公共自行車租賃系統(tǒng)站點(diǎn)控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

李 陽(yáng)，黃 俊，李 建

(重慶郵電大學(xué) 信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

隨著城市交通機(jī)動(dòng)化的發(fā)展，交通擁堵、環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，發(fā)展慢行交通，建立公共自行車系統(tǒng)，鼓勵(lì)更多的出行者采用非機(jī)動(dòng)交通工具，引導(dǎo)居民形成“公共自行車+公共交通”的出行模式，使之成為提高城市交通運(yùn)行效率和減少環(huán)境污染的有效途徑，我國(guó)許多城市已經(jīng)開(kāi)始試點(diǎn)和推行公共自行車服務(wù)，公共自行車因此得到了快速發(fā)展，正逐漸成為我國(guó)公共交通體系中不可或缺的一環(huán)［1］。

公共自行車租賃系統(tǒng)主要以當(dāng)?shù)厥忻窈屯獾赜慰蜑閷?duì)象，在城市或特定區(qū)域范圍內(nèi)提供若干個(gè)站點(diǎn)和若干公共自行車，系統(tǒng)可提供人們免費(fèi)或者象征性收費(fèi)使用自行車，并能在任意服務(wù)站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通租通還［2］。

目前，公共自行車系統(tǒng)已發(fā)展到第三代，其采用許多現(xiàn)代技術(shù)手段，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、智能卡技術(shù)等。管理中心、租賃站點(diǎn)服務(wù)終端、停車器都實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行通信，不僅可以實(shí)現(xiàn)異地還車，很多其他交易如會(huì)員注冊(cè)也不受服務(wù)站點(diǎn)地理位置的限制［3］。但與此同時(shí)，目前的公共自行車系統(tǒng)仍存在一些問(wèn)題，如:只提供自行車的租賃和管理;高峰期的機(jī)動(dòng)調(diào)運(yùn)能力低下，上班和下班高峰期借車和還車?yán)щy;車輛故障不能及時(shí)修理解決，刷卡系統(tǒng)時(shí)有故障;數(shù)據(jù)傳輸速率低下，數(shù)據(jù)安全沒(méi)有保證。

本文中所設(shè)計(jì)的站點(diǎn)控制平臺(tái)，針對(duì)以上問(wèn)題，提出利用RFID 技術(shù)、CAN 總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等手段的有效的解決方案;CAN 總線技術(shù)保證站點(diǎn)控制平臺(tái)與鎖樁部分的數(shù)據(jù)實(shí)施有效且安全可靠;采用TCP、UDP、FTP 等多種通信手段相結(jié)合的通信方式，能夠處理多種數(shù)據(jù)，為后臺(tái)的調(diào)度方案提供數(shù)據(jù)支持，從而解決高峰時(shí)期調(diào)度車輛難的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)介紹

一個(gè)公共自行車租賃系統(tǒng)包含一個(gè)站點(diǎn)控制平臺(tái)及其下的若干鎖樁、服務(wù)器集群等組成。

站點(diǎn)控制平臺(tái)通過(guò)對(duì)鎖樁的控制，可以提供車輛租賃服務(wù)，此外還提供用戶自助服務(wù)，用戶在此處查詢可租還車輛、查詢用戶和周圍網(wǎng)站車輛信息，也可以進(jìn)行App 租車以及登錄并進(jìn)行個(gè)人業(yè)務(wù)處理。

如圖1 所示，站點(diǎn)控制平臺(tái)與鎖樁通過(guò)CAN 總線的方式進(jìn)行通信的，CAN 總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)可靠性高的特點(diǎn)，保證了車輛租還的實(shí)時(shí)可靠;站點(diǎn)控制平臺(tái)與后臺(tái)服務(wù)平臺(tái)通過(guò)有線和無(wú)線兩種方式進(jìn)行通信，在兩種方式都可用的情況下，優(yōu)先使用有線通信方式進(jìn)行通信，在特殊情況下使用GPRS 方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)能夠正常可靠的進(jìn)行。

圖1 公共自行車租賃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

站點(diǎn)控制平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)基于Linux 內(nèi)核進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序采用QT 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，站點(diǎn)控制平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)基于Linux 內(nèi)核進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。QT 版本為QT4.8.5，開(kāi)發(fā)環(huán)境為QtCreator2.4.1，交叉編譯器采用arm－linux－gcc－4.4.1，Linux 內(nèi)核版本Linux3.2.1。整個(gè)站點(diǎn)控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用嵌入式Linux、RFID 無(wú)線射頻、CAN 總線等技術(shù)手段，包括公共自行車租/還管理、數(shù)據(jù)通信處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、調(diào)度管理的智能管理系統(tǒng)，對(duì)自行車租用實(shí)現(xiàn)了各站點(diǎn)控制平臺(tái)之間通租通還、自助服務(wù)、操作方便、智能科學(xué)管理的要求［4］。自行車租賃站點(diǎn)控制平臺(tái)的主要功能模塊如圖2所示。

圖2 站點(diǎn)控制平臺(tái)的主要功能模塊

站點(diǎn)控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)流圖如3 所示。從圖上可以看出，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)可以根據(jù)多站點(diǎn)控制平臺(tái)向上可通過(guò)網(wǎng)口設(shè)備，進(jìn)行UDP，TCP，NTP 同步以及FTP 通信，多種通信方式保證了各數(shù)據(jù)處理流程有序進(jìn)行;向下可通過(guò)CAN 總線與鎖樁通信;此外還可以通過(guò)讀卡器模塊在站點(diǎn)控制平臺(tái)進(jìn)行讀/寫(xiě)卡操作。

圖3 站點(diǎn)控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)流圖

2.1 初始化程序設(shè)計(jì)

在站點(diǎn)開(kāi)啟時(shí)，需要與后臺(tái)的服務(wù)器進(jìn)行同步，同時(shí)，需要向后臺(tái)服務(wù)平臺(tái)請(qǐng)求本站點(diǎn)的基本信息以及周圍站點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，同時(shí)更新特殊卡的狀態(tài)信息。具體的初始化流程圖如圖4 所示。

圖4 初始化程序流程圖

在站點(diǎn)開(kāi)啟時(shí)，需要與后臺(tái)的服務(wù)器進(jìn)行同步，同步包括時(shí)間同步和數(shù)據(jù)同步;時(shí)間同步是指使用NTP 服務(wù)與服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步，數(shù)據(jù)同步是向服務(wù)器請(qǐng)求更新本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，同時(shí)更新配置文件的內(nèi)容，與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)保持一致。

2.2 用戶卡租車

租車流程如圖5 所示，站點(diǎn)控制平臺(tái)與鎖樁通信時(shí)采用一應(yīng)一答形式，用戶持卡到鎖樁刷卡租車操作時(shí)，首先鎖樁向站點(diǎn)發(fā)出卡校驗(yàn)請(qǐng)求，判斷是工作人員的調(diào)度卡還是用戶卡，若為工作人員的調(diào)度卡，則判斷為調(diào)度車輛操作;若為用戶卡，則進(jìn)行卡片的狀態(tài)判斷;若為特殊卡狀態(tài)，則拒絕租車。再判斷該卡是否已經(jīng)租車，若已租車且未還車，則拒絕其租車;否則繼續(xù)判斷其卡片內(nèi)的余額。如果余額足夠，超過(guò)一次租車所有的最大金額，則允許其租車;否則拒絕租車。

圖5 租車流程圖

用戶一旦成功租車，站點(diǎn)控制平臺(tái)就會(huì)在本地Sqlite 數(shù)據(jù)庫(kù)生成租還車數(shù)據(jù)，同時(shí)，修改數(shù)據(jù)庫(kù)中鎖樁的狀態(tài)表，保證一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障無(wú)法與服務(wù)器進(jìn)行通信，站點(diǎn)能夠存儲(chǔ)一定量數(shù)據(jù)。

2.3 用戶卡還車

還車流程如圖6 所示，用戶持卡和自行車到站點(diǎn)控制平臺(tái)下的鎖樁進(jìn)行還車操作。用戶將車推入鎖樁后，將卡放在讀卡區(qū)進(jìn)行刷卡操作，鎖樁獲取用戶卡中的卡信息和車輛卡中的卡信息，并將卡信息與車輛信息進(jìn)行比對(duì)，如果卡信息與車輛信息匹配，則鎖樁向站點(diǎn)控制平臺(tái)發(fā)送還車信息，站點(diǎn)確認(rèn)信息后返回還車響應(yīng)信息。用戶卡還車流程如圖6 所示。

圖6 還車流程圖

2.4 手機(jī)App 租車

手機(jī)App 登錄界面及用戶操作界面如圖7 所示。站點(diǎn)控制平臺(tái)支持用戶使用手機(jī)App 進(jìn)行租車。用戶需要下載專用的租車軟件，在登錄后，軟件自動(dòng)匹配最近站點(diǎn)，一旦進(jìn)入站點(diǎn)范圍，就可以租車。用戶在App 上可申請(qǐng)租車驗(yàn)證碼。在站點(diǎn)控制平臺(tái)輸入驗(yàn)證碼后，完成租車操作。

圖7 App 租車流程圖(截圖)

此外，手機(jī)App 還提供了多種便捷服務(wù)。手機(jī)App 提供對(duì)其他站點(diǎn)信息進(jìn)行查詢的功能，通過(guò)調(diào)用Google 地圖API函數(shù)［5］，生成附近站點(diǎn)的地圖坐標(biāo)位置，用戶可以在地圖上直觀的看到站點(diǎn)和網(wǎng)點(diǎn)分布，并可以查詢每個(gè)站點(diǎn)的信息;此外，手機(jī)App 還提供對(duì)用戶卡的租還車記錄的查詢操作以及聯(lián)系客服中心的功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)自行車租賃系統(tǒng)中鎖樁與站點(diǎn)控制平臺(tái)通信可靠性低，實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)采用了CAN 總線通信方式。而在實(shí)際使用中，會(huì)遇到多個(gè)鎖樁同時(shí)租還車的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在大量數(shù)據(jù)涌入時(shí)數(shù)據(jù)丟失。本次設(shè)計(jì)考慮到這一問(wèn)題，提出FIFO+Hash 算法的解決方案，其基本方法為:首先，對(duì)CAN 數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分，高優(yōu)先級(jí)優(yōu)先處理。其次，采用多線程的方式，使用A 線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)讀取，并將讀到的CAN 數(shù)據(jù)插入到設(shè)定好的FIFO 隊(duì)列中，規(guī)則為高優(yōu)先級(jí)插入高優(yōu)先級(jí)FIFO，低優(yōu)先級(jí)插入低優(yōu)先級(jí)FIFO，F(xiàn)IFO 隊(duì)列設(shè)定的容量足夠大。B 線程則對(duì)FIFO 隊(duì)列進(jìn)行出隊(duì)的操作，將得到的CAN 數(shù)據(jù)根據(jù)CAN Id 分別插入Hash 表中，CAN Id 為對(duì)應(yīng)的Key 值，CAN 幀可根據(jù)Key 進(jìn)行組裝。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)Key 值取出相應(yīng)的CAN 數(shù)據(jù)。從而解決的在CAN 數(shù)據(jù)突發(fā)量大時(shí)數(shù)據(jù)丟包的問(wèn)題。具體設(shè)計(jì)流程如圖8 所示。

圖8 FIFO+Hash 算法流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的公共自行車站點(diǎn)控制平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)有卡和App 租車兩種方式租車，提出并實(shí)現(xiàn)了以RJ－45 以太網(wǎng)接口與GPRS 無(wú)線通信兩種方式與監(jiān)控中心與服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)，提出并實(shí)現(xiàn)了采用CAN－BUS 與鎖樁進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的通信。本文中的設(shè)計(jì)從實(shí)用性和可靠性方面對(duì)已有的公共電動(dòng)自行車自助服務(wù)終端系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，下一步的研究方向，是加強(qiáng)手機(jī)App 的功能，如通過(guò)掃描二維碼進(jìn)行租還車等，逐步取消使用卡片進(jìn)行操作;同時(shí)，將更多的支付平臺(tái)集成到站點(diǎn)控制平臺(tái)，使用戶可以通過(guò)多種支付方式進(jìn)行租還車。

［1］李婷婷.城市公共自行車租賃點(diǎn)選址規(guī)劃研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［2］黃孝斌，魏劍平，樊勇，等. 物聯(lián)網(wǎng)助力城市信息化發(fā)展——探索城市管理新模式［J］.中國(guó)科學(xué)院院刊，2010(1):64－70.

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［5］徐光俠，封雷，涂演.基于Android 和Google Maps 的生活輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，24(2):242－247.