公共自行車租賃系統的下位機研究

楊 帆 ，蘭傳博 ，高俊林 ，劉 圓

（1.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430073；2.湖北省智能機器人重點實驗室，武漢430073）

隨著經濟社會的發展，城市變得越來越擁堵，空氣質量也變得越來越差，造成這些現象的主要原因之一便是汽車的不斷增多[1]。因此社會各界均在大力倡導更多地使用低碳環保的出行方式，自行車便是其中的首要選擇。公共自行車租賃系統在國外已經運行了很長一段時間，并且事實證明該系統的運行對于環境的保護和提高市民的身體素質都有積極的作用。所以國內越來越多的政府開始在自己的城市中運行公共自行車租賃系統，市民在本城市的租借網點之間使用自行車幾乎是免費。由于此項公益事業在國內開始的時間不是很長，公共自行車就遭受不同程度的損壞，甚至有人把自行車借出去后不歸還等一系列問題。因此在很多城市公共自行車租賃系統的運行是失敗的。本設計中的公共自行車租賃下位機系統會將IC卡與其身份信息聯系起來，并且根據真實生活來設計系統，在給市民帶來便捷的同時，保證國家財產的安全[2]。

1 下位機設計

自行車租賃系統主要包括上位機系統和下位機系統2部分，這里只針對下位機進行研究。本設計將以MSP430F149單片機為核心對公共自行車租賃系統的下位機進行設計[3]。如圖1所示是本次設計的下位機系統總體結構圖。

圖1 下位機總體結構圖Fig.1 Overall structure of the lower computer

該系統采用一臺電腦作為上位機來與下位機進行通訊，在周期內依次對下位機進行查詢，檢測其狀態是否正常。下位機在該系統中每一次接收到有借車或者還車的信號，都會與上位機進行通訊，以此來智能化進行自行車的租借。直流電機收到借車信號時給自行車解鎖，收到還車信號給自行車上鎖。光電傳感器檢測自行車鑰匙和鎖頭的完整，然后將采集到的各類信息傳送給控制器，以此檢測自行車的狀態。當借車者刷IC卡后系統會迅速驗證其身份，以此決定本次借車是否能成功[4]。

如圖2所示是借、還自行車的總體流程圖。系統對下位機的周期查詢是一直進行的，首先進行系統初始化，然后查詢ID卡信息和鑰匙狀態，最后查詢直流電機位置。借車開始，系統先檢測此IC卡是否符合借車條件，如果通過檢測，提示借車成功，請取車；如果此IC卡不符合借車條件，語音提示請稍后借車。從圖2中還可以看出還車過程和借車過程的主體循環一樣，不同之處就在于選擇是否是還車。如果選擇還車，插入鎖頭然后查詢各個部分無誤，語音提示還車成功；如果不是還車，則循環下一次系統查詢。

圖2 借、還自行車總體流程Fig.2 Total flow chart of borrow and return the bike

2 各模塊的功能設計及實現

2.1 控制模塊的設計

如圖3所示是下位機控制模塊硬件原理結構示意圖。

圖3 控制模塊硬件結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the control module hardware

上圖中對應的實際操作中傳感器檢測到信號輸入引腳是P5.0～P5.3，音頻輸出引腳是P1.0～P1.4，CAN總線連接引腳是P1.5～P1.7以及P2.0～P2.2，IC卡信息引腳是 P6.3～P6.7，ID卡信息輸入引腳是P4.0～P4.2，LED 顯示引腳控制是 P5.4～P5.6，串口通信引腳為P3.4和P3.5，直流電機驅動引腳為P4.4～P4.7，P3.2腳為看門狗定時器喂狗輸出腳。此外還有一些控制部分接到對應控制引腳上。

MCU要與收發器進行雙向通信，將其他模塊采集的信息傳送給收發器，然后將收發器傳送的信息轉換為控制指令，并根據指令控制模塊正常運行。因此，控制模塊與系統各個部分之間的電氣原理框圖如圖4所示。

圖4 控制模塊電氣原理框圖Fig.4 Block diagram of the electrical control module

2.2 鎖頭模塊設計

在該模塊中，光電傳感器用來檢測鑰匙和鎖頭是否在機箱中，以此來確定自行車的狀態[5]。ID卡用來記錄該輛自行車的信息，每張ID卡和每輛自行車一一對應。只要在系統運行中，主機都會定時循環檢測每個機箱，對ID卡、鑰匙、鎖頭的狀態信息進行檢測，以確保系統的正常運行。在借車環節中，當鑰匙和鎖頭被拔出機箱，傳感器也會立即將此狀態上傳。在還車過程中，當還車者將自行車的鑰匙、鎖頭插入機箱后，光電傳感器立即將其檢測到，然后將信息上傳給上位機，在確認無誤之后，保存該車的信息，提示還車成功[6]。如果沒有檢測到ID卡或者光電傳感器沒有檢測到鑰匙或者鎖頭的信息，本次還車是不能正常進行的。

如圖5所示為系統對鎖頭模塊的周期性查詢，每一個部分在不同時刻狀態都可能不同，因此該查詢是持續進行的。只有其中的檢測元件高效、準確地工作才能確保整個系統正常工作下去。首先查詢有無ID卡，如果有則此ID卡的數據就等于查尋值；如果沒有ID卡，則該自行車的ID卡數據將清零。之后查詢有無鑰匙，查詢結果在有和無的狀態下分別置1和0[7]。

圖5 初始化過程中檢測ID卡和鑰匙的狀態Fig.5 In the process of initialization to detect the state of ID cards and keys

2.3 直流電機模塊設計

直流電機模塊在本設計中，借車流程收到開鎖信號電機左轉給自行車及時解鎖；還車流程收到還車信號電機右轉給自行車及時上鎖。在此模塊中主要用到了光電傳感器和直流電機[8-9]。傳感器是用來檢測電機轉軸的位置，以此來確定自行車是否上鎖，如果上鎖，是否是安全狀態；電機用來驅動轉軸對自行車進行上鎖和解鎖，還車時接收到控制信號電機右轉，轉軸伸長將鎖頭固定，完成對自行車上鎖；借車時則電機左轉，轉軸后縮，鎖頭便能拿出機箱，完成自行車解鎖。

圖6 借車、還車流程Fig.6 Process of borrow and return the bike

2.4 IC卡模塊的設計及實現

IC卡是要通過讀卡來獲取其中的信息，然后上傳給數據庫，通過數據處理，發送命令，再由執行器執行命令中包含的動作，以達到人們想要的結果。

在公共自行車租賃的下位機系統中，采用了應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡芯片RC522。IC卡模塊只用于市民借車環節中，還車時不用刷卡。借車時，市民先將自己的IC卡在機箱上的IC卡讀卡機上刷一下，當讀卡成功后，IC卡會保存到新的IC號里面，然后語音提示刷卡人的卡號[10]。接著系統會判斷刷卡的機位有沒有車輛，如果沒有，提示到其他車位借車，如果此車位有車，將與中控連接，等待1 s后無回應，語音提示系統忙，請稍后借車；如果連接成功回應，且是正確回應則語音提示刷卡成功，請稍后；如果是錯誤回應則語音提示忙，請稍后借車。如圖7所示為IC卡模塊工作主要流程。

圖7 IC卡模塊工作主要流程Fig.7 Main process of the IC card module work

3 測試驗證

本次設計的下位機系統在實驗室模仿真實環境下可能出現的如語音出錯、重復讀卡、一次刷卡可以取多輛車等情況，通過不斷修改程序來調試系統，最后驗證該設計成功避免了上述問題的出現，且在實驗室模擬運行過程中情況穩定、可靠。測試驗證的具體操作為該下位機系統通過在實驗室以1臺電腦作為上位機，10個下位機機箱作為下位機系統進行實驗并調試。調試通過模擬刷卡借車，將鎖頭插入機箱來模擬還車，并依次驗證系統中可能出現的各類情況。調試結果表明，該設計符合公共自行車租賃系統所需要達到的無信號傳送錯誤、無系統指令錯誤、無機箱硬件錯誤等要求，并且能夠長時間穩定運行。自行車租賃系統下位機實物圖如圖8所示。

圖8 自行車租賃系統下位機實物圖Fig.8 Real figure of lower computer of bike rental system

4 結語

本設計是根據某城市自行車租賃系統的設計需求而自行研發的公共自行車租賃下位機系統。在元器件選擇上遵循了簡單、實用的理念，比如其中容易學習的16位MCU、容易控制的直流電機、實用安全的鎖頭等，因此對于該設計的理解和后期大規模生產都相對便捷。設計過程中借鑒了其他設計的很多優點，也改進了其設計中出現問題的環節。在程序設計上采用了時下應用最廣泛并且實用易懂的C語言作為編程語言，程序設計采用的是分塊編寫的設計理念，以減少在后期系統調試時修改程序的工作量。本設計最后將和公共自行車租賃上位機系統結合，為城市公共出行帶來方便。

[1]周小華.無樁式公共自行車租賃系統的研究與實現[D].長沙：湖南大學，2013.

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