一种基于无线射频通讯的共享雨伞系统

郭宵冉，曾家明，左欣，王桥，杨世龙，李洋，毕亚楠，田江涛，游顺才

（贵州师范学院数学与大数据学院，贵州贵阳，550018）

0 引言

在日常生活中，每个人很难每天携带雨伞，在遇到降雨天气购买雨伞会造成资源的浪费，很有可能没有准备雨伞被淋雨。共享雨伞有效的减少资源的浪费，同时方便人们出行。本文设计开发出一套可智能租借和归还的共享雨伞系统，可投放于人流密集的地区，以便应对突发性降雨天气，提高人们的生活质量。本发明主要由后台服务器、后台管理系统、微信小程序和伞桩设备构成。后台服务器由Java搭建，管理系统由VUE+ElementUI实现，硬件设备使用射频识别技术读取雨伞上电子标签，再利用STM32单片机控制伞桩的内部运作，用户通过微信扫描二维码进入伞约小程序，用个人微信号在伞约小程序中完成注册，客户端将用户借还伞信息传送至后台服务器，服务器下达指令到伞桩设置上的4G模块，伞桩设备内的单片机判断并处理4G模块接收“借伞”或者“还伞”指令控制电磁锁打开，并通过4G模块将雨伞信息反馈至服务器，微信小程序提示借伞或者还伞成功，用户便可借出换入雨伞。这种基于无线射频通讯的共享雨伞装置不仅为在突发性降雨天气没有携带雨伞的人们提供帮助，同时在雨伞伞面和伞桩上做产品广告有利于产品的推广。

图1 硬件模块图

1 硬件模块

1.1 系统总体结构

共享雨伞分为伞桩和雨伞两部分。伞桩内有STM32单片机、电磁锁模块、4G模块以及锁扣中的RFID模块。当用户用伞时，控制系统内的4G模块收到服务器的信息，根据共享雨伞装置上每个锁扣上不同的的标识，STM32单片机在不同的I/O口输出不同的信号来控制相应电磁锁中的电磁继电器，进而控制锁扣的开关，每一次开锁STM32单片机内部程序都进行一次计数并进行记录，用来判断储伞箱中是否有伞[1]。当用户支付成功后，电磁锁自动打开，用户即可拿出雨伞使用，用户取出雨伞后，RFID阅读器感应到伞柄上的电子标签后，电磁锁自动关闭。

当用户还伞时，如果STM32单片机判断储伞箱里面有雨伞时，小程序界面提示用户，该储伞箱内伞已满，请到没有雨伞的伞桩内还伞，把雨伞放回储伞箱后用户把锁壳还原到初始位置，这样便完成了一套完整的借伞和还伞的过程。

1.2 雨伞伞桩的内部构造

本装置伞桩设计简单，功能性强。该新型共享雨伞装置在结构上进行了精简，由储伞箱，电磁锁，控制箱组成，其电磁锁结构简单，不易损坏，成本低，故障维修难度低。

伞桩的内部结构主要由STM32单片机伞箱、进伞通道、出伞通道、RFID硬件设施、4G模块等组成。服务器作为信号媒介，系统整体由STM32单片机控制，雨伞和系统直接的连接通过对伞桩上的二维码进行扫描及其伞上电子标签和特定的二维码对应实现。STM32基于低成本、低功耗、高性能的特定以及内置外设的输入输出引脚具有重映功能满足设计需求。基于此，STM32单片机来控制整个伞桩系统的收放机的运行。伞桩内放置雨伞，雨伞伞柄贴有对应的电子标签，当用户扫描伞桩外部的二维码，进入微信小程序，服务器向伞桩内的4G模块发送信号，伞桩内的STM32单片机接收4G模块传来的信号，并控制伞桩内的电磁锁打开，雨伞从储伞箱内滑出，经过出伞口的时，伞上的电子标签被出出伞口处的RFID阅读器识别，完成系统下达的指令；还伞时，还伞口处的RFID阅读器识别电子标签，自动装置启动，雨伞滑入储伞箱内。

1.3 RFlD系统

RFID是一种先进的非接触式射频自动识别技术，因无源RFID标签成本低，使用寿命长，速度快，抗干扰能力强。基于此将无源RFID标签安装在本发明的每把雨伞上，即在雨伞伞柄内固定一个微小的电子标签，并且事先写入将与该标签相匹配的密码。RFID系统由读写器、电子标签和后台计算机管理系统组成。电子标签和读写器组成射频终端，电子标签储存识别雨伞身份和属性的信息并与雨伞结合，[3]每把雨伞都配有一个电子标签，读写器通过射频信号和雨伞上的电子标签进行无线通信并和计算机信息管理系统通信，实现对雨伞上的电子标签的识别和内存数据的读取操作，进而实现雨伞的借还操作和必要的管理。当RFID系统工作时，RFID读写器通过无线通讯收发器发送一定频率的射频信号，电子标签在RFID读写器识别的范围内对接收到的射频信号产生感应从而产生能量，这些能量向读写器发送自身所传达出来的信息，[4]从而将读写到的命令加密后传送给电子标签，RFID读写器识别到电子标签的信号指令后解码，进而识别到电子标签上储存的唯一识别雨伞身份的信息后，将信息交给后台计算机管理系统，后台计算机管理系统根据电子标签可以识别唯一身份属性对借出的雨伞进行跟踪，计时计费等操作。如图2RFID系统所示。

图2 RFID 系统

2 系统模块

2.1 软件系统

软件部分使用前端开发工具HBuilder设计了“伞约”共享雨伞APP，使用简单，操作方便，服务器的开发环境是Eclipse，开发语言是Java。整个系统为B/S架构，Web服务器采用A-pache+Tomcat+数据库MySQL。端与端通信为C/S方式。使用Java语言与js提供异步请求，请求后台数据接口，[5]解析后返回json数据，微信扫码打开“伞约”小程序[3]。系统采用通过RFID无线射频识别技术记录跟踪每把雨伞，用户租借归还时，会将识别出雨伞的唯一ID，通过4g模块传输给物联网服务器，实现雨伞状态的数据更新，设置雨伞租用的定金和租用的价格。用户可以通过扫描伞桩上的二维码借伞，当雨伞使用完成并归还后，用户可以在微信小程序上查看本次借伞的时长，花费金额，并通过微信或支付宝支付订单费用。如图3小程序界面所示。

图3 小程序界面

2.2 主程序及中心服务器

主程序主要实现4G模块的配置，电机转动显示以及液晶屏显示等功能。利用A/D转换器将数字信号输入计算机，通过STM32单片机实现借还伞的相关功能，扫码成功后，电磁锁打开，用户拿出雨伞，小程序界面显示取伞成功；反之，小程序界面显示取伞失败。STM32单片机控制系统则由Java来进行编译。单片机控制系统构建共享雨伞的监控系统与中心服务器相连，若检测到雨伞损坏或者缺失的情况时，及时有效的将情况反馈至中心服务器并对其进行检修和补充。

2.3 登录及账户管理

在微信小程序中扫码借伞，小程序端向后台服务器发送借伞请求，服务器给硬件设备发送指令打开电磁锁，计时器开始计时并将消息回执返回给小程序端，生成订单，硬件设备显示屏显示借伞成功；若是过程中出现网络不通，机器故障，雨伞不够等情况则显示借伞失败。

微信账号一键登录注册进入程序中，通过授权获取用户手机号登录注册并把用户信息存到后台服务器，之后，用户通过点击头像，授权获取用户头像昵称等信息展示到个人页面。放伞点包括距离、是否可借还和导航去放伞点（1）调用腾讯地图sdk进行标点，距离计算，显示在地图上。（2）进入程序获取用户，向后台发起请求获取放伞点展示在地图上，用户可以点击附近的放伞点查看放伞点是否可借、可还，以及到那的距离，然后再次点击页面导航去那。押金和充值（1）调用微信支付接口，服务器同步更新余额、押金数值。（2）用户可在支付租用雨伞的押金后打开伞桩电磁锁租用雨伞。雨伞借和还通过一个扫码按钮实现，每个用户仅能同时借一把伞，根据用户目前状态来判断当用户扫码的时候是借伞还是还伞，减少了许多不必要的麻烦。借伞之前先判断是否缴纳押金，没有则跳转到缴纳押金页面。意见反馈 用户可通过该功能反应系统问题和对服务提出改进。借伞、还伞

2.4 后台管理系统

后台管理系统前端页面是vue+elementUI实现。具体功能模块如下：

雨伞管理增加删除雨伞，跟踪雨伞。雨伞营运人员在系统的雨伞租用管理界面对发起雨伞调度。

伞桩管理 增加删除伞桩，设置伞桩运行状态。雨伞运营人员在系统中管理线下采购雨伞。权限分配管理给不同的管理员角色赋予不同的功能。不同管理员之间相互约束。订单管理 对用户下单情况进行管理，支付租用费用，当用户未按规定归还雨伞，可对用户进行定金扣除。用户信息管理对借伞用户进行管理，当用户违规使用时，可对用户进行追责、拉人黑名单。

2.5 后台服务器

通过springboot搭建后台服务器，采用mysql数据库存储数据吗，redis做缓存，security实现权限管理，mybatisplus框架对数据做持久化。通过mqtt协议与硬件交互，实现雨伞的借还。如图4后台服务器界面所示。

图4 后台服务器界面

3 结语

共享雨伞解决了广大市民在出行时遇到突发性降雨天气而没有携带雨伞造成的困扰。该雨伞实现轻松扫码，一键借伞，随借随还，让闲置的雨伞在人们需要时及时出现，发挥它遮阳挡雨的作用。同时雨伞装有电子标签，可以实时监控雨伞的使用情况，微信小程序的设计让用户更方便的了解使用该软件，满足市民需求，方便市民出行。