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劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:為了響應(yīng)家“低碳環(huán)保,綠色出行”的環(huán)保理念,論文針對(duì)省時(shí)、省力的電動(dòng)自行車, 設(shè)計(jì)公共電動(dòng)自行車智能管理系統(tǒng),利用物聯(lián)網(wǎng),實(shí)時(shí)傳輸電動(dòng)車況信息,不僅能夠向民眾提供便捷 的公共電動(dòng)自行車租賃方案,而且能夠協(xié)助交管部門(mén)監(jiān)管自行車使用者的行車周全,從而提高大運(yùn)量 公共交通工具的使用效率和周全性。
關(guān)鍵詞:公共電動(dòng)自行車;物聯(lián)網(wǎng);無(wú)線通訊;GPS
目前我許多城市已經(jīng)建成公共自行車租賃管理系統(tǒng),能夠滿足部分民眾短距離出行的需求,但是自行車畢竟*靠 人力,在載重和運(yùn)距上有限。而電動(dòng)自行車除了節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、 環(huán)保之外,并兼有機(jī)動(dòng)車的省力省時(shí)特點(diǎn),更加符合當(dāng)今消費(fèi) 者的消費(fèi)特征和需求,經(jīng)過(guò)短短幾年的發(fā)展便擁有龐大的消費(fèi) 群。然而,龐大的電動(dòng)自行車數(shù)量以及部分民眾較為薄弱的交通意識(shí),使得電動(dòng)自行車的管理非常復(fù)雜。因此,研究設(shè) 立公共電動(dòng)自行車智能管理平臺(tái),采用租借的形式有償出租電 動(dòng)自行車,來(lái)解決城市公交“公里”和短途出行問(wèn)題, 既能緩解城市現(xiàn)有大氣污染問(wèn)題,又能通過(guò)集中管理和控制, 減少因電動(dòng)自行車違規(guī)行駛而造成的交通事故。
、系統(tǒng)總體框架與功能
雖然目前在公共人力自行車方面已經(jīng)有許多成熟的智能管理系統(tǒng)和平臺(tái)],但是公共電動(dòng)自行車的管理與普通人力自行車不同,主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:
1.電動(dòng)自行車車速快,為了避免發(fā)生交通事故,需要對(duì)其進(jìn)行限速;
2.電動(dòng)自行車所能行駛的距離由其電池的續(xù)航時(shí)間決定,使用者需要事先知道電池的續(xù)航時(shí)間,才能放心使用。
因此,針對(duì)電動(dòng)自行車的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的智能管理系統(tǒng)總體 框圖如圖 1 所示。主要包括四個(gè)部分:運(yùn)營(yíng)管理的后端管理平臺(tái)、移動(dòng)端軟件的使用者界面、電動(dòng)自行車、交通監(jiān)管信息平臺(tái)。 每臺(tái)電動(dòng)自行車上搭載個(gè)通訊盒,通過(guò) GPS 實(shí)現(xiàn)定位和測(cè)速, 并以無(wú)線方式將車輛的信息傳送至后端管理平臺(tái),后端管理平 臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的位置、速度、受損狀況、是否被盜等信息, 以決定是否需要調(diào)整當(dāng)前資費(fèi)、實(shí)施救援或向交管部門(mén)報(bào)警, 還可以將數(shù)據(jù)上傳到云端,進(jìn)而對(duì)用戶的使用行為、交通狀況 進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,以此作為平衡各個(gè)站點(diǎn)車輛數(shù)目的依據(jù)。對(duì) 于用戶而言,只需要下載相關(guān) APP 軟件,注冊(cè)會(huì)員,在每次使用前可以先查詢當(dāng)前各個(gè)站點(diǎn)的車輛電量情況,預(yù)約車輛, 然后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)移動(dòng)端掃描車上的二維碼啟動(dòng) 自行車。在車上裝有失竊感應(yīng)裝置,當(dāng)發(fā)生人為鑰匙kai 鎖和強(qiáng) 行搬運(yùn)車輛時(shí),將立即發(fā)出警告蜂鳴并通知交管部門(mén)。當(dāng)自行 車的充電插頭插入充電樁時(shí),充電線路上的霍爾電流感應(yīng)器將 把電量信息傳送至車輛上的通訊盒中,并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給 后端管理平臺(tái)。
圖 1 公共電動(dòng)自行車智能管理系統(tǒng)總體框架
二、系統(tǒng)硬件部分
公共電動(dòng)自行車智能管理系統(tǒng)主要包含兩個(gè)重要的硬件模塊,分別是通訊盒與控制器。
1.通訊盒
智能系統(tǒng)所管理的電動(dòng)自行車是由通訊盒實(shí)現(xiàn)與后端管理平臺(tái)的信息交互,主要由無(wú)線通訊模塊、GPS 定位模塊組成:
1.1無(wú)線通訊模塊
無(wú)線通訊模塊是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車車和后端管理平臺(tái)通訊的關(guān)鍵模塊,可以接收由管理服務(wù)器發(fā)出的識(shí)別碼,同時(shí)也可以 將車輛的位置、電量、是否遭竊等信息傳送給后端的管理服務(wù)器。無(wú)線通信模塊主要包括 4G 模塊和WiFi 模塊。其中 4G 模塊主要是在室外提供信息傳輸功能,而 WiFi 模塊主要用于室內(nèi)信息傳輸。為了保證信息能夠完整地傳輸?shù)胶笈_(tái)管理服務(wù)器, 該通訊模塊采用“重要性選擇傳輸”算法,在通信鏈路不佳的 情況下,先傳輸重要的信息,把不重要的信息暫存在存儲(chǔ)模 塊中,等到鏈路狀態(tài)好的時(shí)候再發(fā)送。
1.2 GPS 定位模塊
由于電動(dòng)自行車常常是穿梭在樓宇之間,建筑物的遮擋容易導(dǎo)致 GPS 定位不準(zhǔn)確,加上電動(dòng)自行車在行進(jìn)時(shí),GPS 的定位點(diǎn)容易亂跳,造成信息讀取的誤差較大,如果進(jìn)入室內(nèi),則GPS 更是無(wú)法定位。因此本系統(tǒng)采用支持慣性導(dǎo)航功能(ADR) 的GPS 模塊。當(dāng) GPS 衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法接收時(shí),該模塊使用來(lái)自陀螺和速度脈沖傳感器的角度和速度信息來(lái)推算位置,從而大幅提高 GPS 衛(wèi)星定位性能,有效降低在城市高樓林立環(huán)境下的多徑效應(yīng)的影響。通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)與 GPS 位置進(jìn)行處理,即便在對(duì) GPS 不利(如城區(qū)高樓林立的環(huán)境)或 GPS 信號(hào)缺失(如隧道和地下停車場(chǎng))的情況下也能達(dá)到全覆蓋、高精度和持續(xù)定位。
2.控制器
控制器的主要功能是收集并判斷車輛的各種狀態(tài)信息或直接根據(jù)后端管理平臺(tái)發(fā)來(lái)的指令,控制車輛的各模塊工作,主 要包括對(duì)以下功能的控制:
2.1車輛的啟動(dòng)
以租賃的流程來(lái)說(shuō),使用者通過(guò)用戶 APP 完成預(yù)約后,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)電動(dòng)自行車旁,通過(guò)移動(dòng)端掃描車上二維碼,將 用戶信息和車輛信息上傳至后端管理平臺(tái),管理平臺(tái)核對(duì)用戶 信息后發(fā)送kai 鎖信息給車輛,車輛的無(wú)線通訊模塊收到kai 鎖信 息后,即通知控制器開(kāi)啟電動(dòng)車。如果未預(yù)約者掃描已預(yù)約車 輛,則后臺(tái)不會(huì)發(fā)送kai 鎖信息。
2.2超速jing 示信息
控制器通過(guò) GPS 定位模塊監(jiān)測(cè)車輛的速度,當(dāng)車速接近交管部門(mén)規(guī)定的值時(shí),就控制警報(bào)器向使用者發(fā)出jing 示信息, 當(dāng)車速超過(guò)該值時(shí),則直接通過(guò)無(wú)線通訊模塊向后端管理 平臺(tái)發(fā)送車輛超速jing 示信息。
2.3車輛遭竊jing 示信息
控制器還需要根據(jù)感測(cè)驅(qū)動(dòng)電路傳送過(guò)來(lái)的鑰匙信息以及慣性感測(cè)器傳送的慣性感測(cè)信號(hào),判斷是否有不法人士試圖通 過(guò)特定的車用鑰匙kai 鎖或強(qiáng)行整臺(tái)搬運(yùn)電動(dòng)車,若發(fā)生上述情 況,則產(chǎn)生jing 示信號(hào),并經(jīng)由無(wú)線通訊模塊將該jing 示信號(hào)發(fā)送 至后端管理服務(wù)器,使得監(jiān)控人員能即刻采取相應(yīng)的措施,以 便快速找回失竊的電動(dòng)車。
三、系統(tǒng)軟件部分
根據(jù)系統(tǒng)的整體功能,軟件部分主要分為通訊盒軟件和云端管理平臺(tái)兩大部分。
1.通訊盒軟件
通訊盒基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng),采用開(kāi)源的 Node.js 平臺(tái),配合通訊盒控制器、無(wú)線通訊模塊以及定位模塊,進(jìn)行軟 件開(kāi)發(fā),主要實(shí)現(xiàn)以下功能:
(1)對(duì)周邊設(shè)備的控制,包括:鑰匙啟動(dòng)、防盜機(jī)制啟動(dòng)、警報(bào)器啟動(dòng)等。
(2)對(duì)車輛信息的實(shí)時(shí)獲取和判斷,包括:位置信息、車速信息、電池電壓、電池殘量以及鑰匙狀態(tài)等信息的獲取,并判 斷某些數(shù)值是否達(dá)到需要傳送給后端服務(wù)器的門(mén)限值,若達(dá)到, 則觸發(fā)信息的傳送。
對(duì)車輛信息的實(shí)時(shí)傳送,將獲取到的車輛信息實(shí)時(shí)傳送 到后端服務(wù)器。信息的傳送主要依靠?jī)深悪C(jī)制觸發(fā):為定時(shí) 觸發(fā)機(jī)制,即每隔段固定的時(shí)間,觸發(fā)次車輛信息的傳送; 二為事件觸發(fā)機(jī)制,即在收集車輛信息過(guò)程中有觸發(fā)任何事件, 也會(huì)進(jìn)行信息的傳送。信息的傳送先考慮通過(guò) WiFi 熱點(diǎn),如果在戶外沒(méi)有 WiFi 熱點(diǎn)情況下,則采用 4G 模塊進(jìn)行傳送。通訊盒與服務(wù)器的信息交互采用 SOCKET 傳輸模式,透過(guò)三項(xiàng)交握的封包交換機(jī)制建立連線通道,并使用滑窗及序列號(hào)確認(rèn)及 重傳等機(jī)制實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。
2.云端管理平臺(tái)
云端管理平臺(tái)主要分為兩個(gè)部分:部分是核心邏輯部分, 本身不提供使用者操作界面,僅處理各種連線及 API 呼叫,所有的營(yíng)運(yùn)的電動(dòng)自行車都與該核心邏輯服務(wù)器連接及溝通;另 部分是管理端界面服務(wù)器和移動(dòng)端服務(wù)器及網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器。
整個(gè)云端管理平臺(tái)采用若干臺(tái)服務(wù)器及臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器組成VMware vCloud 虛擬云架構(gòu),虛擬化地使用軟件來(lái)模擬硬件的存在,并建立個(gè)虛擬電腦系統(tǒng),這樣可在個(gè)虛擬系統(tǒng)上 執(zhí)行更多事件,并能在單服務(wù)器上執(zhí)行多個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用 程序,帶來(lái)規(guī)模經(jīng)濟(jì)和對(duì)硬件資源更有效的利用。此外,隨著實(shí)體主機(jī)的減少,系統(tǒng)閑置所造成能源的消耗問(wèn)題也隨之減 少,可實(shí)現(xiàn)綠色機(jī)房的目標(biāo)。
四、安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)
安科瑞電動(dòng)自行車充電樁通過(guò)GPRS模塊與云端進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱?dòng)自行車充電樁的日常狀態(tài)、充電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控;實(shí)現(xiàn)充電支付對(duì)接:支持投幣、刷卡、vx支付等多種支付方式,保證支付交易過(guò)程的完整性,對(duì)充電過(guò)程中的異常情況進(jìn)行有效預(yù)警;實(shí)現(xiàn)對(duì)下游站級(jí)平臺(tái)的清算、對(duì)賬功能。平臺(tái)可對(duì)接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、小程序等,提供相關(guān)異常數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車充電管理的網(wǎng)絡(luò)化、可視化。
① 周全預(yù)警
對(duì)平臺(tái)連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,充電樁發(fā)生異常情況時(shí)可通過(guò)APP、短信及時(shí)向運(yùn)營(yíng)人員發(fā)出報(bào)警信號(hào),及時(shí)火災(zāi)隱患。
② 交易結(jié)算管理
平臺(tái)為運(yùn)營(yíng)方提供充電價(jià)格策略管理,預(yù)收費(fèi)管理,賬單管理,營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表等,支持投幣、刷卡和掃碼充電。
③ 充電服務(wù)
可通過(guò)軟件搜索附近充電樁,并查看充電樁狀態(tài),并導(dǎo)航至可用充電樁??赏ㄟ^(guò)在線自助支付實(shí)現(xiàn)充電。
④ 運(yùn)營(yíng)分析
對(duì)訂單進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析,通過(guò)柱狀圖、報(bào)表方式直觀展示數(shù)據(jù),并支持和第三方平臺(tái)對(duì)接。
⑤ vx小程序
可通過(guò)vx小程序掃碼充電,充電賬單支付。運(yùn)營(yíng)商和物業(yè)管理人員均可通過(guò)小程序管理,監(jiān)測(cè)充電樁狀態(tài)和充電交易情況。
充電樁型號(hào)
ACX10A-YH
外形尺寸 | 320*135*400mm |
機(jī)器凈重 | 8KG |
輸入電壓 | AC220V/50HZ |
輸出電壓 | AC220V/50HZ |
承載電流 | 50A |
每路輸出電流 | 5 A |
待機(jī)功率 | 2W |
五、總結(jié)
與般的自行車租賃系統(tǒng)相比,本文設(shè)計(jì)的公共電動(dòng)自行車智能管理系統(tǒng)能夠?yàn)槊癖娞峁└颖憬莸氖褂皿w驗(yàn),為 交管部門(mén)提供更加有效的監(jiān)管功能,同時(shí)該管理系統(tǒng)能夠根據(jù) 車輛使用狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整資費(fèi)、平衡站點(diǎn)負(fù)荷,進(jìn)步提高車輛 的利用率,緩解城市現(xiàn)有大氣污染和交通擁堵問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
[1]張素文, 孫朋, 劉吉昌, 等.“基于物聯(lián)網(wǎng)的公共自行車租賃系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”[J], 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版), 2015, 37(6): 675-679.
[2]肖旻,江福椿,公共電動(dòng)自行車智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2019.11版
作者簡(jiǎn)介:劉細(xì)鳳,女,現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事電瓶車充電樁的研發(fā)和應(yīng)用