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浅谈电动自行车管理系统的框架设计

2020-08-06

摘要:为了响应国家“低碳环保,绿色出行”的环保理念,论文针对省时、省力的电动自行车, 设计公共电动自行车智能管理系统,利用物联网,实时传输电动车况信息,不仅能够向民众提供便捷  的公共电动自行车租赁方案,而且能够协助交管部门监管自行车使用者的行车周全,从而提高大运量  公共交通工具的使用效率和周全性。

关键词:公共电动自行车;物联网;无线通讯;GPS

 

目前我国许多城市已经建成公共自行车租赁管理系统,能够满足一部分民众短距离出行的需求,但是自行车毕竟完全靠 人力,在载重和运距上有限。而电动自行车除了节能、经济、 环保之外,并兼有机动车的省力省时特点,更加符合当今消费 者的消费特征和需求,经过短短几年的发展便拥有庞大的消费 群。然而,庞大的电动自行车数量以及部分民众较为薄弱的交通意识,使得电动自行车的管理非常复杂。因此,研究设 立公共电动自行车智能管理平台,采用租借的形式有偿出租电 动自行车,来解决城市公交“一公里”和短途出行问题, 既能缓解城市现有大气污染问题,又能通过集中管理和控制, 减少因电动自行车违规行驶而造成的交通事故。

 

一、系统总体框架与功能

虽然目前在公共人力自行车方面已经有许多成熟的智能管理系统和平台],但是公共电动自行车的管理与普通人力自行车不同,主要体现在以下两个方面:

1.电动自行车车速快,为了避免发生交通事故,需要对其进行限速;

2.电动自行车所能行驶的距离由其电池的续航时间决定,使用者需要事先知道电池的续航时间,才能放心使用。

因此,针对电动自行车的特点所设计的智能管理系统总体 框图如图 1 所示。主要包括四个部分:运营管理的后端管理平台、手机软件的使用者界面、电动自行车、交通监管信息平台。 每台电动自行车上搭载一个通讯盒,通过 GPS 实现定位和测速, 并以无线方式将车辆的信息传送至后端管理平台,后端管理平  台可以实时监控车辆的位置、速度、受损状况、是否被盗等信息, 以决定是否需要调整当前资费、实施救援或向交管部门报警,  还可以将数据上传到云端,进而对用户的使用行为、交通状况  进行大数据分析,以此作为平衡各个站点车辆数目的依据。对  于用户而言,只需要下载相关 APP 软件,注册会员,在每次使用前可以先查询当前各个站点的车辆电量情况,预约指定车辆, 然后在规定时间内到达现场,通过手机扫描车上的二维码启动  自行车。在车上装有失窃感应装置,当发生人为强行搬运车辆时,将立即发出警告蜂鸣并通知交管部门。当自行  车的充电插头插入充电桩时,充电线路上的霍尔电流感应器将  把电量信息传送至车辆上的通讯盒中,并通过无线网络发送给  后端管理平台。

 

 

    

 
  

 

图 1 公共电动自行车智能管理系统总体框架


二、系统硬件部分

公共电动自行车智能管理系统主要包含两个重要的硬件模块,分别是通讯盒与控制器。

1.通讯盒

智能系统所管理的电动自行车是由通讯盒实现与后端管理平台的信息交互,主要由无线通讯模块、GPS 定位模块组成:

1.1无线通讯模块

无线通讯模块是实现电动自行车车和后端管理平台通讯的关键模块,可以接收由管理服务器发出的识别码,同时也可以 将车辆的位置、电量、是否遭窃等信息传送给后端的管理服务器。无线通信模块主要包括 4G 模块和WiFi 模块。其中 4G 模块主要是在室外提供信息传输功能,而 WiFi 模块主要用于室内信息传输。为了保证信息能够完整地传输到后台管理服务器, 该通讯模块采用“重要性选择传输”算法,在通信链路不佳的 情况下,优先传输重要的信息,把不重要的信息暂存在存储模 块中,等到链路状态好的时候再发送。

1.2 GPS 定位模块

由于电动自行车常常是穿梭在楼宇之间,建筑物的遮挡容易导致 GPS 定位不准确,加上电动自行车在行进时,GPS 的定位点容易乱跳,造成信息读取的误差较大,如果进入室内,则GPS 更是无法定位。因此本系统采用支持惯性导航功能(ADR) 的GPS 模块。当 GPS卫星信号无法接收时,该模块使用来自陀螺和速度脉冲传感器的角度和速度信息来推算位置,从而大幅提高 GPS 卫星定位性能,有效降低在城市高楼林立环境下的多径效应的影响。通过对传感器数据与 GPS 位置进行处理,即便在对 GPS 不利(如城区高楼林立的环境)或 GPS 信号缺失(如隧道和地下停车场)的情况下也能达到覆盖、高精度和持续定位。

2.控制器

控制器的主要功能是收集并判断车辆的各种状态信息或直接根据后端管理平台发来的指令,控制车辆的各模块工作,主要包括对以下功能的控制:

2.1车辆的启动

以租赁的流程来说,使用者通过用户 APP 完成预约后,在规定时间内到达电动自行车旁,通过手机扫描车上二维码,将 用户信息和车辆信息上传至后端管理平台,管理平台核对用户 信息后发送信息给车辆,车辆的无线通讯模块收到信息后,即通知控制器开启电动车。如果未预约者扫描已预约车辆,则后台不会发送信息。

2.2超速警示信息

控制器通过 GPS 定位模块监测车辆的速度,当车速接近交管部门规定的值时,就控制警报器向使用者发出警示信息, 当车速超过该值时,则直接通过无线通讯模块向后端管理  平台发送车辆超速警示信息。

2.3车辆遭窃警示信息

控制器还需要根据感测驱动电路传送过来的钥匙信息以及惯性感测器传送的惯性感测信号,判断是否有不法人士试图通强行整台搬运电动车,若发生上述情况,则产生警示信号,并经由无线通讯模块将该警示信号发送至后端管理服务器,使得监控人员能即刻采取相应的措施,以 便快速找回失窃的电动车。

三、系统软件部分

根据系统的整体功能,软件部分主要分为通讯盒软件和云端管理平台两大部分。

1.通讯盒软件

通讯盒基于嵌入式 Linux 操作系统,采用开源的 Node.js 平台,配合通讯盒控制器、无线通讯模块以及定位模块,进行软件开发,主要实现以下功能:

1)对周边设备的控制,包括:钥匙启动、防盗机制启动、警报器启动等。

(2)对车辆信息的实时获取和判断,包括:位置信息、车速信息、电池电压、电池残量以及钥匙状态等信息的获取,并判断某些数值是否达到需要传送给后端服务器的门限值,若达到, 则触发信息的传送。

对车辆信息的实时传送,将获取到的车辆信息实时传送 到后端服务器。信息的传送主要依靠两类机制触发:一为定时  触发机制,即每隔一段固定的时间,触发一次车辆信息的传送; 二为事件触发机制,即在收集车辆信息过程中有触发任何事件, 也会进行信息的传送。信息的传送首先考虑通过 WiFi 热点,如果在户外没有 WiFi 热点情况下,则采用 4G 模块进行传送。通讯盒与服务器的信息交互采用 SOCKET 传输模式,透过三项交握的封包交换机制建立连线通道,并使用滑窗及序列号确认及 重传等机制实现可靠传输。

2.云端管理平台

云端管理平台主要分为两个部分:一部分是核心逻辑部分, 本身不提供使用者操作界面,仅处理各种连线及 API 呼叫,所有的营运的电动自行车都与该核心逻辑服务器连接及沟通;另  一部分是管理端界面服务器和手机服务器及网页服务器。

整个云端管理平台采用若干台服务器及一台存储服务器组成VMware vCloud 虚拟云架构,虚拟化地使用软件来模拟硬件的存在,并建立一个虚拟电脑系统,这样可在一个虚拟系统上 执行更多事件,并能在单一服务器上执行多个操作系统和应用 程序,带来规模经济和对硬件资源更有效的利用。此外,随着实体主机的减少,系统闲置所造成能源的消耗问题也随之减 少,可实现绿色机房的目标。

四、安科瑞充电桩运营管理平台

安科瑞电动自行车充电桩通过GPRS模块与云端进行通信和数据交互。系统能够对电动自行车充电桩的日常状态、充电过程进行监控;实现充电支付对接:支持投币、刷卡、支付等多种支付方式,保证支付交易过程的完整性,对充电过程中的异常情况进行有效预警;实现对下游站级平台的清算、对账功能。平台可对接消防物联网平台、小程序等,提供相关异常数据,实现电动车充电管理的网络化、可视化。

 

 

① 全预警

对平台连接的所有充电桩状态进行监视,充电桩发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号,及时消除火灾隐患。

 

 

② 交易结算管理

平台为运营方提供充电价格策略管理,预收费管理,账单管理,营收和财务相关报表等,支持投币、刷卡和扫码充电。

 

 

③ 充电服务

可通过软件搜索附近充电桩,并查看充电桩状态,并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电。

 

 

④ 运营分析

对订单进行数据化分析,通过柱状图、报表方式直观展示数据,并支持和第三方平台对接。

 

 

⑤ 小程序

可通过小程序扫码充电,充电账单支付。运营商和物业管理人员均可通过小程序管理,监测充电桩状态和充电交易情况。

 

充电桩型号

 ACX10A-YH

外形尺寸

320*135*400mm

机器净重

8KG

输入电压

AC220V/50HZ

输出电压

AC220V/50HZ

承载电流

50A

每路输出电流

5 A

待机功率

2W

 

  • 可同时10辆电瓶车
  • 尺寸空间大,投币箱容量大,内部空间充裕,具备充足的电气稳定性。
  • 实体按键设计,手感实在,使用寿命长。
  • 显示投币数、IC刷卡次数、IC卡余额,卡内余额语音播报。
  • 每次扣费和充电时间可调,可多次投币刷卡,充电时间自动累计。
  • 可根据客户需求开通免费充电功能、月卡功能和刷卡退费。
  • 可使用支付宝支付、APP 支付。
  • 自动识别出现故障的线路,并伴有字母和语音提示。
  • 具有断电记忆功能,当出现断电,来电后可以继续使用剩余的时间充电。
  • 具有拔掉断电功能,当用户拔掉充电器,及时自动断电。
  • 具有充满自停功能,自动检测电瓶车充电状态,如充满则停止供电,计费时间清零。
  • 具有过载保护功能,能识别大功率电器,自动暂停供电,防止用户私接插线板给多台电瓶车充电。
  • 具有短路保护功能,当出现短路,保险丝熔断确保稳定
  • 具有按功率给时间功能,根据检测到的功率,按照设定时间开启充电。
  • 可选配联网烟感,当出现火情,可发送短信给指定责任人。
  • 过温保护功能,当检测机箱温度过高,停止充电。
  • 夜间断电功能,可设定夜间整机断电黑屏,禁止夜间充电。
  • 远程抄表,485电表数据采集上报。

五、总结

与一般的自行车租赁系统相比,本文设计的公共电动自行车智能管理系统能够为民众提供更加便捷的使用体验,为 交管部门提供更加有效的监管功能,同时该管理系统能够根据 车辆使用状况动态调整资费、平衡站点负荷,进一步提高车辆 的利用率,缓解城市现有大气污染和交通拥堵问题。

 

参考文献 

[1]张素文, 孙朋, 刘吉昌, 等.“基于物联网的公共自行车租赁系统设计与实现”[J] 武汉理工大学学报(信息与管理工程版), 2015, 37(6): 675-679.

[2]肖旻,江福椿,公共电动自行车智能管理系统的设计

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

 

 

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