基于ZigBee技术的公共自行车租赁系统设计

何涛（常州轻工职业技术学院，常州 21300）

基于ZigBee技术的公共自行车租赁系统设计

何涛
（常州轻工职业技术学院，常州 21300）

0　引言

当前城市交通压力日益增大，越来越多的人意识到公共交通的重要性，每个城市都在大力发展公共交通、智能交通，公共自行车项目更是把公共交通系统延伸到了市民脚下的最后一公里。自行车非常适合于同城短距离出行，低碳、环保，能有效提高道路资源利用率，缓解交通压力。目前的公共自行车租赁系统中的停车桩由于结构复杂、成本高，不能大规模建设，大部分城市都只能有选择地进行部分城区的覆盖配置，并且停车站点之间距离间隔较远。站点覆盖不全，必然造成市民取车、还车麻烦，只有生活工作在站点附近的市民才能经常性使用公共自行车的租赁服务。ZigBee技术具有低功耗，低成本，高可靠性，自组织网络等特点，可扩展性高，将其结合到当前的公共自行车租赁系统内，将有效解决公共自行车停车站点少，租赁、归还麻烦的问题。

1　原理概述

基于ZigBee的技术特点，可以在公共自行车租赁系统中应用ZigBee技术，在城市中建设一些低成本的、可以连入Internet网络的ZigBee基站以及用于信号中继的ZigBee路由，利用ZigBee网络的自组织特性，让使用后停靠的自行车节点自动加入最近的ZigBee网络，实现公共自行车的简单定位，其精度可在百米左右范围内。

使用后台服务器管理市内所有ZigBee基站，统计各基站所辖空闲自行车，用户可通过手机App连接后台服务器，查找附近的空闲自行车，前往租赁。

2　技术实现

整个系统结构如图1所示。

●服务器

基站所获取的自行车信息将汇总到后台服务器，服务器为用户的手机App提供自行车的定位和租赁服务。

●基站

基站负责管辖本区域内自行车节点，并将数据上报给后台服务器，基站可以由一台工控计算机连接ZigBee协调器组成。基站的供电部分可以通过市供电线路接入，或在部分偏僻区域使用太阳能电桩。工控计算机可选用合适的方式连入Internet网络，可使用RJ-45连接有线网络，也可使用Wi-Fi接入，或者使用4G模块接入，具体视部署环境而定。ZigBee协调器使用串口与工控机相连，并通过无线与下属自行车节点通讯。

●ZigBee路由

使用基站做全覆盖建设，成本比较高，可以在基站之外建设部分位置固定的路由站。路由站由于只起到中继作用，所以不需要直接接入Internet网络，也就不需要配置工控机，可大大节约建设成本。

●自行车节点

每辆自行车上配属一个ZigBee节点，自行车节点与ZigBee基站、路由组成ZigBee网络。自行车在运动时，将随位置的不同加入就近的Zigbee网络，由于Zig-Bee通信距离较短，其离路由站距离一般不超过200米，基本在用户视线范围内。

自行车节点硬件配置如图2所示：

图2　自行车节点硬件配置图

自行车上的ZigBee节点和电磁锁使用同一电池组供电，每辆自行车带有二维条码，用于用户手机扫描识别，用户可通过扫描二维码来匹配自行车，完成租赁及归还操作。

自行车带有一个电池供电的自锁装置，该电磁锁用于约束用户的非规范操作，由自行车自带的ZigBee节点控制，可提供有限次数的自锁操作，当用户未完成租赁手续而强行使用自行车，将发生自锁操作，当自锁次数到达上限，可由维护人员现场更换电池。

●手机App

用户手机App可完成扫码匹配自行车，完成租赁和归还业务，手机App也提供定位搜索自行车的功能，结合百度地图所提供的应用接口，能给出附近ZigBee路由点位置及所辖空闲自行车的信息。

ZigBee路由在手机App上的定位如图3所示。

●基站与自行车的通信

当自行车加入一个ZigBee网络后，基站将负责维护管理该自行车节点。自行车的租赁、归还、异常信息会提交给基站，基站做出应答。每个基站将维护一张IDTable的数据表，里面记录了所属自行车节点的唯一ID号及自行车的状态信息，自行车的路由变更、加入、离去、租赁、归还、异常还都将更新该表。

考虑组网质量和节电，在自行车停车期间才会间隔5分钟和基站通讯，自行车节点以此判断是否成为孤立节点，如成为孤立节点，往往意味着自行车的定位发生变化，自行车节点会执行节点再接入，再接入失败则进入ZigBee网络的切换接入机制，寻找新的父设备接入网络。

图3　ZigBee路由在手机App上的定位

●基站与服务器的通信

基站中的IDTable表发生变更时会把变更的内容发送给服务器，通知服务器其所属自行车的变化。

●用户与服务器的通信

用户使用手机App登录服务器，服务器通过用户提供的定位信息，将用户附近的自行车分布地图提供给用户参考，用户找到最近的空闲自行车后，可以扫描自行车二维码，向服务器提交租赁申请，服务器响应后，用户使用自行车。用户归还自行车时，向服务器提交归还请求，服务器应答后，业务完成。

自行车租赁过程如图4所示。

图4　自行车租赁流程图

●异常的处理

当自行车超出所有基站范围，自行车在归还操作时将失败，自行车告警1分钟后锁死，维护人员可联系相关用户确认自行车位置。

当自行车Zigbee节点供电低于阀值，自行车告警1分钟后锁死，维护人员现场维护更换供电模块。

当用户未完成租赁手续，强行使用自行车，告警30秒后锁死。自锁次数未到使用上限，下次租赁成功后自动解锁；已达使用上限则通知维护人员现场更换自锁电池。

3　系统优势和改进方向

与现有公共自行车租赁系统相比，部署成本有所降低；用户租赁、归还更加方便，基本可以做到即用即还，不用刻意寻找停车站点；杜绝超期使用自行车，有效提高自行车的利用率。实时定位自行车，有效监管和维护公共设备。

在后续的开发维护中，可进一步提高手机App的功能，增加自行车预约、故障报警等功能；硬件上进一步降低基站的建设成本。还可考虑公共自行车租赁系统和公交车站、出租车停靠站的无缝对接，让自行车真正成为现代公共交通系统不可或缺的一环。

［1］刘骞，孙懋珩.ZigBee网络移动节点接入与切换机制仿真分析［J］.计算机与现代化，2008，1（1）：60-62.

［2］IEEE802.15Working Group.IEEE802.15.4:Wireless Medium Access Control and Physical Layer Specifications for Low2 Rate Wireless Personal Area Networks［S］，2003

［3］齐楠.智能交通系统中无线传感器网络的应用［J］.机电工程，2007，1（10）：85-87.

［4］王宝英.基于ZigBee技术的智能交通网络研究［J］.重庆邮电大学学报:自然科学版，2007，1（12）:748-751.

ZigBee；Public Bicycle；Intelligent Transportation

Design of Public Bicycle Rental System Based on ZigBee Technology

HE Tao
（Changzhou Vocational Institute of Light Industry，Changzhou 213000）

1007-1423（2015）30-0065-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.30.018

何涛（1980-），男，江苏常州人，硕士，研究方向为物联网应用技术

2015-09-29

2015-10-15

公共自行车租赁系统的设计是为了市民在城市中能够更快更方便地使用公共自行车出行。采用ZigBee无线组网技术，通过该技术能定位公共自行车的大致位置，然后通过手机App的应用给相关用户以位置指示，引导用户就近获取、归还自行车。

ZigBee；公共自行车；智能交通

The public bicycle rental system is designed to allow people to travel faster and more convenient in the city.Uses the ZigBee wireless networking technology，through the technology to locate the position of the general public bicycle，and uses mobile applications to provide users with the service of lease and return the bike.