共享单车服务器及客户端设计与实现
2018-03-03王风雷秦会斌崔佳冬
王风雷+秦会斌+崔佳冬
摘 要：为了改善共享单车机械锁密码不安全、电子锁成本高的不足，设计并实现了基于蓝牙控制的共享单车系统。单车车锁采用蓝牙与Android客户端通信，客户端App请求云服务器获得对车锁的开关控制，将用户信息、单车信息上传至云服务器，云服务器将信息持久化到数据库中。针对手机的高并发访问量，云服务器搭载Nginx，实现负载均衡和反向代理。测试结果表明，该共享单车系统成本低、安全性高，通过该系统，用户可以请求云服务器实现对单车车锁的控制。
关键词：共享单车；云服务器；Android；蓝牙
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）02-00-04
0 引 言
共享单车是中国互联网创新的应用实践，解决了“最后一公里”的问题，缓解了交通拥堵，真正实现了绿色出行，利国利民[1]。目前，共享单车机械车锁的密码由用户通过App获取，密码不可改变，安全性低；电子车锁需要连接云服务器，安全性高，但是硬件设计复杂、成本较高、耗电量高。针对以上问题，本文提出了基于蓝牙控制的共享单车系统设计方案。通过Android手机匹配单车蓝牙车锁，请求云服务器获取“钥匙”，实现对车锁的开关控制。同时，云服务器将用户和单车的信息持久化到数据库中。
1 系统总体设计
系统由Android客户端、网页后台管理中心、云服务器和蓝牙单车车锁组成。系统框架如图1所示。
云服务器是整个系统的调控计算平台[2]，为管理人员与手机App提供服务，响应用户与管理人员的操作。手机App发送HTTP请求到云服务器，解析云服务器返回的JSON数据，下发蓝牙控制信息，经车锁蓝牙MCU处理后，最终达到控制车锁开闭的功能。蓝牙车锁也可通过串口向蓝牙模块输出蓝牙信息，手机App响应蓝牙信息，最终实现手机App与硬件控制部分的双向通信。
用户在注册登录成功后，进入用车界面；打开手机蓝牙，匹配车锁蓝牙，App后台将用户信息和车锁信息上传到云端服务器；用户点击开始用车，云服务器接收到请求后，记录用户信息和车锁信息，并返回“钥匙”给App，通过蓝牙与车锁通信打开车锁。当车锁关闭后，蓝牙将已锁状态发送给App，App界面结束用车，若中途断开蓝牙，则结束用车后用车界面无法进行操作。手机端用车的业务流程如图2所示。
2 云服务器的设计与实现
2.1 云服务器架构
云服务器架构图如图3所示。
本文采用阿里云作为云计算中心，提供简单高效、处理能力可弹性伸缩的计算服务。阿里云上搭载Nginx、Tomcat、Redis和MySQL，Nginx 作为反向代理，将 App 端或者浏览器端的请求根据权重分配给两台Tomcat，Redis作为两台Tomcat的共享session数据服务器，缓存已验证的用户信息。
Tomcat1的IP地址为106.15.90.190，Tomcat2的IP地址为106.14.9.111，在106.15.90.190的云服务器上搭载Nginx，配置Nginx，具体的配置如下[3]：
worker_processes 2；
events {
worker_connections 1024；}
http {
include mime.types；
default_type application/octet-stream；
sendfile on；
keepalive_timeout 65；
//配置被代理的服务器
upstream live_node {
server 106.15.90.190：8080；
server 106.14.9.111：8080；}
server {
//配置访问域名及监听80端口
listen 80；
server_name 106.15.90.190；
//指定被代理目标
location / {
proxy_pass http：//live_node；}
//配置错误页面
error_page 500 502 503 504 /50x.html；
location = /50x.html {
root html；}
}
}
当有请求时，通过Nginx将请求进行转发[4]，保证一个入口將所有请求转发到Tomcat1或Tomcat2，同时减轻这两台Tomcat的负载压力。将Tomcat1和Tomcat2的session缓存到Redis中[5]，确保访问的是同一个session，配置Tomcat conf目录下的context.xml。
redissessins.RedisSessionHandlerValve” /> host=“106.15.90.190” port=“6379” database=“0” maxInactiveInterval=“1800”/> <！--redis过期时间默认是60 s，设置session过期时间为1 800 s-->
Redis是键值对类型的内存数据库。同时，用Redis作为MySQL的缓存数据库，能够减小MySQL的压力。服务器先查找Redis服务器中是否有登录用户的信息，有则取出使用，无则查询数据库，查看是否可以验证，将验证后的用户缓存到Redis服务器中，从而减少对数据库的访问。实现的部分代码如下：
//先查询缓存
try {
String json = jedisClient.hget（INDEX_USER， uid + “”）；
//查询到结果，把json转换成对象返回
if （StringUtils.isNotBlank（json）） {
User findUser = JsonUtils.
jsonToPojo（json， User.class）；
return findUser；}
} catch （Exception e） {
e.printStackTrace（）；}
//缓存中没有，需要查询数据库
User findUser = userService.login（telphone，password）；
//把结果添加到缓存
try {
jedisClient.hset（INDEX_“USER”， uid + “”，JsonUtils.objectToJson（findUser））；}
catch （Exception e） {
e.printStackTrace（）；}
return findUser；
2.2 云服务器框架
云服务器系统开发框架采用Struts+Spring+Hibernate，该框架从职责上分为Web层、业务层、DAO层和持久层。其中，使用Struts作为系统的整体基础架构，负责MVC的分离，在Struts框架的模型部分控制业务跳转。利用Hibernate框架对持久层提供支持。Spring做管理，管理Struts和Hibernate。
系统的基本业务流程为：在Web层中，通过JSP页面实现交互界面，负责接收请求和传送响应，然后Struts根据配置文件（struts-config.xml）将ActionServlet接收到的Request委派给相应的Action处理；在业务层中，管理服务组件的Spring IoC容器负责向Action提供业务模型（Model）组件和该组件的协作对象数据处理（DAO）组件完成业务逻辑，并提供事务处理、缓冲池等容器组件以提升系统性能和保证数据的完整性；而在持久层中则依赖于Hibernate的对象化映射和数据库交互，处理DAO组件请求的数据，并返回处理结果[6]。
该开发模型不仅实现了视图、控制器与模型的彻底分离，而且可以实现业务逻辑层与持久层的分离。不同层之间耦合度小，大大提高了开发效率。
2.3 云服务器功能的实现
云服务器系统主要分为网页后台服务和用户App服务，管理人员通过浏览器访问，查看用户及蓝牙车锁的信息。App服务为Android客户端提供接口，根据App提供的信息对用户和蓝牙车锁信息进行记录，并持久化到MySQL中。系统服务图如图4所示。
App与云服务器的通信主要通过发送HTTP请求，使用轻量级的JSON数据交换格式实现。云服务器为App提供5个接口：用户注册、用户登录、打开车锁、获取用户当前是否打开车锁、关闭车锁。
网页的后台服务中，为防止非登录认证的管理员直接访问某些页面、功能菜单项或action名，使用Struts自定義拦截器，继承Method Filter Interceptor类，并在Struts的配置文件中放行登录方法，登录后将所验证的登录名和密码放到Redis服务器中。若拦截器查询到Redis服务器中有验证过的登录名，则放行；否则，跳转到登录页面。根据Ajax的请求查询数据库，将前台页面不需要的数据排除在外，再将数据以JSON格式返回，前台Ajax的回调函数解析数据并进行地图上的显示。
3 客户端的设计与实现
3.1 客户端功能说明
客户端各功能模块如图5所示。
（1） 登录模块：注册时，本地校验是否为正确的手机号，并向云服务器验证是否已经注册过，经过验证后，向手机号发送验证码，填写验证码进行注册。一经登录，下次使用时App会自动登录。
（2） 用户使用模块：在车辆使用方面，采用手机应用和蓝牙模块建立双向通信达到控制车锁的目的。需要用车时，使用手机蓝牙适配器[7]连接蓝牙模块建立Socket通信通道。只要蓝牙不关闭或者不超过最大通信距离，该通道将会保持，直到手动关闭。通信建立后，手机端通过Socket携带控制命令到蓝牙模块，也可以控制单片机通过串口发送数据到蓝牙模块与手机通信。对于车辆行程监控，需要用户开启后才能进入工作，该功能集成的是百度地图API，调用百度地图的定位功能，通过实时监听手机位置定位车辆。在用户结束用车后会将车辆最后的坐标位置通过手机App上传到云服务器。在车辆使用过程中，若用户开启了路径监控模式，则可以描绘出运行轨迹，同时计算车辆的行驶速度、路程和骑行时间；若用户未开启该模式，则不会进入路径监听模式，百度地图只进行定位。
（3）蓝牙车锁控制模块：手机蓝牙与车锁蓝牙通信后，向云服务器发送HTTP请求，通过解析返回的JSON数据，拿到“钥匙”，从而对车锁进行开关控制。同时，蓝牙车锁端监测到车锁关闭后，向手机发送当前状态，App监听到状态改变，向云服务器请求结束计费，App可以结束用车。
3.2 客户端框架endprint
在Android Studio開发环境下，采用MVC开发架构。视图层接收输入和显示结果，生成App界面；控制层用来处理用户交互的部分，接收到用户的输入后向模型发送数据；模型层调用程序的数据逻辑部分，定义了HTTP通信模块、蓝牙通信模块、数据解析模块等[8，9]。
手机App与车锁蓝牙建立Socket通信，开启一个子线程不断轮询，通过套接字Socket获取字节输入流，解析并获取数据流，将数据使用广播发送给主线程处理。接收蓝牙信息的代码如下：
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）；//接收蓝牙发送的数据
int r=（int）buf[0]；
if（r==21）{
//发送数据到主线程
handler.sendEmptyMessage（1）；
sendBroadcast（newIntent
（“SERVICE_DISCONNECT”））；}
sleep（2000）；}}
客户端与云服务器通信采用http连接，使用Apache异步网络请求框架AsyncHttpClient，首先在父类Activity中新建该类的实例，子类Activity使用该类向云服务器发送post请求，云服务器返回JSON数据至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”））{
//车辆可以使用
handler.sendEmptyMessage（CAN_USE_BIKE）；}
else if（content.equals（“0”））{
//已经在使用
handler.sendEmptyMessage（CANNOT_USE_BIKE）} }）；}
@Override
public void onFailure（Throwable error， String content）{...}//网络连接失败处理
}）；}
onSuccess（）和onFailure（）方法接收请求成功或失败的消息，onSuccess（）方法的参数content为云服务器返回的JSON数据。
4 蓝牙车锁
蓝牙车锁控制器使用MSP430单片机，内置2.4 G无线发射天线的HC-06蓝牙模块。该蓝牙模块支持两种模式：一种是上电后只能接受命令的从机模式；另一种是主从机一体模式。该系统在主从机一体模式下，通过串口调试工具，利用AT指令修改默认属性。当手机端应用成功连接蓝牙后，即可建立通信。同时，手机端通过套接字向模块写入数据。另外，控制单元也可通过串口发送数据到手机应用端，实现双向通信。
5 客户端和后台中心界面展示
Android客户端以精简、灵活为前提，主要为用户注册登录、匹配车锁、开始/结束用车、行程记录和个人信息界面，Android客户端部分界面如图6所示。
后台管理中心主要包括登录界面、用户信息、车锁信息和车锁地图显示界面。其中，用户信息界面和车锁信息界面可以进行搜索。车锁地图显示界面如图7所示。
6 结 语
本文介绍了基于蓝牙控制的共享单车系统设计和技术，该系统结合云平台、Android平台和蓝牙技术，基于Android手机获取经纬度，并持久化到云服务器中，便于对单车进行维护，为共享单车市场提供一种安全、易实施的设计参考。
参考文献
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[10]陈玮，秦会斌，曹曙光，等.基于Android平台的智能家居系统设计[J].电子技术应用，2014， 41（10）：158-160.endprint
