于寶堃， 胡瑜， 尤琦涵

(天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222)

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于寶堃， 胡瑜， 尤琦涵

(天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222)

摘要:對校園公共自行車的管理現(xiàn)狀進行了研究，設計了一種校園公共自行車管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了NFC、ZigBee和GIS技術(shù)的有機融合。NFC技術(shù)負責采集并驗證用戶的信息，而被借車輛的實時狀態(tài)通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)紾IS監(jiān)控平臺進行分析和顯示，為管理者作出快速并準確的判斷提供依據(jù)。測試結(jié)果證明，管理系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可實現(xiàn)預定功能，為下一步系統(tǒng)擴展到校園其他管理領(lǐng)域奠定了基礎。

關(guān)鍵詞:多技術(shù)集成；校園公共自行車；NFC；ZigBee；GIS

引言

近年來，隨著各高校辦學規(guī)模的不斷擴大，校園面積也日益增加，千畝以上的校園已成為常態(tài)，有的高校甚至分為多個校區(qū)，因此，如何解決師生的出行成為各高校急需解決的問題。校園公共自行車作為一種低碳環(huán)保的出行工具，已成為校園內(nèi)的重要交通工具，但其也有自身的缺陷，例如無法實時掌握車輛狀態(tài)、借車人長期借車不還等。

為了科學地對校園公共自行車進行管理，將近場通信[1](Near Field Communication，NFC)、ZigBee[2]和地理信息系統(tǒng)[3](Geographic Information System，GIS)等多種技術(shù)融入其中，以實現(xiàn)管理的網(wǎng)絡化、無線化和可視化。

1系統(tǒng)總體設計架構(gòu)及運行原理

校園公共自行車管理系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)控單元、ZigBee校區(qū)傳輸網(wǎng)、校園有線局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)倉庫和監(jiān)控平臺5部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1　校園公共自行車管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)將無線網(wǎng)絡和有線局域網(wǎng)相結(jié)合，以完成數(shù)據(jù)的傳輸工作，既降低了系統(tǒng)的建設成本，又可提高組網(wǎng)的靈活性,其中，現(xiàn)場監(jiān)控單元負責自行車的存取工作。當用戶成功借出或歸還自行車時，微控制器會將用戶編碼、存車點編碼以及車輛編碼與用戶的借還狀況一起發(fā)送到終端傳輸節(jié)點。

為了保證系統(tǒng)讀寫用戶卡時的準確性和速度，現(xiàn)場監(jiān)控單元采用高性能的STM32微控制器作為核心控制器，這一設計有別于傳統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡，現(xiàn)場監(jiān)控單元與ZigBee模塊共用同一控制器的情況，將減輕終端傳輸節(jié)點的工作負擔，使其專注于網(wǎng)絡信息的傳輸。

由于各個高校的校園面積較大或者分為多個校區(qū)，因此，在建立ZigBee網(wǎng)絡時，可將校園劃分成幾個區(qū)域，每個區(qū)域分別組建ZigBee校區(qū)傳輸網(wǎng)。不同的校區(qū)傳輸網(wǎng)之間不能進行通信，只有校區(qū)傳輸網(wǎng)內(nèi)部的網(wǎng)絡節(jié)點可以相互傳輸數(shù)據(jù)。每個獨立的ZigBee校區(qū)傳輸網(wǎng)均采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，具有終端傳輸節(jié)點、路由器節(jié)點和匯聚節(jié)點三類網(wǎng)絡。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1ZigBee傳輸模塊的設計

為了構(gòu)建穩(wěn)定的ZigBee網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中的終端傳輸節(jié)點、路由器節(jié)點和匯聚節(jié)點均采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430F64,該芯片是一款真正意義上實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議，內(nèi)部集成CC2420 RF收發(fā)器、增強性能的8051單片機、64 KB的FLASH和8 KB的SRAM；具有2個可與外界進行通信的USART接口[4]。只需少量的外圍器件，即可滿足組網(wǎng)需要。CC2430F64具有多種工作模式，每種模式下的電流消耗很小，正常工作時的電流消耗僅為27 mA，滿足系統(tǒng)對功耗的要求。

2.2現(xiàn)場監(jiān)控單元的硬件設計

每個存車點處包括多個獨立運行的現(xiàn)場監(jiān)控單元，各單元分別控制一輛自行車的存取工作，并通過串口與終端傳輸節(jié)點相連，以形成多機通信網(wǎng)絡。現(xiàn)場監(jiān)控單元主要由微控制器模塊、讀卡器、LCD顯示模塊、電磁鎖鎖體和電源模塊等部分組成，如圖2所示。

圖2　現(xiàn)場監(jiān)控單元硬件框圖

2.2.1微控制器模塊

微控制器模塊使用ST公司的高性能控制器STM32F205ZCT6[5]，該控制器采用ARM Cortex-M3作為內(nèi)核，最高工作頻率可達120 MHz，具有96 KB的SRAM、256 KB的FLASH，滿足系統(tǒng)對存儲和運行速度的要求；芯片采用144引腳的LQFP封裝，具有114個GPIO，便于系統(tǒng)的擴展；具有USART、FSMC、SPI等多種通信接口。

2.2.2讀卡器的設計

用戶信息讀卡器與車輛信息讀卡器均采用PN532作為NFC通信芯片。PN532是一款高度集成化的用于非接觸式通信的收發(fā)器，工作頻率為13.56 MHz，內(nèi)部集成了80C51微控制器內(nèi)核，包括6種不同的運行模式，系統(tǒng)所采用的模式為ISO/IEC 14443A/MIFARE讀寫模式[6]。PN532與STM32F205ZCT6的通信方式可以選擇USART、SPI和I2C總線，由于SPI的傳輸速度在這三者中較快，因此，系統(tǒng)采用SPI的方式連接作為主機的微控制器和作為從機的讀卡器。

2.2.3LCD顯示模塊

LCD顯示模塊為用戶顯示操作信息，采用芯片ILI9320作為顯示控制器，與微控制器的FSMC接口相連。

2.2.4電磁鎖及其電源模塊的選取

電磁鎖及其電源模塊均采用威宜斯公司的產(chǎn)品，所選擇的型號分別為VE-MC270L和VE-P03，電磁鎖的鎖體安裝在停車位中，而與鎖體配套的鐵片則安裝在自行車上，微控制器可以通過控制電源模塊的輸出電壓，來打開電磁鎖。由于VE-MC270L具有反饋功能，微控制器可以根據(jù)其反饋結(jié)果，判斷車輛是否被成功放回至停車位，以進行下一步操作。

2.3ZigBee網(wǎng)絡與局域網(wǎng)轉(zhuǎn)換單元的設計

在匯聚節(jié)點中，需要完成ZigBee網(wǎng)絡與局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的設計方法是在CC2430F64的外圍電路中增加局域網(wǎng)控制器，但這種方法需要CC2430F64移植網(wǎng)絡協(xié)議，從而增加其內(nèi)存的消耗，使其無法專注于ZigBee網(wǎng)絡自身的建立等工作。因此，系統(tǒng)采用與STM32F205ZCT6屬于同一系列的帶有網(wǎng)絡接口的互聯(lián)型微控制器STM32F207VCT6[5]作為ZigBee網(wǎng)絡與局域網(wǎng)的轉(zhuǎn)換單元，以提高CC2430F64的運行效率。

3系統(tǒng)軟件的設計

3.1現(xiàn)場監(jiān)控單元的軟件設計

為了降低移植操作系統(tǒng)所帶來的內(nèi)存消耗，現(xiàn)場監(jiān)控單元的軟件部分采用傳統(tǒng)的“等待+中斷”的方式進行設計，由主程序和中斷子程序組成，如圖3所示。

圖3　現(xiàn)場監(jiān)控單元程序流程圖

主程序在完成硬件初始化后，進入低功耗模式，等待中斷子程序的發(fā)生。硬件初始化任務主要完成微控制器內(nèi)部和外部設備的配置工作，當用戶將NFC卡放置在用戶信息讀卡器表面時，中斷即可產(chǎn)生，此時，微控制器將讀取用戶的用車狀況，若讀取的信息為“未借車”，則微控制器打開車鎖，并將“已借車”信息寫入用戶的NFC卡中。若讀取的信息為“已借車”，則微控制器通過LCD顯示屏提醒用戶將車輛放置回車位處，并開啟電磁鎖的電源，等待用戶歸還車輛，當電磁鎖感應到車輛已歸還完畢時，車輛信息讀卡器將讀取自行車上相應位置的車輛RF標簽中的車輛信息，并進行核對，如果該車為校園公共自行車，則提示用戶成功歸還車輛，并將NFC卡中的信息變更為“未借車”。用戶完成借車或還車操作后，中斷子程序結(jié)束，主程序?qū)⒎祷氐却隣顟B(tài)。

3.2ZigBee協(xié)議棧的移植

為了降低建立ZigBee網(wǎng)絡的難度，快速地完成網(wǎng)絡的組建工作，系統(tǒng)在各個節(jié)點移植了基于ZigBee2006標準的協(xié)議棧Z-Stack。該協(xié)議棧是由TI公司針對CC2430芯片而推出的軟件開發(fā)平臺，在該平臺中已將CC2430的底層驅(qū)動全部固化到其中，用戶可直接調(diào)用。與ZigBee2004標準相比，使用該協(xié)議棧開發(fā)ZigBee網(wǎng)絡，不僅可以提高無線網(wǎng)絡的安全性，增強網(wǎng)絡的層次性，也可提高系統(tǒng)的可靠性，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期。

在完成Z-Stack協(xié)議棧移植的基礎上，各個節(jié)點實現(xiàn)了以下功能：①匯聚節(jié)點,建立和維護ZigBee網(wǎng)絡；收集路由器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫@局域網(wǎng)中。②路由器節(jié)點,接受終端傳輸節(jié)點加入網(wǎng)絡，建立路由表，將終端傳輸節(jié)點和自身采集的數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點。③終端傳輸節(jié)點,加入ZigBee網(wǎng)絡后，等待現(xiàn)場監(jiān)控單元上傳數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給路由器節(jié)點。

3.3LwIP網(wǎng)絡協(xié)議的移植

雖然STM32F207VCT6內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器，卻僅實現(xiàn)了MAC層的功能，為了與接入互聯(lián)網(wǎng)的設備進行通信，需要移植TCP/IP協(xié)議棧，最著名的TCP/IP協(xié)議棧是BSD TCP/IP協(xié)議棧，但該協(xié)議需要較大的存儲容量，因此，不適于系統(tǒng)使用。而LwIP作為一種輕量級的TCP/IP協(xié)議棧[7]，占用的內(nèi)存較少，支持較為完整的TCP/IP協(xié)議，且十分便于裁減、被應用到系統(tǒng)的開發(fā)中。在移植LwIP時，需要利用STM32的庫函數(shù)在文件ethernetif.c中完成底層網(wǎng)絡驅(qū)動的封裝，并在opt.h文件中對LwIP協(xié)議棧的內(nèi)存和緩沖容量等參數(shù)進行配置。

3.4數(shù)據(jù)倉庫的設計

數(shù)據(jù)倉庫是整個管理系統(tǒng)的重要組成部分，用于存儲系統(tǒng)所需要的全部數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否合理直接影響整個系統(tǒng)的運行。因此，根據(jù)地圖數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)的特點，將數(shù)據(jù)倉庫分為空間數(shù)據(jù)庫、信息數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫3個子庫，如圖4所示，并使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle 11g進行存儲。

圖4　數(shù)據(jù)倉庫的結(jié)構(gòu)

空間數(shù)據(jù)庫[8]是數(shù)據(jù)倉庫的中樞部分，采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型法進行入庫操作，包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中，空間數(shù)據(jù)存儲了空間實體的地理特征，并以層的形式進行顯示，包括校園地形層和存車點層。屬性數(shù)據(jù)則存儲了與空間實體相關(guān)的非地理信息，例如存車點的容量、建立時間等。信息數(shù)據(jù)庫用于管理自行車使用人的個人信息、自行車信息等。實時數(shù)據(jù)庫用于存儲借車人使用自行車的狀態(tài)。

利用該數(shù)據(jù)庫，用戶不僅可實時查詢存車點的自行車數(shù)量，并對可能發(fā)生的異常狀態(tài)進行預警，還可以瀏覽自行車的實時使用狀況。監(jiān)控平臺的正常運行需要數(shù)據(jù)倉庫中的3個數(shù)據(jù)庫形成一個高度統(tǒng)一的整體，為了實現(xiàn)這一要求，需要設置相互對應的外部關(guān)鍵字來完成三者的有效連接。

4監(jiān)控平臺的架構(gòu)設計

監(jiān)控平臺作為系統(tǒng)與用戶進行互動的媒介，選用武漢中地數(shù)碼公司推出的MapGIS K9系列軟件中的數(shù)據(jù)中心集成開發(fā)平臺[9]進行GIS開發(fā)，該開發(fā)平臺采用懸浮倒掛式支撐的架構(gòu)，可利用搭建式和配置式的開發(fā)方法對系統(tǒng)的監(jiān)控平臺進行構(gòu)建，改變了傳統(tǒng)的基于組件式的二次開發(fā)模式。

圖5所示為監(jiān)控平臺的GIS軟件架構(gòu)，該架構(gòu)采用基于Client/Server(客戶端/服務器)模式的三層結(jié)構(gòu)進行設計，包括應用層、應用支撐層和數(shù)據(jù)資源層[10]。這種設計架構(gòu)將系統(tǒng)進行分層管理，各層功能明確，并能單獨更新，增強了系統(tǒng)的整體性能。各層之間可通過接口進行通信，以保證監(jiān)控平臺的正常運行。

圖5　監(jiān)控平臺的GIS結(jié)構(gòu)

5系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)能否實現(xiàn)設計的功能，選取某高校作為系統(tǒng)的測試地點，測試的主要內(nèi)容是監(jiān)控平臺的功能驗證。該?，F(xiàn)包括東、中、西三個校區(qū)，其中東校區(qū)為待建區(qū)域，中、西兩個校區(qū)已投入使用，在進行系統(tǒng)測試時，只在中、西兩校區(qū)分別建立獨立的ZigBee無線網(wǎng)絡。由于該校的主要建筑物(例如圖書館、教學樓等)均位于校內(nèi)主干道路兩側(cè)，因此，將存車點放置在主干道路離建筑物較近的一側(cè)，可便于師生的使用,實時狀態(tài)查詢圖略——編者注。

這一布局可使位于存車點處的ZigBee傳輸節(jié)點之間沒有任何阻擋物，以減少純路由器節(jié)點的使用。根據(jù)實際情況，在適當?shù)奈恢?，放置少量的純路由器?jié)點，以使ZigBee網(wǎng)絡能覆蓋到各個存車點。而匯聚節(jié)點則放置在西校區(qū)圖文信息樓和中校區(qū)圖書館的樓頂處，并與樓內(nèi)的校園網(wǎng)相連，從而將底層信息傳輸?shù)轿挥谖餍^(qū)的實驗室內(nèi)，在該實驗室內(nèi)建立了數(shù)據(jù)倉庫和監(jiān)控平臺，為管理者提供可視化的測試界面。在系統(tǒng)的總體架構(gòu)建立后，經(jīng)過測試，監(jiān)控平臺可實現(xiàn)以下功能：①地圖操作功能；②查詢功能；③預警功能。

結(jié)語

隨著社會的進步，單一技術(shù)已不能滿足生產(chǎn)和生活的需求。將GIS、ZigBee和NFC技術(shù)融入到校園公共自行車管理系統(tǒng)的建設中，可實現(xiàn)多技術(shù)的集成。GIS技術(shù)能滿足用戶對可視化的需求，通過GIS技術(shù)，用戶不僅能觀察各存車點的分布信息，還可以觀察各存車點以及車輛的實時狀態(tài)；ZigBee技術(shù)提供了靈活的組網(wǎng)方式，NFC技術(shù)的引入則為用戶提供了安全的身份識別模式。利用本系統(tǒng)，可為校園公共自行車的管理提供可靠的保障和支持，從而提高了管理水平。系統(tǒng)所使用的技術(shù)，可應用到校園管理的其他領(lǐng)域，以實現(xiàn)校園管理的數(shù)字化與智能化全覆蓋。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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Yu Baokun,Hu Yu,You Qihan

(College of Electronic Information and Automation,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300222,China)

Abstract：With the study of management status of the campus public bicycle,a management system of campus public bicycle is designed,which realizes organic integration of NFC,ZigBee and GIS technologies.NFC technology is responsible for collecting and verifying the user information,and the real-time status of borrowed bicycles is transferred to GIS platform by ZigBee network for analysis and display,so that the manager can make fast and accurate judgment.The test results show that the management system workes stably,it can complete expected function.The system provides a foundation for extending management system of campus public bicycle to other management domains in campus.

Key words:multi-technology integration;campus public bicycle;NFC;ZigBee;GIS

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-11-23)

中圖分類號:TP208

文獻標識碼:A

* 資助項目 ：天津科技大學大學生實驗室創(chuàng)新基金項目(項目編號：1502A201X)。