張素文,孫 朋,劉吉昌,曹曉東,何德威

(武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院, 湖北 武漢 430070)

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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)

張素文,孫 朋,劉吉昌,曹曉東,何德威

(武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院, 湖北 武漢 430070)

針對地鐵等交通不配套所帶來“最后一公里”的難題，提出了采用“自行車租賃系統(tǒng)”這一環(huán)保和節(jié)能的解決方案。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種自行車租賃智能控制系統(tǒng)。提出了一種基于GPRS+ZigBee的總體方案架構(gòu)，通過無線射頻(RFID)技術(shù)對車輛及租車人的身份進(jìn)行識別；通過 GPRS 和 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的通信；通過嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“無人值守，自助租車，隨借隨還”的目的。

射頻技術(shù)；ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)；GPRS；智能租賃

自行車是目前世界各國普及最為廣泛的代步交通工具。自行車作為區(qū)間非機(jī)動車的載人設(shè)備，其廉價、輕便、健身、環(huán)保、節(jié)能的特點(diǎn)尤為突出，是當(dāng)今乃至很長時間內(nèi)人們生活中不可或缺和替代的主要交通工具之一。為提倡“低碳環(huán)保，綠色出行”的環(huán)保意識，推行公共自行車綠色交通，不僅可以解決代步的需求，而且可以較好地解決人們出行銜接“最后一公里”的交通難題。

近些年來，隨著地鐵等公共交通系統(tǒng)的發(fā)展，特別是提倡綠色環(huán)保、節(jié)約能源的今天，推行公共自行車交通系統(tǒng)已成為社會發(fā)展的一個趨勢。杭州、武漢、北京、廣州等城市都率先進(jìn)行了城市公共自行車租賃系統(tǒng)的建設(shè)，帶來了相當(dāng)可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，顯然推行公共自行車綠色交通的智能管理系統(tǒng)必將有廣闊的發(fā)展前景。

針對目前自行車租賃站點(diǎn)具有位置分散、數(shù)量多、信息統(tǒng)計(jì)困難、管理混亂等諸多問題，筆者對傳統(tǒng)式(總線+互聯(lián)網(wǎng))的通信方法進(jìn)行了改進(jìn)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種RFID+ZigBee+GPRS的總體架構(gòu)，采用分級控制的方法，利用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，采用ZigBee進(jìn)行近距離的信息傳遞。系統(tǒng)采用“集中管理，獨(dú)立控制”模式，通過無線射頻(RFID) 技術(shù)對車輛及租車人的身份進(jìn)行識別；通過 GPRS 和 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的通信；通過嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。實(shí)現(xiàn)對自行車網(wǎng)點(diǎn)和每部自行車信息的網(wǎng)絡(luò)化管理和集中式收費(fèi)管理，具有較好的靈活性和先進(jìn)性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由樁機(jī)、節(jié)點(diǎn)機(jī)與遠(yuǎn)程管理終端組成。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，由此設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體硬件框圖，如圖2所示。

首先，由樁機(jī)上的射頻讀寫模塊識別并讀取自行車上的標(biāo)簽信息，通過 STM32F103VET6處理并控制電控鎖工作，再將租還車信息存儲至用戶標(biāo)簽卡中，同時通過ZigBee以無線通信的方式轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)機(jī)；節(jié)點(diǎn)機(jī)將樁機(jī)傳送過來的信息匯總后，通過串口通信的方式傳至GPRS模塊,GPRS模塊利用GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)本地與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程信息交換和傳輸。上位機(jī)終端對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分類和儲存，使管理系統(tǒng)能遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)自行車的租還收費(fèi)和信息登記等功能，并對樁機(jī)實(shí)時遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)由路燈系統(tǒng)的220 V市電通過一系列變換為24 V直流電進(jìn)行供電，具有施工便利、使用安全的優(yōu)點(diǎn)。與此同時，還設(shè)計(jì)了休眠功能，當(dāng)一定時間內(nèi)無人操作時，系統(tǒng)自動處于休眠狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，并配備了USP電源。

圖1 公共自行車租賃系統(tǒng)的總體架構(gòu)

圖2 公共自行車租賃系統(tǒng)的總體硬件框圖

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 樁機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 射頻讀寫模塊設(shè)計(jì)

射頻讀寫芯片采用了MFRC522，通過其內(nèi)部發(fā)送器驅(qū)動讀寫器天線，對M1卡進(jìn)行讀寫，再通過SPI接口與ARM芯片連接[1]。經(jīng)測試，整體電路匹配度良好，識別度達(dá)到6 cm左右，完全滿足功能要求。

2.1.2 ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)

圖3為ZigBee通信模塊電路圖。其采用了CC2530芯片，通過內(nèi)部的增強(qiáng)型8051完成ZigBee的組網(wǎng)通信功能，實(shí)現(xiàn)樁機(jī)部分與節(jié)點(diǎn)機(jī)的近距離無線通信。

2.1.3 電機(jī)驅(qū)動模塊的硬件電路設(shè)計(jì)該方案采用控制直流電機(jī)

正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電控鎖的開關(guān)，驅(qū)動采用兩片半橋驅(qū)動芯片BTN7971，組成全橋驅(qū)動。

BTN7971是電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用程序集成的高電流半橋，包含一個p溝道MOSFET高驅(qū)動和一個n溝道MOSFET 底端驅(qū)動IC。由于p溝道高端開關(guān)需要充電泵消除EMI，與單片機(jī)相連的接口由簡單的集成驅(qū)動器集成電路功能來識別邏輯電平輸入、診斷其有效性,并進(jìn)行轉(zhuǎn)換速率調(diào)整,死區(qū)時間生成和對超溫、過壓、欠壓、過流、短路等保護(hù)。BTN7971B提供了低成本優(yōu)化解決方案保護(hù)高電流PWM電機(jī)驅(qū)動器底板空間消耗，其導(dǎo)通阻抗在150 ℃時為30.5 MΩ，PWM頻率上限為25 kHz。通過STM32F103主控板生成的雙路PWM信號實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。

2.2 節(jié)點(diǎn)機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 GPRS信息傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)選用的SIM900A通信模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，用戶只需使用AT指令集，便可與監(jiān)控中心服務(wù)器建立TCP/IP或UDP/IP連接[2]；該模塊與單片機(jī)之間通過串口通信，傳送命令與數(shù)據(jù)。

2.2.2 處理芯片的選擇

處理器芯片選用ST公司的STM32F103，其內(nèi)置32位數(shù)據(jù)路徑、寄存器、存儲器接口，擁有獨(dú)立的指令總線、數(shù)據(jù)總線，可有效地實(shí)現(xiàn)指令提取和數(shù)據(jù)訪問，使得數(shù)據(jù)訪問不占用指令總線，達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目標(biāo)。

2.3 電源管理模塊

電源模塊輸入電壓為220 V的交流電，經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換后為24 V交流電，整流濾波后為24 V直流電，變壓器功率為100 W，因此可提供最小電流為4.5 A，保證供電。因給電機(jī)供電需要12 V，若直接采用線性穩(wěn)壓芯片，電源效率只有35%，為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，只有增加設(shè)計(jì)電路的成本，采用反激降壓電路，其效率可以達(dá)到90%以上[3]。但開關(guān)型電路噪聲較大，因此需要增加濾波電路，濾波后的紋波噪聲可達(dá)到50～100 mV，該電壓不能直接供給主控芯片，因此采取先開關(guān)降壓再線性穩(wěn)壓的方式，保證系統(tǒng)正常工作。線性穩(wěn)壓芯片采用LM1085，過流可以達(dá)到5 A，且壓差較小，電壓輸入范圍較大，可以同時為各個模塊供電[4-5]。

圖3 ZigBee通信模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用STM32F103VET6作為主控芯片，通過SPI通信協(xié)議控制射頻讀寫裝置的讀寫模塊對自行車上的射頻標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，然后通過ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)機(jī)相連[6]，由主控板上的MCU與SIM900A模塊將信息傳送至總機(jī)房的上位機(jī)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，達(dá)到系統(tǒng)功能要求。

3.2 主要模塊程序設(shè)計(jì)

3.2.1 射頻模塊程序設(shè)計(jì)

程序中包括以下幾個步驟：尋卡、防沖撞算法、選定卡片、驗(yàn)證卡片密碼、讀/寫卡片等。具體流程是先通過MCU發(fā)出尋卡請求，檢測到卡片后進(jìn)行防沖撞驗(yàn)證，再對卡片類別進(jìn)行判斷，同時驗(yàn)證密碼，最后進(jìn)行讀寫操作。由于每個M1卡具有唯一的密碼，因此可以保證卡片和個人信息的安全。射頻讀寫模塊程序流程圖如圖4所示。

圖4 射頻讀寫模塊程序流程圖

3.2.2 ZigBee通信模塊程序設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由3個部分組成：協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器被稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)分配各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。路由器除了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)外，還要擔(dān)當(dāng)路由的功能，為其子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，但不承擔(dān)特定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以隨時加入或退出網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常構(gòu)成3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形網(wǎng)絡(luò)(Star)、樹形網(wǎng)絡(luò)(Tree)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh)[7-8]，如圖5所示。其中星形網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，同時協(xié)調(diào)器也承擔(dān)路由的功能，所有終端節(jié)點(diǎn)信息都通過其轉(zhuǎn)發(fā)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單高效，但容量較小。樹形網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)信息則由樹干上的路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，沿著樹干方向匯聚到協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的每一個終端節(jié)點(diǎn)都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，任何節(jié)點(diǎn)信息都可以通過多條路徑到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)[9]，這種網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性能好，容量大，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)算法對節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于所設(shè)計(jì)的自行車智能租賃系統(tǒng)，單個站點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，通信距離較短(20～30 m之間)，主要用于節(jié)點(diǎn)機(jī)與樁機(jī)間的信息交互，且單個站點(diǎn)ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)較少。因此，筆者選用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)。

ZigBee通過如下幾個步驟進(jìn)行協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)：首先檢測協(xié)調(diào)器、信道掃描、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、運(yùn)行新網(wǎng)絡(luò)、允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；然后準(zhǔn)備節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，通過MAC層關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)；最后通過與先前指定的父節(jié)點(diǎn)連接加入網(wǎng)絡(luò)。其交互信息流程圖如圖6所示。

圖6 ZigBee交互信息流程圖

3.2.3 GPRS信息傳遞模塊程序設(shè)計(jì)

GPRS模塊軟件部分工作流程為： 模塊上電后先進(jìn)行硬件初始化的設(shè)置，配置好傳輸波特率和線路參數(shù)，再打開并校驗(yàn)SIM卡，待GPRS模塊進(jìn)入就緒狀態(tài)后，登錄網(wǎng)絡(luò)并與管理端進(jìn)行握手應(yīng)答。其中模塊登錄成功后會獲得一個動態(tài)分配的IP地址，并不斷發(fā)送請求，等待應(yīng)答。若重復(fù)3次無應(yīng)答，則無法建立數(shù)據(jù)鏈路；若握手成功，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)機(jī)便可將打包好的數(shù)據(jù)向管理中心發(fā)送，同時管理中心也可以下發(fā)指令，通過節(jié)點(diǎn)機(jī)對樁機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。GPRS工作流程圖如圖7所示。

圖7 GPRS工作流程圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

將制作好的電路進(jìn)行連接，并通過GPRS實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。若經(jīng)測試數(shù)據(jù)通信功能正常，則下位機(jī)端讀卡、寫卡，液晶顯示功能達(dá)到預(yù)期效果，上位機(jī)端能正常完成數(shù)據(jù)發(fā)送接收，實(shí)現(xiàn)充值、扣費(fèi)、辦卡、查詢等功能。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖8和圖9所示，上位機(jī)實(shí)驗(yàn)界面如圖10所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置

圖9 整體實(shí)驗(yàn)裝置

圖10 上位機(jī)辦卡功能實(shí)驗(yàn)界面

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)的公共自行車租賃系統(tǒng)以GPRS+ZigBee為通信手段，實(shí)現(xiàn)自行車租還信息的遠(yuǎn)程交換與控制，采用射頻技術(shù)進(jìn)行車輛與人員的認(rèn)證，有效地提高了系統(tǒng)的便捷性和安全性。經(jīng)測試，該系統(tǒng)刷卡功能及通信方式運(yùn)行良好，配合管理服務(wù)系統(tǒng)使用，具有廣闊的市場前景。

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ZHANG Suwen :Prof.; School of Automation, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Design and Implementation of Intellectual Control System of Bicycle-lease Base on Internet of Things

ZHANGSuwen,SUNPeng,LIUJichang,CAOXiaodong,HEDewei

With the development of modern transportation (such as metro), people encounter the problem of "The last one kilometer". The most proper way to solve the obstacle is to take bicycle-lease system that is environment friendly as well as energy saving. This project can achieve the goal of intellectual control system of bicycle-lease with the "The Internet of things". Coming up with the idea of "GPRS+ZIGBEE" method, the project was designed using "collectively management and independent control" model. Accordingly, vehicles and renters can be identified through RFID technique. Information communication can be implemented through GPRS and ZigBee wireless internet technique. System control can be gained by embedded technique. Further more, the project is of great practical value and worthy of popularizing with fulfilling the target of "self-renting" and intellectual management.

RFID; ZigBee; internet of thing; GPRS; intellectual lease

2015-05-02.

張素文(1962-)，女，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院教授.

大學(xué)生國家自主創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(20141049711008).

2095-3852(2015)06-0675-05

A

TN911

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.003