共享單車服務器及客戶端設計與實現

王風雷+秦會斌+崔佳冬

摘 要：為了改善共享單車機械鎖密碼不安全、電子鎖成本高的不足，設計并實現了基于藍牙控制的共享單車系統。單車車鎖采用藍牙與Android客戶端通信，客戶端App請求云服務器獲得對車鎖的開關控制，將用戶信息、單車信息上傳至云服務器，云服務器將信息持久化到數據庫中。針對手機的高并發訪問量，云服務器搭載Nginx，實現負載均衡和反向代理。測試結果表明，該共享單車系統成本低、安全性高，通過該系統，用戶可以請求云服務器實現對單車車鎖的控制。

關鍵詞：共享單車；云服務器；Android；藍牙

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

共享單車是中國互聯網創新的應用實踐，解決了“最后一公里”的問題，緩解了交通擁堵，真正實現了綠色出行，利國利民[1]。目前，共享單車機械車鎖的密碼由用戶通過App獲取，密碼不可改變，安全性低；電子車鎖需要連接云服務器，安全性高，但是硬件設計復雜、成本較高、耗電量高。針對以上問題，本文提出了基于藍牙控制的共享單車系統設計方案。通過Android手機匹配單車藍牙車鎖，請求云服務器獲取“鑰匙”，實現對車鎖的開關控制。同時，云服務器將用戶和單車的信息持久化到數據庫中。

1 系統總體設計

系統由Android客戶端、網頁后臺管理中心、云服務器和藍牙單車車鎖組成。系統框架如圖1所示。

云服務器是整個系統的調控計算平臺[2]，為管理人員與手機App提供服務，響應用戶與管理人員的操作。手機App發送HTTP請求到云服務器，解析云服務器返回的JSON數據，下發藍牙控制信息，經車鎖藍牙MCU處理后，最終達到控制車鎖開閉的功能。藍牙車鎖也可通過串口向藍牙模塊輸出藍牙信息，手機App響應藍牙信息，最終實現手機App與硬件控制部分的雙向通信。

用戶在注冊登錄成功后，進入用車界面；打開手機藍牙，匹配車鎖藍牙，App后臺將用戶信息和車鎖信息上傳到云端服務器；用戶點擊開始用車，云服務器接收到請求后，記錄用戶信息和車鎖信息，并返回“鑰匙”給App，通過藍牙與車鎖通信打開車鎖。當車鎖關閉后，藍牙將已鎖狀態發送給App，App界面結束用車，若中途斷開藍牙，則結束用車后用車界面無法進行操作。手機端用車的業務流程如圖2所示。

2 云服務器的設計與實現

2.1 云服務器架構

云服務器架構圖如圖3所示。

本文采用阿里云作為云計算中心，提供簡單高效、處理能力可彈性伸縮的計算服務。阿里云上搭載Nginx、Tomcat、Redis和MySQL，Nginx 作為反向代理，將 App 端或者瀏覽器端的請求根據權重分配給兩臺Tomcat，Redis作為兩臺Tomcat的共享session數據服務器，緩存已驗證的用戶信息。

Tomcat1的IP地址為106.15.90.190，Tomcat2的IP地址為106.14.9.111，在106.15.90.190的云服務器上搭載Nginx，配置Nginx，具體的配置如下[3]：

worker_processes 2；

events {

worker_connections 1024；}

http {

include mime.types；

default_type application/octet-stream；

sendfile on；

keepalive_timeout 65；

//配置被代理的服務器

upstream live_node {

server 106.15.90.190：8080；

server 106.14.9.111：8080；}

server {

//配置訪問域名及監聽80端口

listen 80；

server_name 106.15.90.190；

//指定被代理目標

location / {

proxy_pass http：//live_node；}

//配置錯誤頁面

error_page 500 502 503 504 /50x.html；

location = /50x.html {

root html；}

}

}

當有請求時，通過Nginx將請求進行轉發[4]，保證一個入口將所有請求轉發到Tomcat1或Tomcat2，同時減輕這兩臺Tomcat的負載壓力。將Tomcat1和Tomcat2的session緩存到Redis中[5]，確保訪問的是同一個session，配置Tomcat conf目錄下的context.xml。

redissessins.RedisSessionHandlerValve” />

host=“106.15.90.190”

port=“6379”

database=“0”

maxInactiveInterval=“1800”/>

<！--redis過期時間默認是60 s，設置session過期時間為1 800 s-->

Redis是鍵值對類型的內存數據庫。同時，用Redis作為MySQL的緩存數據庫，能夠減小MySQL的壓力。服務器先查找Redis服務器中是否有登錄用戶的信息，有則取出使用，無則查詢數據庫，查看是否可以驗證，將驗證后的用戶緩存到Redis服務器中，從而減少對數據庫的訪問。實現的部分代碼如下：

//先查詢緩存

try {

String json = jedisClient.hget（INDEX_USER， uid + “”）；

//查詢到結果，把json轉換成對象返回

if （StringUtils.isNotBlank（json）） {

User findUser = JsonUtils.

jsonToPojo（json， User.class）；

return findUser；}

} catch （Exception e） {

e.printStackTrace（）；}

//緩存中沒有，需要查詢數據庫

User findUser = userService.login（telphone，password）；

//把結果添加到緩存

try {

jedisClient.hset（INDEX_“USER”， uid + “”，JsonUtils.objectToJson（findUser））；}

catch （Exception e） {

e.printStackTrace（）；}

return findUser；

2.2 云服務器框架

云服務器系統開發框架采用Struts+Spring+Hibernate，該框架從職責上分為Web層、業務層、DAO層和持久層。其中，使用Struts作為系統的整體基礎架構，負責MVC的分離，在Struts框架的模型部分控制業務跳轉。利用Hibernate框架對持久層提供支持。Spring做管理，管理Struts和Hibernate。

系統的基本業務流程為：在Web層中，通過JSP頁面實現交互界面，負責接收請求和傳送響應，然后Struts根據配置文件（struts-config.xml）將ActionServlet接收到的Request委派給相應的Action處理；在業務層中，管理服務組件的Spring IoC容器負責向Action提供業務模型（Model）組件和該組件的協作對象數據處理（DAO）組件完成業務邏輯，并提供事務處理、緩沖池等容器組件以提升系統性能和保證數據的完整性；而在持久層中則依賴于Hibernate的對象化映射和數據庫交互，處理DAO組件請求的數據，并返回處理結果[6]。

該開發模型不僅實現了視圖、控制器與模型的徹底分離，而且可以實現業務邏輯層與持久層的分離。不同層之間耦合度小，大大提高了開發效率。

2.3 云服務器功能的實現

云服務器系統主要分為網頁后臺服務和用戶App服務，管理人員通過瀏覽器訪問，查看用戶及藍牙車鎖的信息。App服務為Android客戶端提供接口，根據App提供的信息對用戶和藍牙車鎖信息進行記錄，并持久化到MySQL中。系統服務圖如圖4所示。

App與云服務器的通信主要通過發送HTTP請求，使用輕量級的JSON數據交換格式實現。云服務器為App提供5個接口：用戶注冊、用戶登錄、打開車鎖、獲取用戶當前是否打開車鎖、關閉車鎖。

網頁的后臺服務中，為防止非登錄認證的管理員直接訪問某些頁面、功能菜單項或action名，使用Struts自定義攔截器，繼承Method Filter Interceptor類，并在Struts的配置文件中放行登錄方法，登錄后將所驗證的登錄名和密碼放到Redis服務器中。若攔截器查詢到Redis服務器中有驗證過的登錄名，則放行；否則，跳轉到登錄頁面。根據Ajax的請求查詢數據庫，將前臺頁面不需要的數據排除在外，再將數據以JSON格式返回，前臺Ajax的回調函數解析數據并進行地圖上的顯示。

3 客戶端的設計與實現

3.1 客戶端功能說明

客戶端各功能模塊如圖5所示。

（1） 登錄模塊：注冊時，本地校驗是否為正確的手機號，并向云服務器驗證是否已經注冊過，經過驗證后，向手機號發送驗證碼，填寫驗證碼進行注冊。一經登錄，下次使用時App會自動登錄。

（2） 用戶使用模塊：在車輛使用方面，采用手機應用和藍牙模塊建立雙向通信達到控制車鎖的目的。需要用車時，使用手機藍牙適配器[7]連接藍牙模塊建立Socket通信通道。只要藍牙不關閉或者不超過最大通信距離，該通道將會保持，直到手動關閉。通信建立后，手機端通過Socket攜帶控制命令到藍牙模塊，也可以控制單片機通過串口發送數據到藍牙模塊與手機通信。對于車輛行程監控，需要用戶開啟后才能進入工作，該功能集成的是百度地圖API，調用百度地圖的定位功能，通過實時監聽手機位置定位車輛。在用戶結束用車后會將車輛最后的坐標位置通過手機App上傳到云服務器。在車輛使用過程中，若用戶開啟了路徑監控模式，則可以描繪出運行軌跡，同時計算車輛的行駛速度、路程和騎行時間；若用戶未開啟該模式，則不會進入路徑監聽模式，百度地圖只進行定位。

（3）藍牙車鎖控制模塊：手機藍牙與車鎖藍牙通信后，向云服務器發送HTTP請求，通過解析返回的JSON數據，拿到“鑰匙”，從而對車鎖進行開關控制。同時，藍牙車鎖端監測到車鎖關閉后，向手機發送當前狀態，App監聽到狀態改變，向云服務器請求結束計費，App可以結束用車。

3.2 客戶端框架endprint

在Android Studio開發環境下，采用MVC開發架構。視圖層接收輸入和顯示結果，生成App界面；控制層用來處理用戶交互的部分，接收到用戶的輸入后向模型發送數據；模型層調用程序的數據邏輯部分，定義了HTTP通信模塊、藍牙通信模塊、數據解析模塊等[8，9]。

手機App與車鎖藍牙建立Socket通信，開啟一個子線程不斷輪詢，通過套接字Socket獲取字節輸入流，解析并獲取數據流，將數據使用廣播發送給主線程處理。接收藍牙信息的代碼如下：

class ServiceReceiveThread extends Thread{

@Override

public void run（）{

byte[] buf=new byte[10]；

while （btSocket ！= null）{

BufferedInputStream bis=new BufferedInputStream（ btSocket.getInputStream（））；

int read = bis.read（buf）；//接收藍牙發送的數據

int r=（int）buf[0]；

if（r==21）{

//發送數據到主線程

handler.sendEmptyMessage（1）；

sendBroadcast（newIntent

（“SERVICE_DISCONNECT”））；}

sleep（2000）；}}

客戶端與云服務器通信采用http連接，使用Apache異步網絡請求框架AsyncHttpClient，首先在父類Activity中新建該類的實例，子類Activity使用該類向云服務器發送post請求，云服務器返回JSON數據至App[10]。

protected void SendMsgToServer（）{

RequestParams params=new RequestParams（）；

params.put（“telephone”， MyApplication.tel）；

params.put（“bluetoothId”，MyUtils.getStrValue（getContext（）， “device_addr”））；

client.post（GloubleConst.MAIN+GloubleConst.START_CHARGE， params，new AsyncHttpResponseHandler（）{

@Override

public void onSuccess（final String content）{

if（content.equals（“1”））{

//車輛可以使用

handler.sendEmptyMessage（CAN_USE_BIKE）；}

else if（content.equals（“0”））{

//已經在使用

handler.sendEmptyMessage（CANNOT_USE_BIKE）} }）；}

@Override

public void onFailure（Throwable error， String content）{...}//網絡連接失敗處理

}）；}

onSuccess（）和onFailure（）方法接收請求成功或失敗的消息，onSuccess（）方法的參數content為云服務器返回的JSON數據。

4 藍牙車鎖

藍牙車鎖控制器使用MSP430單片機，內置2.4 G無線發射天線的HC-06藍牙模塊。該藍牙模塊支持兩種模式：一種是上電后只能接受命令的從機模式；另一種是主從機一體模式。該系統在主從機一體模式下，通過串口調試工具，利用AT指令修改默認屬性。當手機端應用成功連接藍牙后，即可建立通信。同時，手機端通過套接字向模塊寫入數據。另外，控制單元也可通過串口發送數據到手機應用端，實現雙向通信。

5 客戶端和后臺中心界面展示

Android客戶端以精簡、靈活為前提，主要為用戶注冊登錄、匹配車鎖、開始/結束用車、行程記錄和個人信息界面，Android客戶端部分界面如圖6所示。

后臺管理中心主要包括登錄界面、用戶信息、車鎖信息和車鎖地圖顯示界面。其中，用戶信息界面和車鎖信息界面可以進行搜索。車鎖地圖顯示界面如圖7所示。

6 結 語

本文介紹了基于藍牙控制的共享單車系統設計和技術，該系統結合云平臺、Android平臺和藍牙技術，基于Android手機獲取經緯度，并持久化到云服務器中，便于對單車進行維護，為共享單車市場提供一種安全、易實施的設計參考。

參考文獻

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[3]徐鸝，王耀，王偉聰，等.Moodle系統的集群方案與案例分析[J].計算機應用與軟件，2012，29（1）：224-229.

[4]杜星.輕量級Web服務器Nginx的理論與技術研究[D]. 南京：南京郵電大學，2016.

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[10]陳瑋，秦會斌，曹曙光，等.基于Android平臺的智能家居系統設計[J].電子技術應用，2014， 41（10）：158-160.endprint