基于ZigBee技術(shù)的公共自行車租賃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何濤（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 21300）

基于ZigBee技術(shù)的公共自行車租賃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何濤
（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 21300）

0　引言

當(dāng)前城市交通壓力日益增大，越來越多的人意識(shí)到公共交通的重要性，每個(gè)城市都在大力發(fā)展公共交通、智能交通，公共自行車項(xiàng)目更是把公共交通系統(tǒng)延伸到了市民腳下的最后一公里。自行車非常適合于同城短距離出行，低碳、環(huán)保，能有效提高道路資源利用率，緩解交通壓力。目前的公共自行車租賃系統(tǒng)中的停車樁由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，不能大規(guī)模建設(shè)，大部分城市都只能有選擇地進(jìn)行部分城區(qū)的覆蓋配置，并且停車站點(diǎn)之間距離間隔較遠(yuǎn)。站點(diǎn)覆蓋不全，必然造成市民取車、還車麻煩，只有生活工作在站點(diǎn)附近的市民才能經(jīng)常性使用公共自行車的租賃服務(wù)。ZigBee技術(shù)具有低功耗，低成本，高可靠性，自組織網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，可擴(kuò)展性高，將其結(jié)合到當(dāng)前的公共自行車租賃系統(tǒng)內(nèi)，將有效解決公共自行車停車站點(diǎn)少，租賃、歸還麻煩的問題。

1　原理概述

基于ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)，可以在公共自行車租賃系統(tǒng)中應(yīng)用ZigBee技術(shù)，在城市中建設(shè)一些低成本的、可以連入Internet網(wǎng)絡(luò)的ZigBee基站以及用于信號(hào)中繼的ZigBee路由，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織特性，讓使用后?？康淖孕熊嚬?jié)點(diǎn)自動(dòng)加入最近的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)公共自行車的簡單定位，其精度可在百米左右范圍內(nèi)。

使用后臺(tái)服務(wù)器管理市內(nèi)所有ZigBee基站，統(tǒng)計(jì)各基站所轄空閑自行車，用戶可通過手機(jī)App連接后臺(tái)服務(wù)器，查找附近的空閑自行車，前往租賃。

2　技術(shù)實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

●服務(wù)器

基站所獲取的自行車信息將匯總到后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器為用戶的手機(jī)App提供自行車的定位和租賃服務(wù)。

●基站

基站負(fù)責(zé)管轄本區(qū)域內(nèi)自行車節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)上報(bào)給后臺(tái)服務(wù)器，基站可以由一臺(tái)工控計(jì)算機(jī)連接ZigBee協(xié)調(diào)器組成?；镜墓╇姴糠挚梢酝ㄟ^市供電線路接入，或在部分偏僻區(qū)域使用太陽能電樁。工控計(jì)算機(jī)可選用合適的方式連入Internet網(wǎng)絡(luò)，可使用RJ-45連接有線網(wǎng)絡(luò)，也可使用Wi-Fi接入，或者使用4G模塊接入，具體視部署環(huán)境而定。ZigBee協(xié)調(diào)器使用串口與工控機(jī)相連，并通過無線與下屬自行車節(jié)點(diǎn)通訊。

●ZigBee路由

使用基站做全覆蓋建設(shè)，成本比較高，可以在基站之外建設(shè)部分位置固定的路由站。路由站由于只起到中繼作用，所以不需要直接接入Internet網(wǎng)絡(luò)，也就不需要配置工控機(jī)，可大大節(jié)約建設(shè)成本。

●自行車節(jié)點(diǎn)

每輛自行車上配屬一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，自行車節(jié)點(diǎn)與ZigBee基站、路由組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)。自行車在運(yùn)動(dòng)時(shí)，將隨位置的不同加入就近的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，由于Zig-Bee通信距離較短，其離路由站距離一般不超過200米，基本在用戶視線范圍內(nèi)。

自行車節(jié)點(diǎn)硬件配置如圖2所示：

圖2　自行車節(jié)點(diǎn)硬件配置圖

自行車上的ZigBee節(jié)點(diǎn)和電磁鎖使用同一電池組供電，每輛自行車帶有二維條碼，用于用戶手機(jī)掃描識(shí)別，用戶可通過掃描二維碼來匹配自行車，完成租賃及歸還操作。

自行車帶有一個(gè)電池供電的自鎖裝置，該電磁鎖用于約束用戶的非規(guī)范操作，由自行車自帶的ZigBee節(jié)點(diǎn)控制，可提供有限次數(shù)的自鎖操作，當(dāng)用戶未完成租賃手續(xù)而強(qiáng)行使用自行車，將發(fā)生自鎖操作，當(dāng)自鎖次數(shù)到達(dá)上限，可由維護(hù)人員現(xiàn)場更換電池。

●手機(jī)App

用戶手機(jī)App可完成掃碼匹配自行車，完成租賃和歸還業(yè)務(wù)，手機(jī)App也提供定位搜索自行車的功能，結(jié)合百度地圖所提供的應(yīng)用接口，能給出附近ZigBee路由點(diǎn)位置及所轄空閑自行車的信息。

ZigBee路由在手機(jī)App上的定位如圖3所示。

●基站與自行車的通信

當(dāng)自行車加入一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，基站將負(fù)責(zé)維護(hù)管理該自行車節(jié)點(diǎn)。自行車的租賃、歸還、異常信息會(huì)提交給基站，基站做出應(yīng)答。每個(gè)基站將維護(hù)一張IDTable的數(shù)據(jù)表，里面記錄了所屬自行車節(jié)點(diǎn)的唯一ID號(hào)及自行車的狀態(tài)信息，自行車的路由變更、加入、離去、租賃、歸還、異常還都將更新該表。

考慮組網(wǎng)質(zhì)量和節(jié)電，在自行車停車期間才會(huì)間隔5分鐘和基站通訊，自行車節(jié)點(diǎn)以此判斷是否成為孤立節(jié)點(diǎn)，如成為孤立節(jié)點(diǎn)，往往意味著自行車的定位發(fā)生變化，自行車節(jié)點(diǎn)會(huì)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)再接入，再接入失敗則進(jìn)入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的切換接入機(jī)制，尋找新的父設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。

圖3　ZigBee路由在手機(jī)App上的定位

●基站與服務(wù)器的通信

基站中的IDTable表發(fā)生變更時(shí)會(huì)把變更的內(nèi)容發(fā)送給服務(wù)器，通知服務(wù)器其所屬自行車的變化。

●用戶與服務(wù)器的通信

用戶使用手機(jī)App登錄服務(wù)器，服務(wù)器通過用戶提供的定位信息，將用戶附近的自行車分布地圖提供給用戶參考，用戶找到最近的空閑自行車后，可以掃描自行車二維碼，向服務(wù)器提交租賃申請，服務(wù)器響應(yīng)后，用戶使用自行車。用戶歸還自行車時(shí)，向服務(wù)器提交歸還請求，服務(wù)器應(yīng)答后，業(yè)務(wù)完成。

自行車租賃過程如圖4所示。

圖4　自行車租賃流程圖

●異常的處理

當(dāng)自行車超出所有基站范圍，自行車在歸還操作時(shí)將失敗，自行車告警1分鐘后鎖死，維護(hù)人員可聯(lián)系相關(guān)用戶確認(rèn)自行車位置。

當(dāng)自行車Zigbee節(jié)點(diǎn)供電低于閥值，自行車告警1分鐘后鎖死，維護(hù)人員現(xiàn)場維護(hù)更換供電模塊。

當(dāng)用戶未完成租賃手續(xù)，強(qiáng)行使用自行車，告警30秒后鎖死。自鎖次數(shù)未到使用上限，下次租賃成功后自動(dòng)解鎖；已達(dá)使用上限則通知維護(hù)人員現(xiàn)場更換自鎖電池。

3　系統(tǒng)優(yōu)勢和改進(jìn)方向

與現(xiàn)有公共自行車租賃系統(tǒng)相比，部署成本有所降低；用戶租賃、歸還更加方便，基本可以做到即用即還，不用刻意尋找停車站點(diǎn)；杜絕超期使用自行車，有效提高自行車的利用率。實(shí)時(shí)定位自行車，有效監(jiān)管和維護(hù)公共設(shè)備。

在后續(xù)的開發(fā)維護(hù)中，可進(jìn)一步提高手機(jī)App的功能，增加自行車預(yù)約、故障報(bào)警等功能；硬件上進(jìn)一步降低基站的建設(shè)成本。還可考慮公共自行車租賃系統(tǒng)和公交車站、出租車?？空镜臒o縫對接，讓自行車真正成為現(xiàn)代公共交通系統(tǒng)不可或缺的一環(huán)。

［1］劉騫，孫懋珩.ZigBee網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入與切換機(jī)制仿真分析［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)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］齊楠.智能交通系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，2007，1（10）：85-87.

［4］王寶英.基于ZigBee技術(shù)的智能交通網(wǎng)絡(luò)研究［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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

何濤（1980-），男，江蘇常州人，碩士，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)

2015-09-29

2015-10-15

公共自行車租賃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了市民在城市中能夠更快更方便地使用公共自行車出行。采用ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)，通過該技術(shù)能定位公共自行車的大致位置，然后通過手機(jī)App的應(yīng)用給相關(guān)用戶以位置指示，引導(dǎo)用戶就近獲取、歸還自行車。

ZigBee；公共自行車；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.