摘要：為了響應(yīng)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， 設(shè)計(jì)公共電動(dòng)自行車智能管理系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)傳輸電動(dòng)車況信息，不僅能夠向民眾提供便捷  的公共電動(dòng)自行車租賃方案，而且能夠協(xié)助交管部門監(jiān)管自行車使用者的行車周全，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；物聯(lián)網(wǎng)；無線通訊；GPS

目我國許多城市已經(jīng)建成公共自行車租賃管理系統(tǒng)，能夠滿足一部分民眾短距離出行的需求，但是自行車畢竟*靠 人力，在載重和運(yùn)距上有限。而電動(dòng)自行車除了節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、 環(huán)保之外，并兼有機(jī)動(dòng)車的省力省時(shí)特點(diǎn)，加符合當(dāng)今消費(fèi) 者的消費(fèi)特征和需求，經(jīng)過短短幾年的發(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)自行車的管理非常復(fù)雜。因此，研究設(shè) 立公共電動(dòng)自行車智能管理平臺(tái)，采用租借的形式有償出租電 動(dòng)自行車，來解決城市公交“一公里”和短途出行問題， 既能緩解城市現(xiàn)有大氣污染問題，又能通過集中管理和控制， 減少因電動(dòng)自行車違規(guī)行駛而造成的交通事故。

一、系統(tǒng)總體框架與功能

雖然目在公共人力自行車方面已經(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)自行車的管理與普通人力自行車不同，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1.電動(dòng)自行車車速快，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，針對電動(dòng)自行車的特點(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)營管理的后端管理平臺(tái)、手機(jī)軟件的使用者界面、電動(dòng)自行車、交通監(jiān)管信息平臺(tái)。 每臺(tái)電動(dòng)自行車上搭載一個(gè)通訊盒，通過 GPS 實(shí)現(xiàn)定位和測速， 并以無線方式將車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)資費(fèi)、實(shí)施救援或向交管部門報(bào)警，  還可以將數(shù)據(jù)上傳到云端，進(jìn)而對用戶的使用行為、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)車輛數(shù)目的依據(jù)。對  于用戶而言，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當(dāng)各個(gè)站點(diǎn)的車輛電量情況，預(yù)約車輛， 然后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場，通過手機(jī)掃描車上的二維碼啟動(dòng)  自行車。在車上裝有失竊感應(yīng)裝置，當(dāng)發(fā)生人為強(qiáng)行搬運(yùn)車輛時(shí)，將立即發(fā)出警告蜂鳴并通知交管部門。當(dāng)自行  車的充電插頭插入充電樁時(shí)，充電線路上的霍爾電流感應(yīng)器將  把電量信息傳送至車輛上的通訊盒中，并通過無線網(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，主要由無線通訊模塊、GPS 定位模塊組成：

1.1無線通訊模塊

無線通訊模塊是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車車和后端管理平臺(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。無線通信模塊主要包括 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 是無法定位。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)星信號無法接收時(shí)，該模塊使用來自陀螺和速度脈沖傳感器的角度和速度信息來推算位置，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。通過對傳感器數(shù)據(jù)與 GPS 位置進(jìn)行處理，即便在對 GPS 不利（如城區(qū)高樓林立的環(huán)境）或 GPS 信號缺失（如隧道和地下停車場）的情況下也能達(dá)到全覆蓋、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)來的指令，控制車輛的各模塊工作，主要包括對以下功能的控制：

2.1車輛的啟動(dòng)

以租賃的流程來說，使用者通過用戶 APP 完成預(yù)約后，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)電動(dòng)自行車旁，通過手機(jī)掃描車上二維碼，將 用戶信息和車輛信息上傳至后端管理平臺(tái)，管理平臺(tái)核對用戶 信息后發(fā)送信息給車輛，車輛的無線通訊模塊收到信息后，即通知控制器開啟電動(dòng)車。如果未預(yù)約者掃描已預(yù)約車輛，則后臺(tái)不會(huì)發(fā)送信息。

2.2超速警示信息

控制器通過 GPS 定位模塊監(jiān)測車輛的速度，當(dāng)車速接近交管部門規(guī)定的值時(shí)，就控制警報(bào)器向使用者發(fā)出警示信息， 當(dāng)車速超過該值時(shí)，則直接通過無線通訊模塊向后端管理  平臺(tái)發(fā)送車輛超速警示信息。

2.3車輛遭竊警示信息

控制器還需要根據(jù)感測驅(qū)動(dòng)電路傳送過來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(qiáng)行整臺(tái)搬運(yùn)電動(dòng)車，若發(fā)生上述情況，則產(chǎn)生警示信號，并經(jīng)由無線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(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。

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)，采用開源的 Node.js 平臺(tái)，配合通訊盒控制器、無線通訊模塊以及定位模塊，進(jìn)行軟件開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）對周邊設(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）對車輛信息的實(shí)時(shí)獲取和判斷，包括：位置信息、車速信息、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)器的門限值，若達(dá)到， 則觸發(fā)信息的傳送。

對車輛信息的實(shí)時(shí)傳送，將獲取到的車輛信息實(shí)時(shí)傳送 到后端服務(wù)器。信息的傳送主要依靠兩類機(jī)制觸發(fā)：一為定時(shí)  觸發(fā)機(jī)制，即每隔一段固定的時(shí)間，觸發(fā)一次車輛信息的傳送； 二為事件觸發(fā)機(jī)制，即在收集車輛信息過程中有觸發(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 WiFi 熱點(diǎn)，如果在戶外沒有 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，透過三項(xiàng)交握的封包交換機(jī)制建立連線通道，并使用滑窗及序列號確認(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：一部分是核心邏輯部分， 本身不提供使用者操作界面，僅處理各種連線及 API 呼叫，所有的營運(yùn)的電動(dòng)自行車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(jī)服務(wù)器及網(wǎng)頁服務(wù)器。

整個(gè)云端管理平臺(tái)采用若干臺(tái)服務(wù)器及一臺(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模擬硬件的存在，并建立一個(gè)虛擬電腦系統(tǒng)，這樣可在一個(gè)虛擬系統(tǒng)上 執(zhí)行多事件，并能在單一服務(wù)器上執(zhí)行多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用 程序，帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)和對硬件資源有效的利用。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)營管理平臺(tái)

安科瑞電動(dòng)自行車充電樁通過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)自行車充電樁的日常狀態(tài)、充電過程進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)充電支付對接：支持投幣、刷卡、支付等多種支付方式，保證支付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進(jìn)行有效預(yù)警；實(shí)現(xiàn)對下游站級平臺(tái)的清算、對賬功能。平臺(tái)可對接消防物聯(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)車充電管理的網(wǎng)絡(luò)化、可視化。

①　周全預(yù)警

對平臺(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APP、短信及時(shí)向運(yùn)營人員發(fā)出報(bào)警信號，及時(shí)消除火災(zāi)隱患。

②　交易結(jié)算管理

平臺(tái)為運(yùn)營方提供充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財(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。可通過在線自助支付實(shí)現(xiàn)充電。

④　運(yùn)營分析

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

⑤　小程序

可通過小程序掃碼充電，充電賬單支付。運(yùn)營商和物業(yè)管理人員均可通過小程序管理，監(jiān)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
• 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。
• 顯示投幣數(shù)、IC刷卡次數(shù)、IC卡余額，卡內(nèi)余額語音播報(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)客戶需求開通免費(fèi)充電功能、月卡功能和刷卡退費(fèi)。
• 可使用支付寶支付、APP 支付。
• 自動(dòng)識(shí)別出現(xiàn)故障的線路，并伴有字母和語音提示。
• 具有斷電記憶功能，當(dāng)出現(xiàn)斷電，來電后可以繼續(xù)使用剩余的時(shí)間充電。
• 具有拔掉斷電功能，當(dāng)用戶拔掉充電器，及時(shí)自動(dòng)斷電。
• 具有充滿自停功能，自動(dòng)檢測電瓶車充電狀態(tài)，如充滿則停止供電，計(jì)費(fèi)時(shí)間清零。
• 具有過載保護(hù)功能，能識(shí)別大功率電器，自動(dòng)暫停供電，防止用戶私接插線板給多臺(tái)電瓶車充電。
• 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)檢測到的功率，按照設(shè)定時(shí)間開啟充電。
• 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。
• 過溫保護(hù)功能，當(dāng)檢測機(jī)箱溫度過高，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)

與一般的自行車租賃系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的公共電動(dòng)自行車智能管理系統(tǒng)能夠?yàn)槊癖娞峁┘颖憬莸氖褂皿w驗(yàn)，為 交管部門提供加有效的監(jiān)管功能，同時(shí)該管理系統(tǒng)能夠根據(jù) 車輛使用狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整資費(fèi)、平衡站點(diǎn)負(fù)荷，進(jìn)一步提高車輛 的利用率，緩解城市現(xiàn)有大氣污染和交通擁堵問題。

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.2019.11版