基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公共自行車租賃管理系統(tǒng)

楊志和

摘 要：隨著公共自行車或?yàn)槌鞘泄步煌ǖ闹匾M成部分，融合射頻識(shí)別技術(shù)、無(wú)線通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種感應(yīng)式公共自行車租賃系統(tǒng)，每個(gè)自行車租賃點(diǎn)都能提供24小時(shí)自助服務(wù)，降低了系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，提高了租借的效率，而且增強(qiáng)了自行車的安全管理。該系統(tǒng)主要分為車倆感知模塊和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)模塊兩大部分，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，方便了用戶的使用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；RFID；公共自行車；租賃管理系統(tǒng)；SSH框架

中圖分類號(hào)：P315.69 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

隨著“十二五”規(guī)劃的出臺(tái)，綠色環(huán)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(shí)也降低了交通成本。但目前市場(chǎng)上運(yùn)營(yíng)的公共自行車系統(tǒng)都是一車一樁式，租車運(yùn)營(yíng)點(diǎn)的占地面積大，建設(shè)成本高，甚至經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)樁可還的窘境，如果發(fā)生在上下班高峰時(shí)，會(huì)令人心急如焚，也有一些租車者希望租車點(diǎn)能提供24小時(shí)自助服務(wù)[1]。為了使公共自行車的租賃管理更加方便和高效， 同時(shí)參考了各國(guó)自行車租賃系統(tǒng)的現(xiàn)狀，針對(duì)我國(guó)目前存在的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了全新的感應(yīng)式公共自行車租賃系統(tǒng)?；谟?jì)算機(jī)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識(shí)別技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自行車租賃管理的自動(dòng)化，極大的簡(jiǎn)化了租賃的流程，提高了辦事效率和管理水平。

1 系統(tǒng)需求與總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的推動(dòng)，RFID技術(shù)已發(fā)展到與產(chǎn)品電子代碼（EPC碼[2]）技術(shù)相結(jié)合，在互聯(lián)網(wǎng)之上構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”的新階段，采用了電子標(biāo)簽（RFID） 技術(shù)可以自動(dòng)化感應(yīng)式的物體識(shí)別[3]。射頻識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物流、工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理、防偽等領(lǐng)域。

基于RFID技術(shù)的自行車租賃管理系統(tǒng)由有源RFID電子標(biāo)簽、RFID讀寫器（接收器、電子監(jiān)控基站）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)軟件等組成[4]。主要利用RFID技術(shù)進(jìn)行自行車身份認(rèn)證和管理，圖1給出了的系統(tǒng)整體邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 公共自行車租賃系統(tǒng)工作原理圖

本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)式公共自行車租賃系統(tǒng)主要包括三個(gè)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(tǒng)整體平面結(jié)構(gòu)示意圖。租車時(shí)，租車人通過(guò)行人通道進(jìn)入到車輛停放區(qū)，憑租車卡將場(chǎng)地內(nèi)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(yǔ)音提示租車成功，閘機(jī)門自動(dòng)開(kāi)啟后，用戶推車離開(kāi)，租車成功。還車時(shí)，租車人進(jìn)入還車通道，感應(yīng)式閘機(jī)門自動(dòng)開(kāi)啟，完成與租車相同的刷卡操作后，車輛停放在場(chǎng)內(nèi)指定位置，并從行人通道離開(kāi)即可。和現(xiàn)有的一樁配一車自行車租賃點(diǎn)不同的是，新式服務(wù)點(diǎn)只需配備一個(gè)鎖定感應(yīng)器和解鎖感應(yīng)器，就能供所有車使用[5]。

圖2 公共自行車租賃系統(tǒng)平面示意圖

從系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程來(lái)看，我們給每一個(gè)需要管理的公共自行車租賃點(diǎn)安裝一臺(tái)低頻感應(yīng)器，每臺(tái)感應(yīng)器引出2路低頻感應(yīng)式天線，分別是1號(hào)感應(yīng)天線和2號(hào)感應(yīng)天線，各自布置在還車通道的閘機(jī)外面和租車通道的閘機(jī)里面，而在門禁旁邊安裝一臺(tái)2.45 GHz遠(yuǎn)距離讀寫器，作為信號(hào)接收器。當(dāng)租車人推行著帶有RFID低頻感應(yīng)標(biāo)簽的自行車，通過(guò)門禁時(shí)，必定會(huì)被1號(hào)感應(yīng)天線或2號(hào)感應(yīng)天線激活，這樣系統(tǒng)就可以判斷并決定是否打開(kāi)閘機(jī)。也就是說(shuō)，用戶通過(guò)行人通道的閘機(jī)時(shí)，需要驗(yàn)證用戶的租車卡信息，驗(yàn)證通過(guò)后就可以進(jìn)入租車服務(wù)區(qū)，就可以推行自己滿意的自行車進(jìn)入到租車通道，通過(guò)感應(yīng)自行車上的RFID標(biāo)簽，將租車人信息與自行車信息進(jìn)行綁定，并向管理中心上傳的感應(yīng)器的地址碼（即租車點(diǎn)的地址編號(hào)）。這樣用戶就可以順利通過(guò)閘機(jī)完成租車。同樣地，用戶推行自行車進(jìn)入到還車通道，通過(guò)讀取租車卡的信息，感應(yīng)并讀取自行車上的RFID標(biāo)簽信息，并向管理中心上傳的感應(yīng)器的地址碼（即還車點(diǎn)的地址編號(hào)）。這樣用戶就可以順利通過(guò)閘機(jī)完成還車，將自行車擺放在租賃點(diǎn)的適當(dāng)?shù)奈恢眉纯?，通過(guò)行人通道即可離開(kāi)租賃點(diǎn)[6]。總之，無(wú)論自行車從哪里借出和還入，只要自行車進(jìn)入租車點(diǎn)相應(yīng)的感應(yīng)區(qū)，都會(huì)有感應(yīng)器鎖定他們，來(lái)確定自行車所在的具體位置，并且及時(shí)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(duì)自行車租賃信息進(jìn)行智能化自動(dòng)化的管理[7]。

從邏輯層次結(jié)構(gòu)上分析可以看出，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公共自行車租賃管理系統(tǒng)主要包括車輛感知層、閘機(jī)控制層、用戶服務(wù)層、系統(tǒng)管理層等四層，圖3給出了本系統(tǒng)的邏輯層次結(jié)構(gòu)圖。其中，車輛感知層主要用于自動(dòng)識(shí)別自行車，主要包括自行車的位置、狀態(tài)等信息；閘機(jī)控制層主要完成感知層信息的接受和發(fā)送、人和自行車的通行控制等功能；用戶服務(wù)層主要用于處理用戶注冊(cè)、登錄和預(yù)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(guān)的應(yīng)用；系統(tǒng)管理層主要用于對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行建立與管理、數(shù)據(jù)分類與處理、處理與公共自行車租賃系統(tǒng)管理人員和系統(tǒng)維護(hù)人員相關(guān)的所有操作。

圖3 公共自行車租賃系統(tǒng)邏輯層次結(jié)構(gòu)圖

2 車倆感知模塊

RFID（ Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境[8]。最基本的射頻識(shí)別系統(tǒng)由三部分組成： RFID標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象，電子標(biāo)簽可以分為有源電子標(biāo)簽（Active tag）和無(wú)源電子標(biāo)簽（Passive tag），有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，無(wú)源射頻標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)裝電池；RFID閱讀器是讀寫標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式；天線的作用是在RFID標(biāo)簽和RFID讀寫器之間傳遞射頻信號(hào)[8]。當(dāng)有源RFID標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫器感應(yīng)磁場(chǎng)時(shí)， 可利用自有電力在標(biāo)簽周圍形成有效活動(dòng)區(qū)，主動(dòng)偵測(cè)周遭有無(wú)RFID讀寫器發(fā)射的呼叫信號(hào)，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(jī)進(jìn)行有關(guān)處理[9]。

由于射頻識(shí)別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)地?cái)?shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別[10]，在本系統(tǒng)中主要用于公共自行車車輛信息的識(shí)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(biāo)簽，在租賃網(wǎng)點(diǎn)，不需要給每輛自行車配置一個(gè)停車樁位，也無(wú)需用鏈條鎖鎖住那些沒(méi)有樁位的車倆，只需要通過(guò)RFID技術(shù)控制好租車點(diǎn)的閘機(jī)系統(tǒng)即可。本系統(tǒng)采用上海朝為電子科技有限公司出產(chǎn)的ZWT-TGR6T01智能停車場(chǎng)專用遠(yuǎn)距離有源電子標(biāo)簽和ZWT-RFR2L0W觸發(fā)型門禁讀寫器，圖4給出了本系統(tǒng)所用RFID標(biāo)簽及其讀寫器外形圖。ZWT-TGR6T01標(biāo)簽質(zhì)地堅(jiān)硬，具有較強(qiáng)的抗壓能力，可通過(guò)配套的閱讀器可以完成對(duì)自行車車輛的定位和自動(dòng)識(shí)別。ZWT-RFR2L0W讀寫器讀寫功能與觸發(fā)功能一體化設(shè)計(jì)，利用讀寫器自帶的讀寫軟件對(duì)RFID卡進(jìn)行激活與讀寫。主要完成對(duì)配套觸發(fā)型電子標(biāo)簽的識(shí)別工作，可實(shí)現(xiàn)0.5～5米（可調(diào)）的識(shí)別距離，從而完成對(duì)自動(dòng)門的近距離控制，通過(guò)自行車配套的觸發(fā)型電子標(biāo)簽，可以完成對(duì)車輛的定位和自動(dòng)識(shí)別。微波通訊距離≥30 m，頻率為2.4 - 2.48 GHz + 125 KHz，讀寫區(qū)域?yàn)槎ㄏ?80°和全向360°。

圖4 本系統(tǒng)所用RFID標(biāo)簽及其讀寫器

本系統(tǒng)的一個(gè)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(tǒng)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(diǎn)提車時(shí)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(yīng)區(qū)，自行車的車頭就解鎖了便可自由推行和騎行了；當(dāng)需要鎖定時(shí)，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(yīng)區(qū)，自行車的車頭就上鎖了，也就無(wú)法推行和騎行了。

3 業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)模塊

基于對(duì)公共自行車租賃系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地需求分析， 把模塊化設(shè)計(jì)的思想和技術(shù)運(yùn)用到自行車租賃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，本文將業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)分為用戶管理模塊、租賃管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊， 用戶管理模塊主要包括用戶注冊(cè)、登錄等操作，租賃管理模塊具有網(wǎng)上預(yù)約、網(wǎng)點(diǎn)查詢等功能，數(shù)據(jù)管理模塊具有用戶信息管理、車輛信息管理、租車點(diǎn)信息管理等功能 [12]。

圖5 本系統(tǒng)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(cè)、登錄、個(gè)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(tǒng)中完成在線注冊(cè)，注冊(cè)信息審核通過(guò)后可以領(lǐng)取對(duì)應(yīng)的租車卡，也就是說(shuō)只有先進(jìn)行注冊(cè)才能申領(lǐng)和使用租車卡來(lái)租賃公共自行車。用戶在線登錄后，可以在系統(tǒng)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(guò)后的心得體會(huì)或發(fā)表自己的意見(jiàn)與建議，也可以在留言板留言[13]。

圖6 系統(tǒng)用戶界面

3.2 租賃管理模塊

主要包括系統(tǒng)公告、展示中心、自行車租賃、意見(jiàn)與建議等子模塊，展示中心是對(duì)自行車租賃公司的服務(wù)信息的全方位展示，可以查詢到各個(gè)租賃點(diǎn)的地址、電話等相關(guān)信息。意見(jiàn)與建議展示的是用戶在留言界面上發(fā)表的意見(jiàn)和建議，從這里可以了解其他用戶對(duì)當(dāng)前服務(wù)的看法，以及對(duì)改進(jìn)工作與服務(wù)的建議，收集用戶在使用自行車過(guò)程中產(chǎn)生的一些意見(jiàn)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(tǒng)計(jì)（借車還車記錄查詢）、系統(tǒng)維護(hù)（操作日志管理）等功能 [15]。

通過(guò)對(duì)用戶信息（姓名、身份證號(hào)、地址、電話、郵箱）和車輛信息（車輛編號(hào)、車型、區(qū)域）的綁定與管理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶借車、還車等信息的記錄，記錄中還包括借車和還車時(shí)間、地點(diǎn)等信息。通過(guò)信息管理，可以很好地對(duì)用戶和車輛進(jìn)行管理，對(duì)惡意破壞車輛、故意違反相關(guān)規(guī)定的用戶進(jìn)行拉黑處理。通過(guò)查詢統(tǒng)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)借車還車記錄的查詢，有助于管理員宏觀了解車輛流動(dòng)方向，及時(shí)調(diào)度和平衡租車點(diǎn)的存量，保證自行車租賃正常有序地進(jìn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，本文的研究也證實(shí)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在自行車租賃管理方面也能發(fā)揮重要作用。本文設(shè)計(jì)的自行車租賃系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)符合中國(guó)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)方向應(yīng)偏向于能夠批量生產(chǎn)且成本較低的應(yīng)用方案，利用自行車上安裝的RFID標(biāo)簽以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用用戶租車卡作為身份識(shí)別，用智能車頭鎖實(shí)現(xiàn)自由停放，采用Java和JSP實(shí)現(xiàn)了租賃業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)界面友好、便于操作，簡(jiǎn)化了租車手續(xù)和過(guò)程，并且租車產(chǎn)生的費(fèi)用也可從租車人的租車卡中扣除，不用直接現(xiàn)金支付，既衛(wèi)生又方便用戶，只要用戶定期與公共自行車運(yùn)營(yíng)部門進(jìn)行結(jié)算即可，減少了賬目上的差錯(cuò)。同時(shí)簡(jiǎn)化了租賃過(guò)程， 提高了運(yùn)營(yíng)效率，減輕了還車難的問(wèn)題。整個(gè)租賃管理系統(tǒng)很好地解決了自行車的自動(dòng)化借出和還入的管理，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控管理，大幅度提升了管理效率，降低運(yùn)營(yíng)管理人員的工作強(qiáng)度。

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