晏 婷，黃 俊

（重慶郵電大學(xué) 信號與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

電動自行車自助服務(wù)終端系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

晏 婷，黃 俊

（重慶郵電大學(xué) 信號與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

在城市交通日益擁擠的今天，大力發(fā)展公共交通即可大大減輕交通壓力，城市公共電動自行車租賃應(yīng)運(yùn)而生。在分析比較第三代公共自行車系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電動自行車的特點(diǎn)，提出了一種公共電動自行車自助服務(wù)終端的設(shè)計方案，重點(diǎn)介紹了嵌入式Linux操作系統(tǒng)下的軟件功能的設(shè)計，并給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計的整體流程圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足租車還車和電子商務(wù)信息播放的基本需求，具有很好的工程意義和市場價值。

電動自行車；租賃；CAN

近年來，為減輕交通壓力、降低環(huán)境污染，同時為解決“最后一公里”問題，提出了一種新的解決方法，即公共自行車服務(wù)，國內(nèi)許多城市的推行試點(diǎn)使得公共自行車得到了快速發(fā)展[1]。為最大限度地使公共自行車系統(tǒng)有效運(yùn)行，緩解交通壓力，避免公共自行車系統(tǒng)陷入“租車難、還車難”，部分站點(diǎn)癱瘓荒廢的情況，公共自行車自助服務(wù)終端系統(tǒng)作為公共自行車系統(tǒng)的重要部分起著關(guān)鍵性作用。

本系統(tǒng)根據(jù)用戶公交出行實(shí)際需求，采用Cortex A8、CAN總線和RFID等結(jié)構(gòu)硬件平臺，克服了其他公共自行車自助服務(wù)終端的缺陷。本文對公共自行車租賃系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)分析和介紹，分析了租賃站點(diǎn)和管理中心之間的信息交互，為車輛的信息化管理打造了一個人性化、智能化的綠色解決方案。

1 總體架構(gòu)

公共電動自行車租賃系統(tǒng)由多個租賃站點(diǎn)和一個管理中心（服務(wù)器）組成。租賃站點(diǎn)設(shè)置在城市人流量較大的位置，方便用戶租還車，每個租賃站點(diǎn)都有一個自助服務(wù)終端和若干停車器，自助服務(wù)終端負(fù)責(zé)該租賃站點(diǎn)的管理工作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化；停車器負(fù)責(zé)用戶租車、還車時IC卡信息的獲取和電動車鎖的開關(guān)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自助服務(wù)終端的核心控制器采用高性能、高功效的Cor?tex-A8架構(gòu)的微處理器，控制網(wǎng)絡(luò)接口與控制中心通信，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞；同時，通過CAN總線接收以51單片機(jī)為主控芯片的停車器發(fā)送的車輛識別卡數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶信息和車輛信息的采集。其中，網(wǎng)絡(luò)接口采用RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口與GPRS無線通信相結(jié)合，保證網(wǎng)絡(luò)的暢通性；停車器通過RFID讀寫模塊獲取數(shù)據(jù)[2]。

圖1 租賃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 自助服務(wù)終端硬件設(shè)計

自助服務(wù)終端硬件核心處理器采用S5PV210，該處理器有強(qiáng)大的硬件編解碼功能，可以更快解碼更高質(zhì)量的圖像和視頻，實(shí)現(xiàn)廣告播放功能。此外，S5PV210還配備CAN-BUS通信模塊、以太網(wǎng)接口、GPRS模塊、RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口模塊、LCD顯示模塊、鍵盤模塊。核心處理器S5PV210的外設(shè)接口有RS-232串口、USB接口等，分別用于復(fù)制存儲器數(shù)據(jù)到設(shè)備、安裝適配器驅(qū)動；LCD屏和鍵盤主要提供與用戶的交互服務(wù)，可以在自助服務(wù)終端上管理用戶個人信息和查詢相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。如圖2為自助服務(wù)終端的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 自助服務(wù)終端整體框圖

2.1 處理器S5PV210模塊設(shè)計

S5PV210是整個系統(tǒng)的核心處理器，其功能是對各個硬件部分進(jìn)行初始化、控制及管理。本文根據(jù)需求分析，選用Samsung Cortex-A8 S5PV210芯片為自助服務(wù)終端處理器芯片，同時內(nèi)存選擇1 Gbyte的DDR2、1 Gbyte的SLC Flash、最大可擴(kuò)展至32 Gbyte的Micro SD卡等容量大的存儲器。

處理器運(yùn)行最大頻率可達(dá)1 GHz，處理器內(nèi)部為64/32位總線結(jié)構(gòu)，32/32 kbyte一級緩存，512 kbyte二級緩存。系統(tǒng)采用嵌入式Linux，可滿足實(shí)際的運(yùn)行需求。實(shí)現(xiàn)了終端的低成本、低功耗、高性能。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 通信模塊的設(shè)計

2.2.1 CAN-BUS通信模塊

CAN-BUS模塊負(fù)責(zé)自助服務(wù)終端與停車器間的通信，系統(tǒng)采用MCP2515和TJA1050芯片，實(shí)現(xiàn)了將讀卡器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶灾?wù)終端。模塊具有以下特征：1）支持CAN2.0B協(xié)議；2）最高可達(dá)1 Mbit/s的通信速率（本系統(tǒng)根據(jù)距離要求選用125 kbit/s）；3）16 MHz晶振，典型應(yīng)用；4）SPI接口控制，可滿足一個SPI主機(jī)接口擴(kuò)展多路CAN總線接口的需要；5）控制接口僅需要5個I/O口，節(jié)省處理器資源[3]。

2.2.2 通信模塊

通信模塊負(fù)責(zé)自助服務(wù)終端與管理中心的通信，為滿足網(wǎng)絡(luò)的暢通性，該模塊采用RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口與GPRS無線通信相結(jié)合。網(wǎng)卡芯片采用DM9000AEP，網(wǎng)口內(nèi)部集成變壓器，配置正確后即可上網(wǎng)。為了使GPRS模塊數(shù)據(jù)通信可靠有效，選擇SIM Com公司的SIM900A作為GPRS模塊的核心芯片，SIM900A內(nèi)置TCP/IP和PPP協(xié)議。免去了移植TCP/IP協(xié)議的麻煩，直接就可與服務(wù)器建立連接、進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。采用串行通信的方式與處理器芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得通信簡單可靠、實(shí)時性強(qiáng)，且控制簡單。

2.3 信息交互

系統(tǒng)提供的車輛識別卡為M1卡，每個自行車均帶有車輛識別卡（IC卡），識別卡用于存儲車輛身份標(biāo)識；通過停車器RFID識別模塊可讀取卡號，實(shí)現(xiàn)車輛的認(rèn)證。RFID模塊采用13.56 MHz MFRC522高度集成的非接觸式讀卡芯片，系統(tǒng)采用SPI接口控制此模塊。MFRC522的內(nèi)部發(fā)送器可驅(qū)動讀寫器天線與ISO14443A/MIFARE卡和應(yīng)答機(jī)的通信。

3 自助服務(wù)終端軟件設(shè)計

自助服務(wù)終端采用Cortex-A8架構(gòu)、功能強(qiáng)大的S5PV210處理器，可以支持多個嵌入式操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計采用嵌入式Linux系統(tǒng)，下面主要介紹使用Qt開發(fā)嵌入式Linux應(yīng)用程序的過程。自助服務(wù)終端的軟件設(shè)計主要包括停車器與自助服務(wù)終端間的CAN總線通信、自助服務(wù)終端界面顯示。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

自助服務(wù)終端主要有4個功能：用戶管理、車輛管理、站點(diǎn)管理和通信管理。系統(tǒng)軟件的整體流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

由圖5可知，自助服務(wù)終端隨時監(jiān)聽CAN的中斷信息，當(dāng)有中斷信息，自助服務(wù)終端就會根據(jù)所發(fā)信息的標(biāo)志位判斷信息類型，從而做出相應(yīng)的處理和數(shù)據(jù)庫的更新。自助服務(wù)終端完成U-boot和Linux在S5PV210平臺上的板級移植以及Yaffs根文件系統(tǒng)和嵌入式GUI的移植。在完成軟硬件平臺的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于Linux的設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序設(shè)計。其中應(yīng)用程序采用QT進(jìn)行設(shè)計，圖像系統(tǒng)采用QT-4.5，開 發(fā) 環(huán) 境 為 QtCreator2.4.1，交 叉 編 譯 器 采 用arm-linux-gcc-4.4.6，Linux內(nèi)核版本為Linux2.6.35。

3.1 車輛管理

車輛管理的主要功能是車輛信息的采集和實(shí)現(xiàn)租還車。通過停車器RFID模塊讀取車輛信息并通過CAN總線發(fā)送到自助服務(wù)終端。車輛信息采集包括車輛的ID、電量信息、故障信息和位置信息。自助服務(wù)終端能將損壞車輛及時報告給控制中心，及時維修，減小車輛的損害，從而延長車輛的使用壽命；也方便在用戶租車時，提供車輛狀況良好的車輛，停車器還具備語音播放功能給用戶語音提示，輔助用戶操作。

租車流程如圖6所示，用戶在停有電量充足的電動自行車的停車器處刷卡，停車器控制端通過CAN總線將用戶信息發(fā)送到自助服務(wù)終端，自助服務(wù)終端向服務(wù)器請求數(shù)據(jù)，判斷該用戶是否有租車權(quán)限，若有權(quán)限租車，就發(fā)送解鎖停車器的命令，若用戶在規(guī)定時間內(nèi)，推走車輛，則租車成功，記錄用戶卡號和車輛ID，否則租車失敗。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無卡還車，用戶只需要將車輛推入停車器，根據(jù)車輛ID，系統(tǒng)可根據(jù)車輛ID找到對應(yīng)的用戶卡號，扣除相應(yīng)的費(fèi)用，極大地簡化了用戶的還車過程，提高了效率。

圖6 租車流程圖

3.2 站點(diǎn)管理

站點(diǎn)管理主要包括租賃站點(diǎn)參數(shù)和停車器參數(shù)設(shè)置，每個租賃站點(diǎn)都有一鍵啟用功能，可以在緊急情況通過管理中心發(fā)送命令控制站點(diǎn)的只還不借、停止服務(wù)和部分停車器停止使用等。

3.3 租賃點(diǎn)與管理中心數(shù)據(jù)通信

租賃站點(diǎn)與監(jiān)管中心的數(shù)據(jù)交互基本都在有線環(huán)境下完成的，為避免網(wǎng)絡(luò)條件的限制，本系統(tǒng)預(yù)留了GPRS接口，SIM Com公司的SIM900A作為GPRS模塊的核心芯片，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，使用AT指令集可與管理中心服務(wù)器建立連接[4]。自助服務(wù)終端在成功連接網(wǎng)絡(luò)，獲得一個動態(tài)分配的IP地址后，開始接收服務(wù)器端發(fā)送的短信，該短信附帶服務(wù)器端IP地址。獲得服務(wù)器的IP地址后，自助服務(wù)終端創(chuàng)建socket進(jìn)行連接，成功連接至服務(wù)器端后，自助服務(wù)終端給服務(wù)器發(fā)送短信（攜帶本終端的IP），然后開始等待接收啟動命令的標(biāo)志頭。若在預(yù)定時間內(nèi)自助服務(wù)終端接收到啟動命令，則握手應(yīng)答成功，完成終端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接，然后可以立即進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸。若在規(guī)定時間內(nèi)未收到啟動命令，則重發(fā)帶有終端IP地址的短信等待應(yīng)答，重復(fù)3次以上過程無應(yīng)答，則無法建立網(wǎng)絡(luò)連接。

4 軟件設(shè)計效果

用戶刷卡輸入密碼后即可彈出軟件功能主界面，用戶可以根據(jù)需要“修改密碼”，也可通過點(diǎn)擊“租車記錄”、“充值記錄”、“用戶信息”、“周圍消息”和“本站消息”按鈕進(jìn)入相應(yīng)界面。

點(diǎn)擊“本站信息”功能按鈕即可查詢本站車輛信息，查詢界面如圖7所示。

點(diǎn)擊“站點(diǎn)分布”可以通過電子地圖查看到站點(diǎn)分布信息地圖查詢界面如圖8所示。定位功能通過百度地圖API實(shí)現(xiàn)，它支持離線地圖、數(shù)據(jù)更新及時、查詢靈活完善，且其API與谷歌API基本兼容[5]。地圖界面顯示如圖9所示。

圖7 軟件功能主界面（截圖）

圖8 本站信息查詢界面（截圖）

圖9 地圖查詢界面（截圖）

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的公共電動自行車自助服務(wù)終端系統(tǒng)完成了系統(tǒng)需求，設(shè)計從實(shí)用性和可靠性方面對已有的公共電動自行車自助服務(wù)終端系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使得自助服務(wù)終端更加實(shí)用可靠，界面更加直觀。

[1] 周東.我國公共自行車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].中國自行車，2012（10）：52-55.

[2]陳勇，王宏偉.基于Qt/E的只能倉儲管理便攜式終端設(shè)計[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，24（3）：369-373.

[3]李貌秦，霆鎬，閆世曉.MCP2515在CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用[J].嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，2005，21（7）：37-39.

[4] 劉川來，周培培，崔振科.汽車租賃智能管理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報，2014，35（1）：82-89.

[5] 徐光俠，封雷，涂演.基于Android和Google Maps的生活輔助系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，24（2）：242-247.

Design and Implementation of Electric Bicycle Self-service Terminal System

YAN Ting，HUANG Jun
（Chongqing Key Laboratory of Signal and Information Processing，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

In today’s increasingly crowded urban traffic，vigorously developing public transportation can greatly alleviate traffic pressure，city public electric bike rental arises at the historic moment.On the basis of comparing the third generation ofpublic bicycle systemsand the characteristicsofthe electric bicycle，a public electric bicycle self-service terminal design is proposed，and focuses on the design of the software under the embedded Linux operating system，and gives the flow chart of system software design.The experimental results show that the system works stablely and reliably，and satisfies the basic requirements of the rental and the e-commerce information broadcasting，has great engineering significance and market value.

electric bicycle；leasing；CAN

TP399

A

10.16280/j.videoe.2015.04.029

晏 婷（1989—），女，碩士生，主研物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和嵌入式技術(shù)；

2014-07-03

【本文獻(xiàn)信息】晏婷，黃俊.電動自行車自助服務(wù)終端系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2015，39（4）.

國家自然科學(xué)基金項目（61275099）；重慶市市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項目（CSTC2009CA2003）

黃 ?。?971—），教授，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、光通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式技術(shù)等。

責(zé)任編輯：時 雯