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    淺談電動自行車管理系統的框架設計

    發布時間: 2020-08-06  點擊次數: 447次

    摘要:為了響應國家“低碳環保,綠色出行”的環保理念,論文針對省時、省力的電動自行車, 設計公共電動自行車智能管理系統,利用物聯網,實時傳輸電動車況信息,不僅能夠向民眾提供便捷  的公共電動自行車租賃方案,而且能夠協助交管部門監管自行車使用者的行車周全,從而提高大運量  公共交通工具的使用效率和周全性。

    關鍵詞:公共電動自行車;物聯網;無線通訊;GPS

     

    目我國許多城市已經建成公共自行車租賃管理系統,能夠滿足一部分民眾短距離出行的需求,但是自行車畢竟完全靠 人力,在載重和運距上有限。而電動自行車除了節能、經濟、 環保之外,并兼有機動車的省力省時特點,加符合當今消費 者的消費特征和需求,經過短短幾年的發展便擁有龐大的消費 群。然而,龐大的電動自行車數量以及部分民眾較為薄弱的交通意識,使得電動自行車的管理非常復雜。因此,研究設 立公共電動自行車智能管理平臺,采用租借的形式有償出租電 動自行車,來解決城市公交“一公里”和短途出行問題, 既能緩解城市現有大氣污染問題,又能通過集中管理和控制, 減少因電動自行車違規行駛而造成的交通事故。

     

    一、系統總體框架與功能

    雖然目在公共人力自行車方面已經有許多成熟的智能管理系統和平臺],但是公共電動自行車的管理與普通人力自行車不同,主要體現在以下兩個方面:

    1.電動自行車車速快,為了避免發生交通事故,需要對其進行限速;

    2.電動自行車所能行駛的距離由其電池的續航時間決定,使用者需要事先知道電池的續航時間,才能放心使用。

    因此,針對電動自行車的特點所設計的智能管理系統總體 框圖如圖 1 所示。主要包括四個部分:運營管理的后端管理平臺、手機軟件的使用者界面、電動自行車、交通監管信息平臺。 每臺電動自行車上搭載一個通訊盒,通過 GPS 實現定位和測速, 并以無線方式將車輛的信息傳送至后端管理平臺,后端管理平  臺可以實時監控車輛的位置、速度、受損狀況、是否被盜等信息, 以決定是否需要調整當資費、實施救援或向交管部門報警,  還可以將數據上傳到云端,進而對用戶的使用行為、交通狀況  進行大數據分析,以此作為平衡各個站點車輛數目的依據。對  于用戶而言,只需要下載相關 APP 軟件,注冊會員,在每次使用可以先查詢當各個站點的車輛電量情況,預約車輛, 然后在規定時間內到達現場,通過手機掃描車上的二維碼啟動  自行車。在車上裝有失竊感應裝置,當發生人為強行搬運車輛時,將立即發出警告蜂鳴并通知交管部門。當自行  車的充電插頭插入充電樁時,充電線路上的霍爾電流感應器將  把電量信息傳送至車輛上的通訊盒中,并通過無線網絡發送給  后端管理平臺。

     

     

        

     
      

     

    圖 1 公共電動自行車智能管理系統總體框架


    二、系統硬件部分

    公共電動自行車智能管理系統主要包含兩個重要的硬件模塊,分別是通訊盒與控制器。

    1.通訊盒

    智能系統所管理的電動自行車是由通訊盒實現與后端管理平臺的信息交互,主要由無線通訊模塊、GPS 定位模塊組成:

    1.1無線通訊模塊

    無線通訊模塊是實現電動自行車車和后端管理平臺通訊的關鍵模塊,可以接收由管理服務器發出的識別碼,同時也可以 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器。無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 模塊主要用于室內信息傳輸。為了保證信息能夠完整地傳輸到后臺管理服務器, 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模 塊中,等到鏈路狀態好的時候再發送。

    1.2 GPS 定位模塊

    由于電動自行車常常是穿梭在樓宇之間,建筑物的遮擋容易導致 GPS 定位不準確,加上電動自行車在行進時,GPS 的定位點容易亂跳,造成信息讀取的誤差較大,如果進入室內,則GPS 是無法定位。因此本系統采用支持慣性導航功能(ADR) 的GPS 模塊。當 GPS衛星信號無法接收時,該模塊使用來自陀螺和速度脈沖傳感器的角度和速度信息來推算位置,從而大幅提高 GPS 衛星定位性能,有效降低在城市高樓林立環境下的多徑效應的影響。通過對傳感器數據與 GPS 位置進行處理,即便在對 GPS 不利(如城區高樓林立的環境)或 GPS 信號缺失(如隧道和地下停車場)的情況下也能達到覆蓋、和持續定位。

    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信息或直接根據后端管理平臺發來的指令,控制車輛的各模塊工作,主要包括對以下功能的控制:

    2.1車輛的啟動

    以租賃的流程來說,使用者通過用戶 APP 完成預約后,在規定時間內到達電動自行車旁,通過手機掃描車上二維碼,將 用戶信息和車輛信息上傳至后端管理平臺,管理平臺核對用戶 信息后發送信息給車輛,車輛的無線通訊模塊收到信息后,即通知控制器開啟電動車。如果未預約者掃描已預約車輛,則后臺不會發送信息。

    2.2超速警示信息

    控制器通過 GPS 定位模塊監測車輛的速度,當車速接近交管部門規定的值時,就控制警報器向使用者發出警示信息, 當車速超過該值時,則直接通過無線通訊模塊向后端管理  平臺發送車輛超速警示信息。

    2.3車輛遭竊警示信息

    控制器還需要根據感測驅動電路傳送過來的鑰匙信息以及慣性感測器傳送的慣性感測信號,判斷是否有不法人士試圖通強行整臺搬運電動車,若發生上述情況,則產生警示信號,并經由無線通訊模塊將該警示信號發送至后端管理服務器,使得監控人員能即刻采取相應的措施,以 便快速找回失竊的電動車。

    三、系統軟件部分

    根據系統的整體功能,軟件部分主要分為通訊盒軟件和云端管理平臺兩大部分。

    1.通訊盒軟件

    通訊盒基于嵌入式 Linux 操作系統,采用開源的 Node.js 平臺,配合通訊盒控制器、無線通訊模塊以及定位模塊,進行軟件開發,主要實現以下功能:

    1)對周邊設備的控制,包括:鑰匙啟動、防盜機制啟動、警報器啟動等。

    (2)對車輛信息的實時獲取和判斷,包括:位置信息、車速信息、電池電壓、電池殘量以及鑰匙狀態等信息的獲取,并判斷某些數值是否達到需要傳送給后端服務器的門限值,若達到, 則觸發信息的傳送。

    對車輛信息的實時傳送,將獲取到的車輛信息實時傳送 到后端服務器。信息的傳送主要依靠兩類機制觸發:一為定時  觸發機制,即每隔一段固定的時間,觸發一次車輛信息的傳送; 二為事件觸發機制,即在收集車輛信息過程中有觸發任何事件, 也會進行信息的傳送。信息的傳送首先考慮通過 WiFi 熱點,如果在戶外沒有 WiFi 熱點情況下,則采用 4G 模塊進行傳送。通訊盒與服務器的信息交互采用 SOCKET 傳輸模式,透過三項交握的封包交換機制建立連線通道,并使用滑窗及序列號確認及 重傳等機制實現可靠傳輸。

    2.云端管理平臺

    云端管理平臺主要分為兩個部分:一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,所有的營運的電動自行車都與該核心邏輯服務器連接及溝通;另  一部分是管理端界面服務器和手機服務器及網頁服務器。

    整個云端管理平臺采用若干臺服務器及一臺存儲服務器組成VMware vCloud 虛擬云架構,虛擬化地使用軟件來模擬硬件的存在,并建立一個虛擬電腦系統,這樣可在一個虛擬系統上 執行多事件,并能在單一服務器上執行多個操作系統和應用 程序,帶來規模經濟和對硬件資源有效的利用。此外,隨著實體主機的減少,系統閑置所造成能源的消耗問題也隨之減 少,可實現綠色機房的目標。

    四、安科瑞充電樁運營管理平臺

    安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數據交互。系統能夠對電動自行車充電樁的日常狀態、充電過程進行監控;實現充電支付對接:支持投幣、刷卡、支付等多種支付方式,保證支付交易過程的完整性,對充電過程中的異常情況進行有效預警;實現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯網平臺、小程序等,提供相關異常數據,實現電動車充電管理的網絡化、可視化。

     

     

    ① 全預警

    對平臺連接的所有充電樁狀態進行監視,充電樁發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號,及時消除火災隱患。

     

     

    ② 交易結算管理

    平臺為運營方提供充電價格策略管理,預收費管理,賬單管理,營收和財務相關報表等,支持投幣、刷卡和掃碼充電。

     

     

    ③ 充電服務

    可通過軟件搜索附近充電樁,并查看充電樁狀態,并導航至可用充電樁??赏ㄟ^在線自助支付實現充電。

     

     

    ④ 運營分析

    對訂單進行數據化分析,通過柱狀圖、報表方式直觀展示數據,并支持和第三方平臺對接。

     

     

    ⑤ 小程序

    可通過小程序掃碼充電,充電賬單支付。運營商和物業管理人員均可通過小程序管理,監測充電樁狀態和充電交易情況。

     

    充電樁型號

     ACX10A-YH

    外形尺寸

    320*135*400mm

    機器凈重

    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

    待機功率

    2W

     

    • 可同時10輛電瓶車
    • 尺寸空間大,投幣箱容量大,內部空間充裕,具備充足的電氣穩定性。
    • 實體按鍵設計,手感實在,使用壽命長。
    • 顯示投幣數、IC刷卡次數、IC卡余額,卡內余額語音播報。
    • 每次扣費和充電時間可調,可多次投幣刷卡,充電時間自動累計。
    • 可根據客戶需求開通免費充電功能、月卡功能和刷卡退費。
    • 可使用支付寶支付、APP 支付。
    • 自動識別出現故障的線路,并伴有字母和語音提示。
    • 具有斷電記憶功能,當出現斷電,來電后可以繼續使用剩余的時間充電。
    • 具有拔掉斷電功能,當用戶拔掉充電器,及時自動斷電。
    • 具有充滿自停功能,自動檢測電瓶車充電狀態,如充滿則停止供電,計費時間清零。
    • 具有過載保護功能,能識別大功率電器,自動暫停供電,防止用戶私接插線板給多臺電瓶車充電。
    • 具有短路保護功能,當出現短路,保險絲熔斷確保穩定。
    • 具有按功率給時間功能,根據檢測到的功率,按照設定時間開啟充電。
    • 可選配聯網煙感,當出現火情,可發送短信給責任人。
    • 過溫保護功能,當檢測機箱溫度過高,停止充電。
    • 夜間斷電功能,可設定夜間整機斷電黑屏,禁止夜間充電。
    • 遠程抄表,485電表數據采集上報。

    五、總結

    與一般的自行車租賃系統相比,本文設計的公共電動自行車智能管理系統能夠為民眾提供加便捷的使用體驗,為 交管部門提供加有效的監管功能,同時該管理系統能夠根據 車輛使用狀況動態調整資費、平衡站點負荷,進一步提高車輛 的利用率,緩解城市現有大氣污染和交通擁堵問題。

     

    參考文獻 

    [1]張素文, 孫朋, 劉吉昌, 等.“基于物聯網的公共自行車租賃系統設計與實現”[J], 武漢理工大學學報(信息與管理工程版), 2015, 37(6): 675-679.

    [2]肖旻,江福椿,公共電動自行車智能管理系統的設計

    [3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版

     

     

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