基于物聯(lián)網(wǎng)的校園共享雨傘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳玉娥 任玉文 陳 可 黃文歡 宋鑫海 韓文龍

(蚌埠醫(yī)學(xué)院 安徽蚌埠 233030)

1 研究背景

天氣預(yù)報(bào)不是特別準(zhǔn)確，有時候會有突如其來的雨；就算知道有雨也可能會忘記帶傘；避雨會浪費(fèi)寶貴的時間；買一把新的雨傘會導(dǎo)致家里的傘越來越多，會占地方，且出行總是帶傘也不是特別的方便。雖然酒店、商場等一些地方也提供愛心雨傘以供借用，但是用戶及時歸還到原處的限制條件，給人們帶來一定麻煩，還有些公民沒有道德規(guī)范和公共意識，隨意損壞或者不歸還，導(dǎo)致丟傘率高，不好管理。有了共享雨傘，隨時隨地人們都可以出行自如，不必時刻關(guān)注天氣，不必內(nèi)心糾結(jié)需不需要帶傘出門或者丟傘。

百度百科對共享雨傘的描述是這樣的：共享雨傘是指企業(yè)在地鐵站點(diǎn)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、校園、酒店等提供雨傘的共享服務(wù)，是共享經(jīng)濟(jì)的一種新形態(tài)。2017年初，國內(nèi)共享雨傘漸漸露出鋒芒，在廣州、深圳及江浙滬一帶開始試運(yùn)行。共享雨傘符合綠色出行、節(jié)省資源的環(huán)保理念，不過其商業(yè)市場目前還是處于初級和探索階段[1-2]。文章結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識，設(shè)計(jì)了一個校園共享雨傘網(wǎng)上借還系統(tǒng)，主要功能是實(shí)現(xiàn)校園教學(xué)樓、食堂、宿舍三個區(qū)域的公共雨傘共享，方便意外或惡劣天氣時未帶雨傘的情況。開發(fā)了“小蚌”共享雨傘APP，方便師生，開闊學(xué)生視野，提高學(xué)生創(chuàng)新意識，“小蚌”共享雨傘具有晴雨兩用功能，有雨則遮雨，夏季起到防曬防紫外線的作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)是物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，在系統(tǒng)中是把共享雨傘聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，設(shè)計(jì)了共享雨傘的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[3]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

應(yīng)用層面向用戶，管理用戶和雨傘，用戶通過手機(jī)APP進(jìn)行注冊、登錄、申請開鎖取傘、還傘、繳費(fèi)、上報(bào)終端位置等等；網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，向客戶端發(fā)送登錄驗(yàn)證碼、開鎖指令、用傘相關(guān)提醒、天氣狀況等等信息；感知層是信息采集部分，用戶掃碼，獲取雨傘編號發(fā)給后臺服務(wù)，如果滿足借傘條件就開始借傘。

3 軟件系統(tǒng)

軟件部分使用前端開發(fā)工具HBuilder設(shè)計(jì)了“小蚌”校園共享雨傘APP，使用簡單方便，服務(wù)器端的開發(fā)環(huán)境是Eclipse，開發(fā)語言是Java。整個系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，實(shí)際部署Web服務(wù)器是Apache+Tomcat + 數(shù)據(jù)庫MySQL。端到端通信是C/S方式?？蛻舳酸槍ndroid開發(fā)環(huán)境，目標(biāo)系統(tǒng)是Android 4.0以上，使用Java語言和js提供的Ajax異步請求技術(shù)，請求后臺數(shù)據(jù)接口，解析后臺返回的json數(shù)據(jù)。手機(jī)端安裝完成打開“小蚌”APP，其主界面如圖2所示。

圖2 APP主界面

3.1 登錄及賬戶管理

點(diǎn)擊圖2中①處可以打開用戶登錄界面，如圖3(a)所示，用戶輸入手機(jī)號，然后點(diǎn)擊“獲取驗(yàn)證碼”，可以收到類似這樣的信息“【小蚌】歡迎使用小蚌雨傘，您的驗(yàn)證碼為834903，10min內(nèi)有效，請盡快使用?！盇PP可使用阿里提供的接口實(shí)現(xiàn)發(fā)送手機(jī)驗(yàn)證碼進(jìn)行登錄系統(tǒng)的功能，免注冊，無須記憶密碼，方便快捷。部分主要代碼如下：

private static Map sendMap = new ConcurrentHashMap<>()；

private static final String product = "Dysmsapi"；// 短信API產(chǎn)品名稱

private static final String domain = "dysmsapi.aliyuncs.com"；// 短信API產(chǎn)品域名

private static final String accessKeyId = "LTAIw3zvXKJhMlZ7"；

private static final String accessKeySecret = "eUKPy2NsCB4KUgafGQSeMIoyWbiRhU"；

private static final SendSmsRequest request = new SendSmsRequest()；

static {sendMap.put("15212653351"， "123456")；// 提供一個測試用手機(jī)號碼和驗(yàn)證碼

request.setMethod(MethodType.POST)； //使用post提交組裝請求對象

request.setSignName("小蚌")；//短信簽名 request.setTemplateCode("SMS_129757529")；}//短信模板

將手機(jī)端收到的短信驗(yàn)證碼輸入到圖3(a)所示“驗(yàn)證碼”輸入框中，點(diǎn)擊“進(jìn)入”按鈕，即可進(jìn)入個人信息頁面，如圖3(b)所示。圖中顯示了用戶的賬戶余額，點(diǎn)擊“充值”按鈕進(jìn)入圖3(c)，輸入充值的金額，點(diǎn)擊“確認(rèn)充值”，進(jìn)入圖3(d)，可以看到“充值成功”的提示信息以及充值后的賬戶余額。

圖3 登錄及賬戶管理界面

3.2 地圖定位

用戶打開手機(jī)端的“小蚌”APP，將自動獲取用戶的地理位置并顯示在地圖上，如圖2中②處顯示“已為您切換到當(dāng)前位置”，從主界面的地圖上可以看到用戶所處的位置。首先注冊成為高德地圖開發(fā)者并申請一個秘鑰key，然后在前端頁面引入高德地圖JavaScript API，創(chuàng)建了地圖容器并給定中心坐標(biāo)和地圖級別等常見的地圖操作信息。部分代碼如下：

map.plugin('AMap.Geolocation'， function () {

geolocation = new AMap.Geolocation({

enableHighAccuracy： false，//是否使用高精度定位

timeout： 1000， //超過10秒后停止定位

maximumAge： 0， //定位結(jié)果緩存0毫秒

convert： true， //自動偏移坐標(biāo)，偏移后的坐標(biāo)為高德坐標(biāo)

showButton： true， //顯示定位按鈕

buttonPosition： 'LB'， //定位按鈕?？课恢?，默認(rèn)：'LB'，左下角

buttonOffset： new AMap.Pixel(10， 20)，//定位按鈕與設(shè)置的?？课恢玫钠屏?/p>

showMarker： true， //定位成功后在定位到的位置顯示點(diǎn)標(biāo)記

showCircle： true， //定位成功后用圓圈表示定位精度范圍

panToLocation： true， //定位成功后將定位到的位置作為地圖中心點(diǎn)

zoomToAccuracy：true})； //定位成功后調(diào)整地圖視野范圍

map.addControl(geolocation)；

geolocation.getCurrentPosition()；

AMap.event.addListener(geolocation， 'complete'， function(position){

layer.alert('已為您切換到當(dāng)前位置'， {icon： 1})；

marker = new AMap.Marker({title： '你的位置'})；

marker.setMap(map)；})；//返回定位信息

借助地圖定位功能，用戶在不同的地方打開APP，可以快速找到距離較近的共享雨傘的借還點(diǎn)。

3.3 掃碼解鎖

點(diǎn)擊圖2中③所示的“解鎖”按鈕可以實(shí)現(xiàn)掃碼開鎖進(jìn)行借傘的功能。

首先通過Google的Zxing包下的工具類QRcode為每一把傘都生成一個帶小蚌雨傘Logo的二維碼圖片放入前端頁面Websocket下image文件夾中，如圖4(a)所示。

圖4 開鎖關(guān)鎖界面軟件模擬

Html5+提供了各種接口及規(guī)范，調(diào)用接口即可實(shí)現(xiàn)和硬件的交互，該項(xiàng)目APP中使用到的模塊Barcode提供打開攝像頭識別二維碼的功能。因此當(dāng)用戶點(diǎn)擊圖2中的“解鎖”按鈕時會打開手機(jī)的攝像頭。圖4(b)所示的二維碼代表一把雨傘，此時是上鎖的，手機(jī)掃描以后，后臺數(shù)據(jù)庫判斷此用戶是否滿足借傘條件：假如用戶已交押金，當(dāng)前沒有未支付的情況，并且傘也處于可借狀態(tài)，就會執(zhí)行開鎖指令，如圖4(c)所示，可以看到樣式鎖被打開，完成用戶借傘操作。下面是開鎖功能的部分代碼：

public Return open(

@RequestParam(value="userId"， defaultValue=""， required=true) String userId，

@RequestParam(value="umbrellaId"， defaultValue=""， required=true)String umbrellaId) {

User user=userService.getUserInfoById(userId)；

if(user == null){return new Return(false，"用戶不存在！")；}

if(user.getState()==0) {return new Return(false，"未支付押金！")；}

if(user.getState()==2) {return new Return(false，"正在使用中！")；}

if(user.getState()==3) {return new Return(false，"有未支付的訂單")；}

if(umbrellaService.getState(umbrellaId)==1){return new Return(false，"這把傘正在使用中！")；}

boolean b= umbrellaService.insertOrder(userId，new Date()， umbrellaId)；//插訂單

if(b) {

umbrellaService.changeUmbrellaState(1， umbrellaId)；//修改雨傘狀態(tài)

userService.updateState(userId， 2)；//修改用戶狀態(tài)

SocketUtil.unlock()； //解鎖

umbreallaWebSocket.sendMessage(new Gson().toJson(new Direction(Umbrella.UNLOCK， umbrellaId)))；

return Return.OPERATE_SUCCESS；}

else {return Return.PARAM_WRONG；}}

3.4 關(guān)鎖支付

如果上述借傘操作成功，再次進(jìn)入個人信息頁面，可以看到“解鎖”按鈕變成了“關(guān)鎖”按鈕如圖5(a)所示。點(diǎn)擊“關(guān)鎖”按鈕，進(jìn)入圖5(b)所示的支付界面，點(diǎn)擊“去支付”按鈕并支付相應(yīng)的租賃費(fèi)即可完成還傘操作。小蚌共享雨傘的押金設(shè)置為10元，每小時收費(fèi)0.5元(不足1小時按1小時計(jì)費(fèi))。以兩天為歸還期限，逾期后每天收取一定逾期費(fèi)，直至押金扣完為止。支付完成，會返回到APP主頁面，再次進(jìn)行掃碼，“解鎖”功能又可以正常使用了。

圖5 關(guān)鎖和支付界面

關(guān)鎖功能部分代碼如下：

public Return close(

@RequestParam(value="userId"， defaultValue=""， required=true) String userId，

@RequestParam(value="umbrellaId"， defaultValue=""， required=true)String umbrellaId) {userService.updateState(userId， 3)；//修改用戶狀態(tài)

umbrellaService.changeUmbrellaState(0， umbrellaId)；//修改雨傘狀態(tài)

SocketUtil.lock()；//雨傘關(guān)鎖

umbreallaWebSocket.sendMessage(new Gson().toJson(new Direction(Umbrella.LOCK， umbrellaId)))；

int time = umbrellaService.getUseTime(userId)； //計(jì)算使用雨傘時間

time = time <= 0 ? 1 ： time；

umbrellaService.updateMoney(userId， time * 0.01)；} //計(jì)算費(fèi)用

支付功能部分代碼如下：

public Return pay(

@RequestParam(value="userId"， defaultValue=""， required=true) String userId) {

int time=umbrellaService.getUseTime(userId)；

System.out.println("使用時間："+time)；

double money= time * 0.01；

umbrellaService.updateMoney(userId， money)；//支付成功后執(zhí)行的操作

userService.updateState(userId， 1)；//更改用戶狀態(tài) 為已支付

umbrellaService.updateOrderState(userId)； }//更改訂單狀態(tài)為已完成

3.5 天氣信息

點(diǎn)擊圖2中④處的信息標(biāo)識可以打開圖6所示的天氣預(yù)報(bào)。

圖6 天氣信息

調(diào)用高德天氣接口API，通過使用者IP定位得到信息Adcode，再結(jié)合前面提到的秘鑰key，調(diào)用weather插件便能得到最近五天的天氣實(shí)況，實(shí)時為用戶提供溫度、濕度、空氣質(zhì)量、溫馨提示等信息可以幫助了用戶做出合適的選擇。部分代碼如下：

public Return getWeatherInfo(

@RequestParam(value="city"， defaultValue="蚌埠")String city){

if(res != null){ return new Return(true， res)；}

String urlString = "https：//www.sojson.com/open/api/weather/json.shtml?city=" + city；

RestTemplate rt = new RestTemplate()；

HttpHeaders headers = new HttpHeaders()；

headers.setContentType(MediaType.APPLICATION_JSON_UTF8)；

HttpEntity entity = new HttpEntity(headers)；

res = rt.exchange(urlString， HttpMethod.GET， entity， Map.class)；

new Thread(()->{

try {Thread.sleep(1000 * 3)；res = null；}

catch (Exception e) {e.printStackTrace()；}

}).start()；

return new Return(true， res)；}

4 硬件系統(tǒng)

共享雨傘分為傘樁和雨傘兩部分。傘樁的分布位置已內(nèi)嵌到后臺，用戶可直接在APP上找到附近的傘樁。分析了文獻(xiàn)[4]、[5]、[6]，文章設(shè)計(jì)的傘樁的主要硬件部分為智能鎖和主控芯片，如圖7所示。

圖7 硬件系統(tǒng)圖

4.1 藍(lán)牙模塊

采用深圳倫茨科技研發(fā)的藍(lán)牙智能芯片：ST17H30，這款芯片具有以下功能：支持定位，藍(lán)牙IC可直驅(qū)馬達(dá)，支持多種開鎖方式，如：通過二維碼掃描方式/藍(lán)牙連接方式開鎖等，支持空中升級OTA ，多重加密。超低功耗 1顆18650鋰電池(3000mah)可連續(xù)工作2年。

4.2 主控芯片

基于ARM Cortex-M4的STM32F4系列單片機(jī)(MCU)采用了意法半導(dǎo)體的NVM工藝和ART加速器，在180 MHz的工作頻率下通過閃存執(zhí)行指令時可實(shí)現(xiàn)225 DMIPS/608 CoreMark的性能。

在該硬件系統(tǒng)中，主控MCU和馬達(dá)驅(qū)動模塊作為后備開鎖模塊，在藍(lán)牙模塊開鎖失效的情況下，由MCU通過馬達(dá)驅(qū)動來開鎖并將此傘樁的故障鎖記錄下來通過網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺服務(wù)器。

5 結(jié)語

共享雨傘弱化“擁有權(quán)”，強(qiáng)調(diào)“使用權(quán)”，輕松掃碼，一鍵借傘，隨借隨還，讓閑置的傘在行人迫切需要時，發(fā)揮它遮陽擋雨的作用。未來共享經(jīng)濟(jì)是發(fā)展的趨勢，課題組在這方面進(jìn)行了一次探索嘗試，將“共享”理念引入校園，未來可共享的絕不止于雨傘。后續(xù)進(jìn)行軟硬件的改進(jìn)和完善，以期可以推廣到人流密集的社區(qū)以及更多地方，讓公眾獲得更多的便利，具有廣泛的市場前景和社會價值。