基于物联网的公共自行车租赁系统设计与实现

张素文,孙 朋,刘吉昌,曹晓东,何德威

(武汉理工大学 自动化学院, 湖北 武汉 430070)



基于物联网的公共自行车租赁系统设计与实现

张素文,孙 朋,刘吉昌,曹晓东,何德威

(武汉理工大学 自动化学院, 湖北 武汉 430070)

针对地铁等交通不配套所带来“最后一公里”的难题，提出了采用“自行车租赁系统”这一环保和节能的解决方案。该系统采用物联网技术，设计与实现了一种自行车租赁智能控制系统。提出了一种基于GPRS+ZigBee的总体方案架构，通过无线射频(RFID)技术对车辆及租车人的身份进行识别；通过 GPRS 和 ZigBee 无线网络技术实现信息的通信；通过嵌入式技术实现系统的控制。该系统可以实现“无人值守，自助租车，随借随还”的目的。

射频技术；ZigBee；物联网；GPRS；智能租赁

自行车是目前世界各国普及最为广泛的代步交通工具。自行车作为区间非机动车的载人设备，其廉价、轻便、健身、环保、节能的特点尤为突出，是当今乃至很长时间内人们生活中不可或缺和替代的主要交通工具之一。为提倡“低碳环保，绿色出行”的环保意识，推行公共自行车绿色交通，不仅可以解决代步的需求，而且可以较好地解决人们出行衔接“最后一公里”的交通难题。

近些年来，随着地铁等公共交通系统的发展，特别是提倡绿色环保、节约能源的今天，推行公共自行车交通系统已成为社会发展的一个趋势。杭州、武汉、北京、广州等城市都率先进行了城市公共自行车租赁系统的建设，带来了相当可观的社会效益和经济效益，显然推行公共自行车绿色交通的智能管理系统必将有广阔的发展前景。

针对目前自行车租赁站点具有位置分散、数量多、信息统计困难、管理混乱等诸多问题，笔者对传统式(总线+互联网)的通信方法进行了改进，在物联网技术的基础上，设计了一种RFID+ZigBee+GPRS的总体架构，采用分级控制的方法，利用GPRS进行远距离通信，采用ZigBee进行近距离的信息传递。系统采用“集中管理，独立控制”模式，通过无线射频(RFID) 技术对车辆及租车人的身份进行识别；通过 GPRS 和 ZigBee 无线网络技术实现信息的通信；通过嵌入式技术实现系统的控制。实现对自行车网点和每部自行车信息的网络化管理和集中式收费管理，具有较好的灵活性和先进性。

1 系统总体方案设计

系统由桩机、节点机与远程管理终端组成。系统的总体架构如图1所示，由此设计了系统的总体硬件框图，如图2所示。

首先，由桩机上的射频读写模块识别并读取自行车上的标签信息，通过 STM32F103VET6处理并控制电控锁工作，再将租还车信息存储至用户标签卡中，同时通过ZigBee以无线通信的方式转发到节点机；节点机将桩机传送过来的信息汇总后，通过串口通信的方式传至GPRS模块,GPRS模块利用GSM网络实现本地与服务器网络的远程信息交换和传输。上位机终端对得到的数据进行处理、分类和储存，使管理系统能远程实现自行车的租还收费和信息登记等功能，并对桩机实时远程控制。该系统由路灯系统的220 V市电通过一系列变换为24 V直流电进行供电，具有施工便利、使用安全的优点。与此同时，还设计了休眠功能，当一定时间内无人操作时，系统自动处于休眠状态，从而实现系统的低功耗，并配备了USP电源。

图1 公共自行车租赁系统的总体架构

图2 公共自行车租赁系统的总体硬件框图

2 系统的硬件电路设计

2.1 桩机硬件电路设计

2.1.1 射频读写模块设计

射频读写芯片采用了MFRC522，通过其内部发送器驱动读写器天线，对M1卡进行读写，再通过SPI接口与ARM芯片连接[1]。经测试，整体电路匹配度良好，识别度达到6 cm左右，完全满足功能要求。

2.1.2 ZigBee通信模块设计

图3为ZigBee通信模块电路图。其采用了CC2530芯片，通过内部的增强型8051完成ZigBee的组网通信功能，实现桩机部分与节点机的近距离无线通信。

2.1.3 电机驱动模块的硬件电路设计该方案采用控制直流电机

正反转实现电控锁的开关，驱动采用两片半桥驱动芯片BTN7971，组成全桥驱动。

BTN7971是电机驱动应用程序集成的高电流半桥，包含一个p沟道MOSFET高驱动和一个n沟道MOSFET 底端驱动IC。由于p沟道高端开关需要充电泵消除EMI，与单片机相连的接口由简单的集成驱动器集成电路功能来识别逻辑电平输入、诊断其有效性,并进行转换速率调整,死区时间生成和对超温、过压、欠压、过流、短路等保护。BTN7971B提供了低成本优化解决方案保护高电流PWM电机驱动器底板空间消耗，其导通阻抗在150 ℃时为30.5 MΩ，PWM频率上限为25 kHz。通过STM32F103主控板生成的双路PWM信号实现对电机的控制。

2.2 节点机硬件电路设计

2.2.1 GPRS信息传输模块的硬件设计

笔者设计选用的SIM900A通信模块内嵌TCP/IP协议栈，用户只需使用AT指令集，便可与监控中心服务器建立TCP/IP或UDP/IP连接[2]；该模块与单片机之间通过串口通信，传送命令与数据。

2.2.2 处理芯片的选择

处理器芯片选用ST公司的STM32F103，其内置32位数据路径、寄存器、存储器接口，拥有独立的指令总线、数据总线，可有效地实现指令提取和数据访问，使得数据访问不占用指令总线，达到提升系统性能的目标。

2.3 电源管理模块

电源模块输入电压为220 V的交流电，经过变压器转换后为24 V交流电，整流滤波后为24 V直流电，变压器功率为100 W，因此可提供最小电流为4.5 A，保证供电。因给电机供电需要12 V，若直接采用线性稳压芯片，电源效率只有35%，为了达到节能减排的目的，只有增加设计电路的成本，采用反激降压电路，其效率可以达到90%以上[3]。但开关型电路噪声较大，因此需要增加滤波电路，滤波后的纹波噪声可达到50～100 mV，该电压不能直接供给主控芯片，因此采取先开关降压再线性稳压的方式，保证系统正常工作。线性稳压芯片采用LM1085，过流可以达到5 A，且压差较小，电压输入范围较大，可以同时为各个模块供电[4-5]。

图3 ZigBee通信模块电路图

3 系统软件设计

3.1 系统总体软件设计

该系统采用STM32F103VET6作为主控芯片，通过SPI通信协议控制射频读写装置的读写模块对自行车上的射频标签进行读写操作，然后通过ZigBee拓扑网络与节点机相连[6]，由主控板上的MCU与SIM900A模块将信息传送至总机房的上位机管理系统，实现组网，达到系统功能要求。

3.2 主要模块程序设计

3.2.1 射频模块程序设计

程序中包括以下几个步骤：寻卡、防冲撞算法、选定卡片、验证卡片密码、读/写卡片等。具体流程是先通过MCU发出寻卡请求，检测到卡片后进行防冲撞验证，再对卡片类别进行判断，同时验证密码，最后进行读写操作。由于每个M1卡具有唯一的密码，因此可以保证卡片和个人信息的安全。射频读写模块程序流程图如图4所示。

图4 射频读写模块程序流程图

3.2.2 ZigBee通信模块程序设计

ZigBee网络由3个部分组成：协调器、路由器、终端节点。协调器被称为汇聚节点，负责分配各节点的网络地址。路由器除了发送和接收数据外，还要担当路由的功能，为其子节点转发数据。终端节点可实现数据交换，但不承担特定的网络结构，可以随时加入或退出网络。

ZigBee网络通常构成3种拓扑结构：星形网络(Star)、树形网络(Tree)和网状网络(Mesh)[7-8]，如图5所示。其中星形网络由一个协调器和多个终端节点构成，同时协调器也承担路由的功能，所有终端节点信息都通过其转发，这种网络结构简单高效，但容量较小。树形网络的终端节点信息则由树干上的路由节点转发，沿着树干方向汇聚到协调器。网状网络的每一个终端节点都具有路由转发功能，任何节点信息都可以通过多条路径到达汇聚节点[9]，这种网络动态性能好，容量大，但结构比较复杂，需要设计算法对节点转发路径进行优化。

图5 ZigBee拓扑网络结构

由于所设计的自行车智能租赁系统，单个站点的节点数较少，通信距离较短(20～30 m之间)，主要用于节点机与桩机间的信息交互，且单个站点ZigBee节点数较少。因此，笔者选用星形网络结构搭建系统。

ZigBee通过如下几个步骤进行协调器初始化网络：首先检测协调器、信道扫描、配置网络参数、运行新网络、允许设备加入网络；然后准备节点加入网络，通过MAC层关联加入网络；最后通过与先前指定的父节点连接加入网络。其交互信息流程图如图6所示。

图6 ZigBee交互信息流程图

3.2.3 GPRS信息传递模块程序设计

GPRS模块软件部分工作流程为： 模块上电后先进行硬件初始化的设置，配置好传输波特率和线路参数，再打开并校验SIM卡，待GPRS模块进入就绪状态后，登录网络并与管理端进行握手应答。其中模块登录成功后会获得一个动态分配的IP地址，并不断发送请求，等待应答。若重复3次无应答，则无法建立数据链路；若握手成功，即可进行数据传输，节点机便可将打包好的数据向管理中心发送，同时管理中心也可以下发指令，通过节点机对桩机实现远程控制。GPRS工作流程图如图7所示。

图7 GPRS工作流程图

4 系统运行结果

将制作好的电路进行连接，并通过GPRS实现与PC机之间的数据通信。若经测试数据通信功能正常，则下位机端读卡、写卡，液晶显示功能达到预期效果，上位机端能正常完成数据发送接收，实现充值、扣费、办卡、查询等功能。其实验装置如图8和图9所示，上位机实验界面如图10所示。

图8 节点机实验装置

图9 整体实验装置

图10 上位机办卡功能实验界面

5 结论

笔者设计的公共自行车租赁系统以GPRS+ZigBee为通信手段，实现自行车租还信息的远程交换与控制，采用射频技术进行车辆与人员的认证，有效地提高了系统的便捷性和安全性。经测试，该系统刷卡功能及通信方式运行良好，配合管理服务系统使用，具有广阔的市场前景。

[1] 王秀敏,高凌鸿.一种新的基于ARM的RFID测试系统设计研究[J].计算机测量与控制,2012,20(8):2045-2051.

[2] 马礼,王春磊,薛粉叶,等.基于GPRS的无线数据收发终端设计与实现[J].计算机科学,2012,39(11A):72-75.

[3] 张素文,兰军健,叶晨僖,等.基于RFID和GPRS的远程监控系统设计与实现[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2013,35(4):507-510.

[4] 王肖楠,张兴波,李炳祥.基于GPRS和基站定位的城市公交监控装置[J].电子技术应用,2013,39(2):39-41.

[5] 惠鹏飞,姚仲敏,陶佰睿,等.一种基于GPRS的森林防火远程数据传输系统[J].电视技术,2013,37(15):98-101.

[6] 周慧玲，甘典文，王智威，等.基于APM/GPRS/ZigBee技术的无线粮情检测系统的设计与实现[J].测控技术，2011，30(2)：11-15.

[7] 王铭明,陈涛,王建立,等.基于ZigBee网络的室内环境监测预警系统设计[J].计算机测量与控制,2014,22(4)：1021-1026.

[8] 宋冬，廖杰，陈星，等.基于ZigBee和GPRS的智能家居系统设计[J].计算机工程，2012,38(23)：243-246.

[9] 刘婵媛.基于物联网的智能家居系统研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2012.

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

[编辑：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.

张素文(1962-)，女，湖北武汉人，武汉理工大学自动化学院教授.

大学生国家自主创新基金资助项目(20141049711008).

2095-3852(2015)06-0675-05

A

TN911

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.003