基于物聯網技術的公共自行車租賃管理系統

楊志和

摘 要：隨著公共自行車或為城市公共交通的重要組成部分，融合射頻識別技術、無線通信、計算機網絡等物聯網技術，設計一種感應式公共自行車租賃系統，每個自行車租賃點都能提供24小時自助服務，降低了系統的建設和運營成本，提高了租借的效率，而且增強了自行車的安全管理。該系統主要分為車倆感知模塊和業務管理系統模塊兩大部分，系統操作簡單，方便了用戶的使用。

關鍵詞：物聯網技術；RFID；公共自行車；租賃管理系統；SSH框架

中圖分類號：P315.69 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

隨著“十二五”規劃的出臺，綠色環保、低碳生活概念的深入人心，公共自行車租賃不但符合“低碳減排，綠色生活”的理念，而且方便了市民的出行，同時也降低了交通成本。但目前市場上運營的公共自行車系統都是一車一樁式，租車運營點的占地面積大，建設成本高，甚至經常出現無樁可還的窘境，如果發生在上下班高峰時，會令人心急如焚，也有一些租車者希望租車點能提供24小時自助服務[1]。為了使公共自行車的租賃管理更加方便和高效， 同時參考了各國自行車租賃系統的現狀，針對我國目前存在的問題，我們設計并開發了全新的感應式公共自行車租賃系統。基于計算機、無線傳感器網絡和射頻識別技術等物聯網技術，實現了自行車租賃管理的自動化，極大的簡化了租賃的流程，提高了辦事效率和管理水平。

1 系統需求與總體架構設計

近年來，隨著技術的發展和應用的推動，RFID技術已發展到與產品電子代碼（EPC碼[2]）技術相結合，在互聯網之上構建“物聯網”的新階段，采用了電子標簽（RFID） 技術可以自動化感應式的物體識別[3]。射頻識別技術被廣泛應用于物流、工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理、防偽等領域。

基于RFID技術的自行車租賃管理系統由有源RFID電子標簽、RFID讀寫器（接收器、電子監控基站）、網絡設備、計算機和系統軟件等組成[4]。主要利用RFID技術進行自行車身份認證和管理，圖1給出了的系統整體邏輯結構示意圖。

圖1 公共自行車租賃系統工作原理圖

本文設計的感應式公共自行車租賃系統主要包括三個通道：租車通道、還車通道和行人通道3條，圖2給出了的系統整體平面結構示意圖。租車時，租車人通過行人通道進入到車輛停放區，憑租車卡將場地內的公共自行車解鎖，并推行至租車通道，通道旁邊的RFID讀寫器就可以讀取車輛的RFID信息并與租車者的身份綁定，通道口的顯示屏及語音提示租車成功，閘機門自動開啟后，用戶推車離開，租車成功。還車時，租車人進入還車通道，感應式閘機門自動開啟，完成與租車相同的刷卡操作后，車輛停放在場內指定位置，并從行人通道離開即可。和現有的一樁配一車自行車租賃點不同的是，新式服務點只需配備一個鎖定感應器和解鎖感應器，就能供所有車使用[5]。

圖2 公共自行車租賃系統平面示意圖

從系統的建設過程來看，我們給每一個需要管理的公共自行車租賃點安裝一臺低頻感應器，每臺感應器引出2路低頻感應式天線，分別是1號感應天線和2號感應天線，各自布置在還車通道的閘機外面和租車通道的閘機里面，而在門禁旁邊安裝一臺2.45 GHz遠距離讀寫器，作為信號接收器。當租車人推行著帶有RFID低頻感應標簽的自行車，通過門禁時，必定會被1號感應天線或2號感應天線激活，這樣系統就可以判斷并決定是否打開閘機。也就是說，用戶通過行人通道的閘機時，需要驗證用戶的租車卡信息，驗證通過后就可以進入租車服務區，就可以推行自己滿意的自行車進入到租車通道，通過感應自行車上的RFID標簽，將租車人信息與自行車信息進行綁定，并向管理中心上傳的感應器的地址碼（即租車點的地址編號）。這樣用戶就可以順利通過閘機完成租車。同樣地，用戶推行自行車進入到還車通道，通過讀取租車卡的信息，感應并讀取自行車上的RFID標簽信息，并向管理中心上傳的感應器的地址碼（即還車點的地址編號）。這樣用戶就可以順利通過閘機完成還車，將自行車擺放在租賃點的適當的位置即可，通過行人通道即可離開租賃點[6]。總之，無論自行車從哪里借出和還入，只要自行車進入租車點相應的感應區，都會有感應器鎖定他們，來確定自行車所在的具體位置，并且及時的將信息上傳至管理中心，管理中心按照既定的工作流程對自行車租賃信息進行智能化自動化的管理[7]。

從邏輯層次結構上分析可以看出，基于物聯網技術的公共自行車租賃管理系統主要包括車輛感知層、閘機控制層、用戶服務層、系統管理層等四層，圖3給出了本系統的邏輯層次結構圖。其中，車輛感知層主要用于自動識別自行車，主要包括自行車的位置、狀態等信息；閘機控制層主要完成感知層信息的接受和發送、人和自行車的通行控制等功能；用戶服務層主要用于處理用戶注冊、登錄和預約使用公共自行車等各種信息的處理以及與用戶論壇、留言板等相關的應用；系統管理層主要用于對系統數據庫進行建立與管理、數據分類與處理、處理與公共自行車租賃系統管理人員和系統維護人員相關的所有操作。

圖3 公共自行車租賃系統邏輯層次結構圖

2 車倆感知模塊

RFID（ Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境[8]。最基本的射頻識別系統由三部分組成： RFID標簽由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象，電子標簽可以分為有源電子標簽（Active tag）和無源電子標簽（Passive tag），有源電子標簽內裝有電池，無源射頻標簽沒有內裝電池；RFID閱讀器是讀寫標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；天線的作用是在RFID標簽和RFID讀寫器之間傳遞射頻信號[8]。當有源RFID標簽進入RFID讀寫器感應磁場時， 可利用自有電力在標簽周圍形成有效活動區，主動偵測周遭有無RFID讀寫器發射的呼叫信號，并將自身的信息傳送給讀寫器并解碼，然后被送至電腦主機進行有關處理[9]。

由于射頻識別技術可以實現高速自動地數據采集，可以實現多目標、運動目標的非接觸式自動識別[10]，在本系統中主要用于公共自行車車輛信息的識別，每輛公共自行車車身上都固定了一塊用于記錄車輛的信息的RFID標簽，在租賃網點，不需要給每輛自行車配置一個停車樁位，也無需用鏈條鎖鎖住那些沒有樁位的車倆，只需要通過RFID技術控制好租車點的閘機系統即可。本系統采用上海朝為電子科技有限公司出產的ZWT-TGR6T01智能停車場專用遠距離有源電子標簽和ZWT-RFR2L0W觸發型門禁讀寫器，圖4給出了本系統所用RFID標簽及其讀寫器外形圖。ZWT-TGR6T01標簽質地堅硬，具有較強的抗壓能力，可通過配套的閱讀器可以完成對自行車車輛的定位和自動識別。ZWT-RFR2L0W讀寫器讀寫功能與觸發功能一體化設計，利用讀寫器自帶的讀寫軟件對RFID卡進行激活與讀寫。主要完成對配套觸發型電子標簽的識別工作，可實現0.5～5米（可調）的識別距離，從而完成對自動門的近距離控制，通過自行車配套的觸發型電子標簽，可以完成對車輛的定位和自動識別。微波通訊距離≥30 m，頻率為2.4 - 2.48 GHz + 125 KHz，讀寫區域為定向180°和全向360°。

圖4 本系統所用RFID標簽及其讀寫器

本系統的一個重要的組成部分是安裝在自行車上的面向接觸式IC卡的電子車頭鎖[11]，圖5給出了本系統中所用電子車頭鎖的示意圖。這種車頭鎖即能快速方便解鎖，又能確保自行車不被偷竊。用戶在公共自行車租賃點提車時只需先按一下車頭鎖上的解鎖按鈕，然后用自身的觸式IC租車卡刷一下智能電子車頭鎖的感應區，自行車的車頭就解鎖了便可自由推行和騎行了；當需要鎖定時，只需按一下車頭鎖上的上鎖按鈕，再次用自身的觸式IC租車卡刷一下電子車頭鎖的感應區，自行車的車頭就上鎖了，也就無法推行和騎行了。

3 業務管理系統模塊

基于對公共自行車租賃系統進行詳細地需求分析， 把模塊化設計的思想和技術運用到自行車租賃系統的設計中，本文將業務管理系統分為用戶管理模塊、租賃管理模塊和數據管理模塊， 用戶管理模塊主要包括用戶注冊、登錄等操作，租賃管理模塊具有網上預約、網點查詢等功能，數據管理模塊具有用戶信息管理、車輛信息管理、租車點信息管理等功能 [12]。

圖5 本系統所用智能電子車頭鎖

3. 1 用戶管理模塊

該模塊主要包括注冊、登錄、個人中心、論壇、留言板等子模塊，想要租賃公共自行車的用戶需要在系統中完成在線注冊，注冊信息審核通過后可以領取對應的租車卡，也就是說只有先進行注冊才能申領和使用租車卡來租賃公共自行車。用戶在線登錄后，可以在系統中查詢自己租賃自行車的一些信息，比如自己的租賃歷史信息、借車情況、還車情況、信用狀況等，還可以在論壇上交流自己使用過后的心得體會或發表自己的意見與建議，也可以在留言板留言[13]。

圖6 系統用戶界面

3.2 租賃管理模塊

主要包括系統公告、展示中心、自行車租賃、意見與建議等子模塊，展示中心是對自行車租賃公司的服務信息的全方位展示，可以查詢到各個租賃點的地址、電話等相關信息。意見與建議展示的是用戶在留言界面上發表的意見和建議，從這里可以了解其他用戶對當前服務的看法，以及對改進工作與服務的建議，收集用戶在使用自行車過程中產生的一些意見和建議[14]。

3.3 信息管理模塊

在信息管理模塊中，主要有以下信息管理功能：借車信息管理、還車信息管理、管理員信息管理、車輛信息管理、公告信息管理、黑名單管理、留言信息管理、訂車信息管理、用戶信息管理、查詢統計（借車還車記錄查詢）、系統維護（操作日志管理）等功能 [15]。

通過對用戶信息（姓名、身份證號、地址、電話、郵箱）和車輛信息（車輛編號、車型、區域）的綁定與管理可以實現對用戶借車、還車等信息的記錄，記錄中還包括借車和還車時間、地點等信息。通過信息管理，可以很好地對用戶和車輛進行管理，對惡意破壞車輛、故意違反相關規定的用戶進行拉黑處理。通過查詢統計，可以實現借車還車記錄的查詢，有助于管理員宏觀了解車輛流動方向，及時調度和平衡租車點的存量，保證自行車租賃正常有序地進行。

4 結 語

目前，物聯網技術已經成功應用在眾多領域，本文的研究也證實了物聯網技術在自行車租賃管理方面也能發揮重要作用。本文設計的自行車租賃系統的出發點符合中國的實際情況，設計方向應偏向于能夠批量生產且成本較低的應用方案，利用自行車上安裝的RFID標簽以及無線傳感器網絡，使用用戶租車卡作為身份識別，用智能車頭鎖實現自由停放，采用Java和JSP實現了租賃業務管理系統，本系統界面友好、便于操作，簡化了租車手續和過程，并且租車產生的費用也可從租車人的租車卡中扣除，不用直接現金支付，既衛生又方便用戶，只要用戶定期與公共自行車運營部門進行結算即可，減少了賬目上的差錯。同時簡化了租賃過程， 提高了運營效率，減輕了還車難的問題。整個租賃管理系統很好地解決了自行車的自動化借出和還入的管理，該系統還可以實現智能監控管理，大幅度提升了管理效率，降低運營管理人員的工作強度。

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