郭宵冉，曾家明，左欣，王橋，楊世龍，李洋，畢亞楠，田江濤，游順才

（貴州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州貴陽，550018）

0 引言

在日常生活中，每個人很難每天攜帶雨傘，在遇到降雨天氣購買雨傘會造成資源的浪費，很有可能沒有準備雨傘被淋雨。共享雨傘有效的減少資源的浪費，同時方便人們出行。本文設(shè)計開發(fā)出一套可智能租借和歸還的共享雨傘系統(tǒng)，可投放于人流密集的地區(qū)，以便應(yīng)對突發(fā)性降雨天氣，提高人們的生活質(zhì)量。本發(fā)明主要由后臺服務(wù)器、后臺管理系統(tǒng)、微信小程序和傘樁設(shè)備構(gòu)成。后臺服務(wù)器由Java搭建，管理系統(tǒng)由VUE+ElementUI實現(xiàn)，硬件設(shè)備使用射頻識別技術(shù)讀取雨傘上電子標簽，再利用STM32單片機控制傘樁的內(nèi)部運作，用戶通過微信掃描二維碼進入傘約小程序，用個人微信號在傘約小程序中完成注冊，客戶端將用戶借還傘信息傳送至后臺服務(wù)器，服務(wù)器下達指令到傘樁設(shè)置上的4G模塊，傘樁設(shè)備內(nèi)的單片機判斷并處理4G模塊接收“借傘”或者“還傘”指令控制電磁鎖打開，并通過4G模塊將雨傘信息反饋至服務(wù)器，微信小程序提示借傘或者還傘成功，用戶便可借出換入雨傘。這種基于無線射頻通訊的共享雨傘裝置不僅為在突發(fā)性降雨天氣沒有攜帶雨傘的人們提供幫助，同時在雨傘傘面和傘樁上做產(chǎn)品廣告有利于產(chǎn)品的推廣。

圖1 硬件模塊圖

1 硬件模塊

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

共享雨傘分為傘樁和雨傘兩部分。傘樁內(nèi)有STM32單片機、電磁鎖模塊、4G模塊以及鎖扣中的RFID模塊。當(dāng)用戶用傘時，控制系統(tǒng)內(nèi)的4G模塊收到服務(wù)器的信息，根據(jù)共享雨傘裝置上每個鎖扣上不同的的標識，STM32單片機在不同的I/O口輸出不同的信號來控制相應(yīng)電磁鎖中的電磁繼電器，進而控制鎖扣的開關(guān)，每一次開鎖STM32單片機內(nèi)部程序都進行一次計數(shù)并進行記錄，用來判斷儲傘箱中是否有傘[1]。當(dāng)用戶支付成功后，電磁鎖自動打開，用戶即可拿出雨傘使用，用戶取出雨傘后，RFID閱讀器感應(yīng)到傘柄上的電子標簽后，電磁鎖自動關(guān)閉。

當(dāng)用戶還傘時，如果STM32單片機判斷儲傘箱里面有雨傘時，小程序界面提示用戶，該儲傘箱內(nèi)傘已滿，請到?jīng)]有雨傘的傘樁內(nèi)還傘，把雨傘放回儲傘箱后用戶把鎖殼還原到初始位置，這樣便完成了一套完整的借傘和還傘的過程。

1.2 雨傘傘樁的內(nèi)部構(gòu)造

本裝置傘樁設(shè)計簡單，功能性強。該新型共享雨傘裝置在結(jié)構(gòu)上進行了精簡，由儲傘箱，電磁鎖，控制箱組成，其電磁鎖結(jié)構(gòu)簡單，不易損壞，成本低，故障維修難度低。

傘樁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由STM32單片機傘箱、進傘通道、出傘通道、RFID硬件設(shè)施、4G模塊等組成。服務(wù)器作為信號媒介，系統(tǒng)整體由STM32單片機控制，雨傘和系統(tǒng)直接的連接通過對傘樁上的二維碼進行掃描及其傘上電子標簽和特定的二維碼對應(yīng)實現(xiàn)。STM32基于低成本、低功耗、高性能的特定以及內(nèi)置外設(shè)的輸入輸出引腳具有重映功能滿足設(shè)計需求?；诖耍琒TM32單片機來控制整個傘樁系統(tǒng)的收放機的運行。傘樁內(nèi)放置雨傘，雨傘傘柄貼有對應(yīng)的電子標簽，當(dāng)用戶掃描傘樁外部的二維碼，進入微信小程序，服務(wù)器向傘樁內(nèi)的4G模塊發(fā)送信號，傘樁內(nèi)的STM32單片機接收4G模塊傳來的信號，并控制傘樁內(nèi)的電磁鎖打開，雨傘從儲傘箱內(nèi)滑出，經(jīng)過出傘口的時，傘上的電子標簽被出出傘口處的RFID閱讀器識別，完成系統(tǒng)下達的指令；還傘時，還傘口處的RFID閱讀器識別電子標簽，自動裝置啟動，雨傘滑入儲傘箱內(nèi)。

1.3 RFlD系統(tǒng)

RFID是一種先進的非接觸式射頻自動識別技術(shù)，因無源RFID標簽成本低，使用壽命長，速度快，抗干擾能力強?；诖藢o源RFID標簽安裝在本發(fā)明的每把雨傘上，即在雨傘傘柄內(nèi)固定一個微小的電子標簽，并且事先寫入將與該標簽相匹配的密碼。RFID系統(tǒng)由讀寫器、電子標簽和后臺計算機管理系統(tǒng)組成。電子標簽和讀寫器組成射頻終端，電子標簽儲存識別雨傘身份和屬性的信息并與雨傘結(jié)合，[3]每把雨傘都配有一個電子標簽，讀寫器通過射頻信號和雨傘上的電子標簽進行無線通信并和計算機信息管理系統(tǒng)通信，實現(xiàn)對雨傘上的電子標簽的識別和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀取操作，進而實現(xiàn)雨傘的借還操作和必要的管理。當(dāng)RFID系統(tǒng)工作時，RFID讀寫器通過無線通訊收發(fā)器發(fā)送一定頻率的射頻信號，電子標簽在RFID讀寫器識別的范圍內(nèi)對接收到的射頻信號產(chǎn)生感應(yīng)從而產(chǎn)生能量，這些能量向讀寫器發(fā)送自身所傳達出來的信息，[4]從而將讀寫到的命令加密后傳送給電子標簽，RFID讀寫器識別到電子標簽的信號指令后解碼，進而識別到電子標簽上儲存的唯一識別雨傘身份的信息后，將信息交給后臺計算機管理系統(tǒng)，后臺計算機管理系統(tǒng)根據(jù)電子標簽可以識別唯一身份屬性對借出的雨傘進行跟蹤，計時計費等操作。如圖2RFID系統(tǒng)所示。

圖2 RFID 系統(tǒng)

2 系統(tǒng)模塊

2.1 軟件系統(tǒng)

軟件部分使用前端開發(fā)工具HBuilder設(shè)計了“傘約”共享雨傘APP，使用簡單，操作方便，服務(wù)器的開發(fā)環(huán)境是Eclipse，開發(fā)語言是Java。整個系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，Web服務(wù)器采用A-pache+Tomcat+數(shù)據(jù)庫MySQL。端與端通信為C/S方式。使用Java語言與js提供異步請求，請求后臺數(shù)據(jù)接口，[5]解析后返回json數(shù)據(jù)，微信掃碼打開“傘約”小程序[3]。系統(tǒng)采用通過RFID無線射頻識別技術(shù)記錄跟蹤每把雨傘，用戶租借歸還時，會將識別出雨傘的唯一ID，通過4g模塊傳輸給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實現(xiàn)雨傘狀態(tài)的數(shù)據(jù)更新，設(shè)置雨傘租用的定金和租用的價格。用戶可以通過掃描傘樁上的二維碼借傘，當(dāng)雨傘使用完成并歸還后，用戶可以在微信小程序上查看本次借傘的時長，花費金額，并通過微信或支付寶支付訂單費用。如圖3小程序界面所示。

圖3 小程序界面

2.2 主程序及中心服務(wù)器

主程序主要實現(xiàn)4G模塊的配置，電機轉(zhuǎn)動顯示以及液晶屏顯示等功能。利用A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號輸入計算機，通過STM32單片機實現(xiàn)借還傘的相關(guān)功能，掃碼成功后，電磁鎖打開，用戶拿出雨傘，小程序界面顯示取傘成功；反之，小程序界面顯示取傘失敗。STM32單片機控制系統(tǒng)則由Java來進行編譯。單片機控制系統(tǒng)構(gòu)建共享雨傘的監(jiān)控系統(tǒng)與中心服務(wù)器相連，若檢測到雨傘損壞或者缺失的情況時，及時有效的將情況反饋至中心服務(wù)器并對其進行檢修和補充。

2.3 登錄及賬戶管理

在微信小程序中掃碼借傘，小程序端向后臺服務(wù)器發(fā)送借傘請求，服務(wù)器給硬件設(shè)備發(fā)送指令打開電磁鎖，計時器開始計時并將消息回執(zhí)返回給小程序端，生成訂單，硬件設(shè)備顯示屏顯示借傘成功；若是過程中出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不通，機器故障，雨傘不夠等情況則顯示借傘失敗。

微信賬號一鍵登錄注冊進入程序中，通過授權(quán)獲取用戶手機號登錄注冊并把用戶信息存到后臺服務(wù)器，之后，用戶通過點擊頭像，授權(quán)獲取用戶頭像昵稱等信息展示到個人頁面。放傘點包括距離、是否可借還和導(dǎo)航去放傘點（1）調(diào)用騰訊地圖sdk進行標點，距離計算，顯示在地圖上。（2）進入程序獲取用戶，向后臺發(fā)起請求獲取放傘點展示在地圖上，用戶可以點擊附近的放傘點查看放傘點是否可借、可還，以及到那的距離，然后再次點擊頁面導(dǎo)航去那。押金和充值（1）調(diào)用微信支付接口，服務(wù)器同步更新余額、押金數(shù)值。（2）用戶可在支付租用雨傘的押金后打開傘樁電磁鎖租用雨傘。雨傘借和還通過一個掃碼按鈕實現(xiàn)，每個用戶僅能同時借一把傘，根據(jù)用戶目前狀態(tài)來判斷當(dāng)用戶掃碼的時候是借傘還是還傘，減少了許多不必要的麻煩。借傘之前先判斷是否繳納押金，沒有則跳轉(zhuǎn)到繳納押金頁面。意見反饋 用戶可通過該功能反應(yīng)系統(tǒng)問題和對服務(wù)提出改進。借傘、還傘

2.4 后臺管理系統(tǒng)

后臺管理系統(tǒng)前端頁面是vue+elementUI實現(xiàn)。具體功能模塊如下：

雨傘管理增加刪除雨傘，跟蹤雨傘。雨傘營運人員在系統(tǒng)的雨傘租用管理界面對發(fā)起雨傘調(diào)度。

傘樁管理 增加刪除傘樁，設(shè)置傘樁運行狀態(tài)。雨傘運營人員在系統(tǒng)中管理線下采購雨傘。權(quán)限分配管理給不同的管理員角色賦予不同的功能。不同管理員之間相互約束。訂單管理 對用戶下單情況進行管理，支付租用費用，當(dāng)用戶未按規(guī)定歸還雨傘，可對用戶進行定金扣除。用戶信息管理對借傘用戶進行管理，當(dāng)用戶違規(guī)使用時，可對用戶進行追責(zé)、拉人黑名單。

2.5 后臺服務(wù)器

通過springboot搭建后臺服務(wù)器，采用mysql數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)嗎，redis做緩存，security實現(xiàn)權(quán)限管理，mybatisplus框架對數(shù)據(jù)做持久化。通過mqtt協(xié)議與硬件交互，實現(xiàn)雨傘的借還。如圖4后臺服務(wù)器界面所示。

圖4 后臺服務(wù)器界面

3 結(jié)語

共享雨傘解決了廣大市民在出行時遇到突發(fā)性降雨天氣而沒有攜帶雨傘造成的困擾。該雨傘實現(xiàn)輕松掃碼，一鍵借傘，隨借隨還，讓閑置的雨傘在人們需要時及時出現(xiàn)，發(fā)揮它遮陽擋雨的作用。同時雨傘裝有電子標簽，可以實時監(jiān)控雨傘的使用情況，微信小程序的設(shè)計讓用戶更方便的了解使用該軟件，滿足市民需求，方便市民出行。