為兩個(gè)部分：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(yùn)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  部分是管理端界面服務(wù)器和移動(dòng)端服務(wù)器及網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器。

整個(gè)云端管理平臺(tái)采用若干臺(tái)服務(wù)器及臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器組成VMware vCloud 虛擬云架構(gòu)，虛擬化地使用軟件來(lái)模擬硬件的存在，并建立個(gè)虛擬電腦系統(tǒng)，這樣可在個(gè)虛擬系統(tǒng)上 執(zhí)行更多事件，并能在單服務(wù)器上執(zhí)行多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用 程序，帶來(lái)規(guī)模經(jīng)濟(jì)和對(duì)硬件資源更有效的利用。此外，隨著實(shí)體主機(jī)的減少，系統(tǒng)閑置所造成能源的消耗問(wèn)題也隨之減 少，可實(shí)現(xiàn)綠色機(jī)房的目標(biāo)。

四、安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)

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(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱?dòng)自行車(chē)充電樁的日常狀態(tài)、充電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)充電支付對(duì)接：支持投幣、刷卡、vx支付等多種支付方式，保證支付交易過(guò)程的完整性，對(duì)充電過(guò)程中的異常情況進(jìn)行有效預(yù)警；實(shí)現(xiàn)對(duì)下游站級(jí)平臺(tái)的清算、對(duì)賬功能。平臺(tái)可對(duì)接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、小程序等，提供相關(guān)異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)充電管理的網(wǎng)絡(luò)化、可視化。

①　周全預(yù)警

對(duì)平臺(tái)連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)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(yùn)營(yíng)人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)火災(zāi)隱患。

②　交易結(jié)算管理

平臺(tái)為運(yùn)營(yíng)方提供充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)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(dǎo)航至可用充電樁?？赏ㄟ^(guò)在線(xiàn)自助支付實(shí)現(xiàn)充電。

④　運(yùn)營(yíng)分析

對(duì)訂單進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，通過(guò)柱狀圖、報(bào)表方式直觀展示數(shù)據(jù)，并支持和第三方平臺(tái)對(duì)接。

⑤　vx小程序

可通過(guò)vx小程序掃碼充電，充電賬單支付。運(yùn)營(yíng)商和物業(yè)管理人員均可通過(guò)小程序管理，監(jiān)測(cè)充電樁狀態(tài)和充電交易情況。

充電樁型號(hào)

 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(nèi)部空間充裕，具備充足的電氣穩(wěn)定性。
• 實(shí)體按鍵設(shè)計(jì)，手感實(shí)在，使用壽命長(zhǎng)。
• 顯示投幣數(shù)、IC刷卡次數(shù)、IC卡余額，卡內(nèi)余額語(yǔ)音播報(bào)。
• 每次扣費(fèi)和充電時(shí)間可調(diào)，可多次投幣刷卡，充電時(shí)間自動(dòng)累計(jì)。
• 可根據(jù)客戶(hù)需求開(kāi)通免費(fèi)充電功能、月卡功能和刷卡退費(fèi)。
• 可使用vx支付、支付寶支付、APP 支付。
• 自動(dòng)識(shí)別出現(xiàn)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(dāng)出現(xiàn)斷電，來(lái)電后可以繼續(xù)使用剩余的時(shí)間充電。
• 具有拔掉斷電功能，當(dāng)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(cè)電瓶車(chē)充電狀態(tài)，如充滿(mǎn)則停止供電，計(jì)費(fèi)時(shí)間清。
• 具有過(guò)載保護(hù)功能，能識(shí)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(tái)電瓶車(chē)充電。
• 具有短路保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)短路，保險(xiǎn)絲熔斷確保穩(wěn)定。
• 具有按功率給時(shí)間功能，根據(jù)檢測(cè)到的功率，按照設(shè)定時(shí)間開(kāi)啟充電。
• 可選配聯(lián)網(wǎng)煙感，當(dāng)出現(xiàn)火情，可發(fā)送短信給責(zé)任人。
• 過(guò)溫保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)機(jī)箱溫度過(guò)高，停止充電。
• 夜間斷電功能，可設(shè)定夜間整機(jī)斷電黑屏，禁止夜間充電。
• 遠(yuǎn)程抄表，485電表數(shù)據(jù)采集上報(bào)。

五、總結(jié)

與般的自行車(chē)租賃系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的公共電動(dòng)自行車(chē)智能管理系統(tǒng)能夠?yàn)槊癖娞峁└颖憬莸氖褂皿w驗(yàn)，為 交管部門(mén)提供更加有效的監(jiān)管功能，同時(shí)該管理系統(tǒng)能夠根據(jù) 車(chē)輛使用狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整資費(fèi)、平衡站點(diǎn)負(fù)荷，進(jìn)步提高車(chē)輛 的利用率，緩解城市現(xiàn)有大氣污染和交通擁堵問(wèn)題。

參考文獻(xiàn) 

[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(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”[J]， 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（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(tǒng)的設(shè)計(jì)

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2019.11版

 作者簡(jiǎn)介：劉細(xì)鳳，女，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車(chē)充電樁的研發(fā)和應(yīng)用