王風(fēng)雷+秦會(huì)斌+崔佳冬

摘 要：為了改善共享單車機(jī)械鎖密碼不安全、電子鎖成本高的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于藍(lán)牙控制的共享單車系統(tǒng)。單車車鎖采用藍(lán)牙與Android客戶端通信，客戶端App請(qǐng)求云服務(wù)器獲得對(duì)車鎖的開(kāi)關(guān)控制，將用戶信息、單車信息上傳至云服務(wù)器，云服務(wù)器將信息持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中。針對(duì)手機(jī)的高并發(fā)訪問(wèn)量，云服務(wù)器搭載Nginx，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和反向代理。測(cè)試結(jié)果表明，該共享單車系統(tǒng)成本低、安全性高，通過(guò)該系統(tǒng)，用戶可以請(qǐng)求云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)單車車鎖的控制。

關(guān)鍵詞：共享單車；云服務(wù)器；Android；藍(lán)牙

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

共享單車是中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的應(yīng)用實(shí)踐，解決了“最后一公里”的問(wèn)題，緩解了交通擁堵，真正實(shí)現(xiàn)了綠色出行，利國(guó)利民[1]。目前，共享單車機(jī)械車鎖的密碼由用戶通過(guò)App獲取，密碼不可改變，安全性低；電子車鎖需要連接云服務(wù)器，安全性高，但是硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本較高、耗電量高。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了基于藍(lán)牙控制的共享單車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)Android手機(jī)匹配單車藍(lán)牙車鎖，請(qǐng)求云服務(wù)器獲取“鑰匙”，實(shí)現(xiàn)對(duì)車鎖的開(kāi)關(guān)控制。同時(shí)，云服務(wù)器將用戶和單車的信息持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由Android客戶端、網(wǎng)頁(yè)后臺(tái)管理中心、云服務(wù)器和藍(lán)牙單車車鎖組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

云服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)控計(jì)算平臺(tái)[2]，為管理人員與手機(jī)App提供服務(wù)，響應(yīng)用戶與管理人員的操作。手機(jī)App發(fā)送HTTP請(qǐng)求到云服務(wù)器，解析云服務(wù)器返回的JSON數(shù)據(jù)，下發(fā)藍(lán)牙控制信息，經(jīng)車鎖藍(lán)牙MCU處理后，最終達(dá)到控制車鎖開(kāi)閉的功能。藍(lán)牙車鎖也可通過(guò)串口向藍(lán)牙模塊輸出藍(lán)牙信息，手機(jī)App響應(yīng)藍(lán)牙信息，最終實(shí)現(xiàn)手機(jī)App與硬件控制部分的雙向通信。

用戶在注冊(cè)登錄成功后，進(jìn)入用車界面；打開(kāi)手機(jī)藍(lán)牙，匹配車鎖藍(lán)牙，App后臺(tái)將用戶信息和車鎖信息上傳到云端服務(wù)器；用戶點(diǎn)擊開(kāi)始用車，云服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，記錄用戶信息和車鎖信息，并返回“鑰匙”給App，通過(guò)藍(lán)牙與車鎖通信打開(kāi)車鎖。當(dāng)車鎖關(guān)閉后，藍(lán)牙將已鎖狀態(tài)發(fā)送給App，App界面結(jié)束用車，若中途斷開(kāi)藍(lán)牙，則結(jié)束用車后用車界面無(wú)法進(jìn)行操作。手機(jī)端用車的業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

2 云服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 云服務(wù)器架構(gòu)

云服務(wù)器架構(gòu)圖如圖3所示。

本文采用阿里云作為云計(jì)算中心，提供簡(jiǎn)單高效、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)。阿里云上搭載Nginx、Tomcat、Redis和MySQL，Nginx 作為反向代理，將 App 端或者瀏覽器端的請(qǐng)求根據(jù)權(quán)重分配給兩臺(tái)Tomcat，Redis作為兩臺(tái)Tomcat的共享session數(shù)據(jù)服務(wù)器，緩存已驗(yàn)證的用戶信息。

Tomcat1的IP地址為106.15.90.190，Tomcat2的IP地址為106.14.9.111，在106.15.90.190的云服務(wù)器上搭載Nginx，配置Nginx，具體的配置如下[3]：

worker_processes 2；

events {

worker_connections 1024；}

http {

include mime.types；

default_type application/octet-stream；

sendfile on；

keepalive_timeout 65；

//配置被代理的服務(wù)器

upstream live_node {

server 106.15.90.190：8080；

server 106.14.9.111：8080；}

server {

//配置訪問(wèn)域名及監(jiān)聽(tīng)80端口

listen 80；

server_name 106.15.90.190；

//指定被代理目標(biāo)

location / {

proxy_pass http：//live_node；}

//配置錯(cuò)誤頁(yè)面

error_page 500 502 503 504 /50x.html；

location = /50x.html {

root html；}

}

}

當(dāng)有請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)Nginx將請(qǐng)求進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[4]，保證一個(gè)入口將所有請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到Tomcat1或Tomcat2，同時(shí)減輕這兩臺(tái)Tomcat的負(fù)載壓力。將Tomcat1和Tomcat2的session緩存到Redis中[5]，確保訪問(wèn)的是同一個(gè)session，配置Tomcat conf目錄下的context.xml。

redissessins.RedisSessionHandlerValve” />

host=“106.15.90.190”

port=“6379”

database=“0”

maxInactiveInterval=“1800”/>

<！--redis過(guò)期時(shí)間默認(rèn)是60 s，設(shè)置session過(guò)期時(shí)間為1 800 s-->

Redis是鍵值對(duì)類型的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，用Redis作為MySQL的緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠減小MySQL的壓力。服務(wù)器先查找Redis服務(wù)器中是否有登錄用戶的信息，有則取出使用，無(wú)則查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，查看是否可以驗(yàn)證，將驗(yàn)證后的用戶緩存到Redis服務(wù)器中，從而減少對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。實(shí)現(xiàn)的部分代碼如下：

//先查詢緩存

try {

String json = jedisClient.hget（INDEX_USER， uid + “”）；

//查詢到結(jié)果，把json轉(zhuǎn)換成對(duì)象返回

if （StringUtils.isNotBlank（json）） {

User findUser = JsonUtils.

jsonToPojo（json， User.class）；

return findUser；}

} catch （Exception e） {

e.printStackTrace（）；}

//緩存中沒(méi)有，需要查詢數(shù)據(jù)庫(kù)

User findUser = userService.login（telphone，password）；

//把結(jié)果添加到緩存

try {

jedisClient.hset（INDEX_“USER”， uid + “”，JsonUtils.objectToJson（findUser））；}

catch （Exception e） {

e.printStackTrace（）；}

return findUser；

2.2 云服務(wù)器框架

云服務(wù)器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)框架采用Struts+Spring+Hibernate，該框架從職責(zé)上分為Web層、業(yè)務(wù)層、DAO層和持久層。其中，使用Struts作為系統(tǒng)的整體基礎(chǔ)架構(gòu)，負(fù)責(zé)MVC的分離，在Struts框架的模型部分控制業(yè)務(wù)跳轉(zhuǎn)。利用Hibernate框架對(duì)持久層提供支持。Spring做管理，管理Struts和Hibernate。

系統(tǒng)的基本業(yè)務(wù)流程為：在Web層中，通過(guò)JSP頁(yè)面實(shí)現(xiàn)交互界面，負(fù)責(zé)接收請(qǐng)求和傳送響應(yīng)，然后Struts根據(jù)配置文件（struts-config.xml）將ActionServlet接收到的Request委派給相應(yīng)的Action處理；在業(yè)務(wù)層中，管理服務(wù)組件的Spring IoC容器負(fù)責(zé)向Action提供業(yè)務(wù)模型（Model）組件和該組件的協(xié)作對(duì)象數(shù)據(jù)處理（DAO）組件完成業(yè)務(wù)邏輯，并提供事務(wù)處理、緩沖池等容器組件以提升系統(tǒng)性能和保證數(shù)據(jù)的完整性；而在持久層中則依賴于Hibernate的對(duì)象化映射和數(shù)據(jù)庫(kù)交互，處理DAO組件請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，并返回處理結(jié)果[6]。

該開(kāi)發(fā)模型不僅實(shí)現(xiàn)了視圖、控制器與模型的徹底分離，而且可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層與持久層的分離。不同層之間耦合度小，大大提高了開(kāi)發(fā)效率。

2.3 云服務(wù)器功能的實(shí)現(xiàn)

云服務(wù)器系統(tǒng)主要分為網(wǎng)頁(yè)后臺(tái)服務(wù)和用戶App服務(wù)，管理人員通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)，查看用戶及藍(lán)牙車鎖的信息。App服務(wù)為Android客戶端提供接口，根據(jù)App提供的信息對(duì)用戶和藍(lán)牙車鎖信息進(jìn)行記錄，并持久化到MySQL中。系統(tǒng)服務(wù)圖如圖4所示。

App與云服務(wù)器的通信主要通過(guò)發(fā)送HTTP請(qǐng)求，使用輕量級(jí)的JSON數(shù)據(jù)交換格式實(shí)現(xiàn)。云服務(wù)器為App提供5個(gè)接口：用戶注冊(cè)、用戶登錄、打開(kāi)車鎖、獲取用戶當(dāng)前是否打開(kāi)車鎖、關(guān)閉車鎖。

網(wǎng)頁(yè)的后臺(tái)服務(wù)中，為防止非登錄認(rèn)證的管理員直接訪問(wèn)某些頁(yè)面、功能菜單項(xiàng)或action名，使用Struts自定義攔截器，繼承Method Filter Interceptor類，并在Struts的配置文件中放行登錄方法，登錄后將所驗(yàn)證的登錄名和密碼放到Redis服務(wù)器中。若攔截器查詢到Redis服務(wù)器中有驗(yàn)證過(guò)的登錄名，則放行；否則，跳轉(zhuǎn)到登錄頁(yè)面。根據(jù)Ajax的請(qǐng)求查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，將前臺(tái)頁(yè)面不需要的數(shù)據(jù)排除在外，再將數(shù)據(jù)以JSON格式返回，前臺(tái)Ajax的回調(diào)函數(shù)解析數(shù)據(jù)并進(jìn)行地圖上的顯示。

3 客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 客戶端功能說(shuō)明

客戶端各功能模塊如圖5所示。

（1） 登錄模塊：注冊(cè)時(shí)，本地校驗(yàn)是否為正確的手機(jī)號(hào)，并向云服務(wù)器驗(yàn)證是否已經(jīng)注冊(cè)過(guò)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，向手機(jī)號(hào)發(fā)送驗(yàn)證碼，填寫驗(yàn)證碼進(jìn)行注冊(cè)。一經(jīng)登錄，下次使用時(shí)App會(huì)自動(dòng)登錄。

（2） 用戶使用模塊：在車輛使用方面，采用手機(jī)應(yīng)用和藍(lán)牙模塊建立雙向通信達(dá)到控制車鎖的目的。需要用車時(shí)，使用手機(jī)藍(lán)牙適配器[7]連接藍(lán)牙模塊建立Socket通信通道。只要藍(lán)牙不關(guān)閉或者不超過(guò)最大通信距離，該通道將會(huì)保持，直到手動(dòng)關(guān)閉。通信建立后，手機(jī)端通過(guò)Socket攜帶控制命令到藍(lán)牙模塊，也可以控制單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到藍(lán)牙模塊與手機(jī)通信。對(duì)于車輛行程監(jiān)控，需要用戶開(kāi)啟后才能進(jìn)入工作，該功能集成的是百度地圖API，調(diào)用百度地圖的定位功能，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)手機(jī)位置定位車輛。在用戶結(jié)束用車后會(huì)將車輛最后的坐標(biāo)位置通過(guò)手機(jī)App上傳到云服務(wù)器。在車輛使用過(guò)程中，若用戶開(kāi)啟了路徑監(jiān)控模式，則可以描繪出運(yùn)行軌跡，同時(shí)計(jì)算車輛的行駛速度、路程和騎行時(shí)間；若用戶未開(kāi)啟該模式，則不會(huì)進(jìn)入路徑監(jiān)聽(tīng)模式，百度地圖只進(jìn)行定位。

（3）藍(lán)牙車鎖控制模塊：手機(jī)藍(lán)牙與車鎖藍(lán)牙通信后，向云服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求，通過(guò)解析返回的JSON數(shù)據(jù)，拿到“鑰匙”，從而對(duì)車鎖進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。同時(shí)，藍(lán)牙車鎖端監(jiān)測(cè)到車鎖關(guān)閉后，向手機(jī)發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)，App監(jiān)聽(tīng)到狀態(tài)改變，向云服務(wù)器請(qǐng)求結(jié)束計(jì)費(fèi)，App可以結(jié)束用車。

3.2 客戶端框架endprint

在Android Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用MVC開(kāi)發(fā)架構(gòu)。視圖層接收輸入和顯示結(jié)果，生成App界面；控制層用來(lái)處理用戶交互的部分，接收到用戶的輸入后向模型發(fā)送數(shù)據(jù)；模型層調(diào)用程序的數(shù)據(jù)邏輯部分，定義了HTTP通信模塊、藍(lán)牙通信模塊、數(shù)據(jù)解析模塊等[8，9]。

手機(jī)App與車鎖藍(lán)牙建立Socket通信，開(kāi)啟一個(gè)子線程不斷輪詢，通過(guò)套接字Socket獲取字節(jié)輸入流，解析并獲取數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)使用廣播發(fā)送給主線程處理。接收藍(lán)牙信息的代碼如下：

class ServiceReceiveThread extends Thread{

@Override

public void run（）{

byte[] buf=new byte[10]；

while （btSocket ！= null）{

BufferedInputStream bis=new BufferedInputStream（ btSocket.getInputStream（））；

int read = bis.read（buf）；//接收藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)

int r=（int）buf[0]；

if（r==21）{

//發(fā)送數(shù)據(jù)到主線程

handler.sendEmptyMessage（1）；

sendBroadcast（newIntent

（“SERVICE_DISCONNECT”））；}

sleep（2000）；}}

客戶端與云服務(wù)器通信采用http連接，使用Apache異步網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求框架AsyncHttpClient，首先在父類Activity中新建該類的實(shí)例，子類Activity使用該類向云服務(wù)器發(fā)送post請(qǐng)求，云服務(wù)器返回JSON數(shù)據(jù)至App[10]。

protected void SendMsgToServer（）{

RequestParams params=new RequestParams（）；

params.put（“telephone”， MyApplication.tel）；

params.put（“bluetoothId”，MyUtils.getStrValue（getContext（）， “device_addr”））；

client.post（GloubleConst.MAIN+GloubleConst.START_CHARGE， params，new AsyncHttpResponseHandler（）{

@Override

public void onSuccess（final String content）{

if（content.equals（“1”））{

//車輛可以使用

handler.sendEmptyMessage（CAN_USE_BIKE）；}

else if（content.equals（“0”））{

//已經(jīng)在使用

handler.sendEmptyMessage（CANNOT_USE_BIKE）} }）；}

@Override

public void onFailure（Throwable error， String content）{...}//網(wǎng)絡(luò)連接失敗處理

}）；}

onSuccess（）和onFailure（）方法接收請(qǐng)求成功或失敗的消息，onSuccess（）方法的參數(shù)content為云服務(wù)器返回的JSON數(shù)據(jù)。

4 藍(lán)牙車鎖

藍(lán)牙車鎖控制器使用MSP430單片機(jī)，內(nèi)置2.4 G無(wú)線發(fā)射天線的HC-06藍(lán)牙模塊。該藍(lán)牙模塊支持兩種模式：一種是上電后只能接受命令的從機(jī)模式；另一種是主從機(jī)一體模式。該系統(tǒng)在主從機(jī)一體模式下，通過(guò)串口調(diào)試工具，利用AT指令修改默認(rèn)屬性。當(dāng)手機(jī)端應(yīng)用成功連接藍(lán)牙后，即可建立通信。同時(shí)，手機(jī)端通過(guò)套接字向模塊寫入數(shù)據(jù)。另外，控制單元也可通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)應(yīng)用端，實(shí)現(xiàn)雙向通信。

5 客戶端和后臺(tái)中心界面展示

Android客戶端以精簡(jiǎn)、靈活為前提，主要為用戶注冊(cè)登錄、匹配車鎖、開(kāi)始/結(jié)束用車、行程記錄和個(gè)人信息界面，Android客戶端部分界面如圖6所示。

后臺(tái)管理中心主要包括登錄界面、用戶信息、車鎖信息和車鎖地圖顯示界面。其中，用戶信息界面和車鎖信息界面可以進(jìn)行搜索。車鎖地圖顯示界面如圖7所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于藍(lán)牙控制的共享單車系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)，該系統(tǒng)結(jié)合云平臺(tái)、Android平臺(tái)和藍(lán)牙技術(shù)，基于Android手機(jī)獲取經(jīng)緯度，并持久化到云服務(wù)器中，便于對(duì)單車進(jìn)行維護(hù)，為共享單車市場(chǎng)提供一種安全、易實(shí)施的設(shè)計(jì)參考。

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