大數(shù)據(jù)時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

薛天驕，婁井國（ 南京郵電大學(xué) 江蘇 南京 0046，江蘇新日電動(dòng)車股份有限公司 江蘇 無錫 40 ）

大數(shù)據(jù)時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

薛天驕1，婁井國2
（ 1南京郵電大學(xué) 江蘇 南京 210046，2江蘇新日電動(dòng)車股份有限公司 江蘇 無錫 214101 ）

本文闡述了大數(shù)據(jù)時(shí)代電動(dòng)車車聯(lián)網(wǎng)的概念。將傳統(tǒng)電動(dòng)自行車運(yùn)行過程中采集到的各種物理信號(hào)，通過GPS的實(shí)時(shí)定位功能以及移動(dòng)通信的實(shí)時(shí)傳輸手段，傳到云端存儲(chǔ)。并借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和手機(jī)的應(yīng)用程序，對(duì)電動(dòng)自行車的位置、狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控、分析和控制，從而改善電動(dòng)自行車的用戶體驗(yàn)并提高生產(chǎn)商的信息化水平，為設(shè)計(jì)出更好的電動(dòng)自行車提供了技術(shù)支持。

電動(dòng)自行車；移動(dòng)通信；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；云存儲(chǔ)

0　概述

截止2014年底，我國已擁有2億輛電動(dòng)自行車，并且每年新增3500輛，傳統(tǒng)的電動(dòng)自行車上，一般都能夠采集電動(dòng)自行車運(yùn)行過程中的速度、電池電壓（容量）等運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)只能顯示給使用者現(xiàn)場(chǎng)觀察，本車沒有存儲(chǔ)功能，整車廠都相關(guān)鏈條無法利用這些數(shù)據(jù)。隨著移動(dòng)通訊及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，把這些數(shù)據(jù)即時(shí)發(fā)送到云端變得簡單。大數(shù)據(jù)時(shí)代，服務(wù)器能夠提供海量的存儲(chǔ)功能，可以把大量整車運(yùn)行數(shù)據(jù)及時(shí)從電動(dòng)自行車傳送到物聯(lián)網(wǎng)上，并存儲(chǔ)起來；使用GPS或北斗系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)自行車進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，在智能手機(jī)上安裝相關(guān)的APP，使用無線通訊技術(shù)與電動(dòng)自行車的操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對(duì)電動(dòng)自行車的使用、維護(hù)、安全提供服務(wù)。這些長期積累的數(shù)據(jù)，又可以為生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)化改良和服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。

1　發(fā)展歷史

最初，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用于汽車行業(yè)，2011年的“兩客一?！笔紫仍囼?yàn)，利用我國自主研發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)——北斗系統(tǒng)，來監(jiān)測(cè)旅游大巴和長途客運(yùn)大巴，以及危險(xiǎn)化學(xué)品車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而確保這些車輛的安全運(yùn)行。近年來隨著電動(dòng)自行車和智能手機(jī)的普及，越來越多的電動(dòng)自行車廠商將這種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到了電動(dòng)自行車上，最初的目的是防盜和定位導(dǎo)航。首次使用車聯(lián)網(wǎng)的概念是山東車衛(wèi)士和移動(dòng)公司的合作。目前，國內(nèi)新日、雅迪、愛瑪、綠源等一線電動(dòng)車企業(yè)，均投入大量的技術(shù)力量進(jìn)行研究，并推出了一批物聯(lián)網(wǎng)智能電動(dòng)自行車包括各自的智能手機(jī)APP應(yīng)用程序。

2　原理及組成

2.1智能電動(dòng)自行車構(gòu)成

傳統(tǒng)電動(dòng)自行車由車架、電機(jī)、電池、塑件、控制器、充電器等部件組成，智能電動(dòng)自行車在外觀上沒有多少變化，主要是由傳統(tǒng)的儀表板換成了智能儀表板；電動(dòng)車變化較大的是車子的“心臟大腦”部分控制器，內(nèi)部增加了集通訊、管理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、定義于一體的通訊器（內(nèi)部增加了集藍(lán)牙通訊、電源管理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、GPS定位模塊于一體的通訊器）。

2.2控制器物理組成

傳統(tǒng)控制器具有的單片機(jī)MCU部分、驅(qū)動(dòng)及功率控制部分、欠壓過流管理（保護(hù)）部分、儀表顯示部分，電源管理部分、防盜管理（監(jiān)測(cè)）部分，再加上智能電動(dòng)自行車標(biāo)志的智能儀表管理顯示、通訊器。

控制器采集的數(shù)據(jù)一般包括轉(zhuǎn)把信號(hào)、剎車信號(hào)、電池電壓信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、運(yùn)行電流信號(hào)、燈光信號(hào)、故障碼。

2.3通訊器內(nèi)部模塊

通訊器的設(shè)計(jì)一般包含以下及個(gè)模塊：

CPU模塊：通訊器的控制中心，中央處理器。電源模塊：用于提供通訊器內(nèi)部器件的各種工作電壓。

定位模塊：用于接收GPS/北斗定位實(shí)時(shí)信號(hào)，計(jì)算出實(shí)時(shí)真實(shí)位置。

藍(lán)牙模塊：用于接收和發(fā)射小功率通訊數(shù)字信號(hào)，提供短距離數(shù)字通訊功能。

移動(dòng)通訊模塊：帶有SIM卡插槽，通過通訊基站鏈接到物聯(lián)網(wǎng)，可以雙向傳輸。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：暫存電動(dòng)自行車的運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

串口通訊模塊：用于與控制器的通訊，采集車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、發(fā)送操作控制信號(hào)及數(shù)據(jù)。

2.4數(shù)據(jù)傳輸原理及方式

目前的數(shù)據(jù)傳輸有三種方式：

第一種為遠(yuǎn)程傳輸：主要是把電動(dòng)自行車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過三大電信運(yùn)營商（移動(dòng)公司、聯(lián)通、電信）的收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)，采用數(shù)據(jù)流的方式，上傳到物聯(lián)網(wǎng)上，為此必須在通訊器內(nèi)部裝一個(gè)SIM卡，保持通訊的唯一性。通訊協(xié)議的內(nèi)容，三大電信運(yùn)營商各不相同，也不能互換，目前3G、4G都有，3G還有GSM、CDMA等幾種制式。

第二種為短距傳輸：主要是把電動(dòng)自行車的運(yùn)行數(shù)據(jù)與客戶的智能手機(jī)鏈接在一起，這個(gè)通訊現(xiàn)在基本使用手機(jī)的藍(lán)牙功能，與車子上的通訊器配對(duì)，并通過設(shè)置密碼，建立唯一性，使操作更方便，如可以使用手機(jī)控制電動(dòng)自行車解鎖、啟動(dòng)、設(shè)防、尋車、設(shè)置最高車速等。部分電動(dòng)自行車使用WIFI進(jìn)行通訊的，但這些通訊的距離一般不超過100米，不產(chǎn)生費(fèi)用。

第三種為衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸，或者叫GPS/北斗定位：主要功能是通訊器的GPS/北斗模塊，不間斷的接受來自天空的GPS/北斗定位信號(hào)，計(jì)算出車子的準(zhǔn)確位置，民用GPS/北斗定位一般可以精確到2米，而且是開放式的，也不產(chǎn)生費(fèi)用。

2.5車速采集的兩種方法

由于引入了移動(dòng)通信及物聯(lián)網(wǎng)，廠商提供電動(dòng)自行車車速數(shù)據(jù)采用二種方法。

第一種方法：使用裝在車子上的傳感器，采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、根據(jù)輪徑等數(shù)據(jù)，換算出車子的實(shí)際運(yùn)行速度，采用這種方法，車子只有真正靠自己的電能或騎行，才能采集到車子的速度。

第二種方法，GPS方法：在車子控制器內(nèi)部的通訊模塊內(nèi)有一個(gè)GPS或者北斗定位系統(tǒng)，原理是收集環(huán)地球同步靜止的最少4顆衛(wèi)星發(fā)來的時(shí)間信號(hào)，計(jì)算出該控制器在地球表面的坐標(biāo)位置A，間隔很短的時(shí)間T，再定位計(jì)算出坐標(biāo)位置B，與網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)字地圖比較，計(jì)算出A-B點(diǎn)的距離，再除以時(shí)間，計(jì)算出車子的速度。類似于我們手機(jī)安裝的“咕咚運(yùn)動(dòng)”等應(yīng)用軟件的工作原理，換句話說，只要控制器在地球上移動(dòng)，就能采集到車子的速度。

目前的智能電動(dòng)自行車采用第二種方法的居多。

3　運(yùn)用及操作

3.1客戶操作

對(duì)于使用者來說，具備了電動(dòng)自行車、智能手機(jī)、在物聯(lián)網(wǎng)及GPS的環(huán)境下，就可以靈活的建立一個(gè)運(yùn)營平臺(tái)，使用電動(dòng)自行車的液晶儀表板或智能手機(jī)界面進(jìn)行操作，使用手機(jī)操作時(shí)，需要下載安裝廠商開發(fā)的該車型的APP應(yīng)用程序，并使用手機(jī)藍(lán)牙功能進(jìn)行電動(dòng)自行車和手機(jī)的配對(duì)鏈接，設(shè)置配對(duì)密碼。目前已開發(fā)實(shí)現(xiàn)以下功能。

TFT顯示界面下載日期時(shí)間續(xù)航里程運(yùn)行速度線路導(dǎo)航定位功能GPS/北斗定位CELL-ID RFID定位自助導(dǎo)航定位設(shè)防報(bào)警功能遠(yuǎn)程報(bào)警停車看護(hù)主動(dòng)尋車預(yù)警配置倒地報(bào)警提示功能超速提示電量提示故障警示維護(hù)提示欠壓過流

3.2廠商運(yùn)用

由于大數(shù)據(jù)的運(yùn)用，單臺(tái)電動(dòng)自行車的運(yùn)行情況，技術(shù)數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)、甚至運(yùn)行區(qū)域、軌跡等數(shù)據(jù)，每時(shí)每刻都會(huì)傳輸?shù)皆贫?，這些數(shù)據(jù)的量，基本都是數(shù)字信號(hào)，而非圖像信號(hào)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一年的數(shù)據(jù)量不超過2G，在現(xiàn)代大數(shù)據(jù)面前微不足道，廠商可以通過建立一個(gè)管控平臺(tái)，一方面為用戶提供更周密的服務(wù)，例如，可以根據(jù)客戶使用情況，了解總行駛里程，提醒客戶注意輪胎的磨損情況及時(shí)更換輪胎。另一方面，了解產(chǎn)品在使用中的不足，統(tǒng)計(jì)和找出質(zhì)量薄弱點(diǎn)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。目前已開發(fā)實(shí)現(xiàn)以下功能。

遠(yuǎn)程管控銷售數(shù)據(jù)鎖定電機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)營大盤備品備件切斷電路市場(chǎng)需求客戶視圖營銷輔助關(guān)鍵部件產(chǎn)能優(yōu)化KPI監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)規(guī)劃電池壽命設(shè)計(jì)改進(jìn)管理分析服務(wù)數(shù)據(jù)生命周期新品開發(fā)

4　發(fā)展方向及趨勢(shì)

電動(dòng)自行車發(fā)展的方向，第一是從使用一個(gè)控制器完成功率控制、欠壓過流控制、運(yùn)行信號(hào)采集、數(shù)據(jù)上網(wǎng)傳送等，逐步過渡到把“心臟（控制器）”和“大腦（通訊器）”分開，控制器只完成強(qiáng)電部分，電源逆變、欠壓過流控制等，通訊器完成運(yùn)行弱電信號(hào)采集、數(shù)據(jù)上網(wǎng)傳送等。第二，把數(shù)字信號(hào)從目前的線束中分離出來，使用單獨(dú)的數(shù)據(jù)總線。這樣帶來的優(yōu)勢(shì)是，由于強(qiáng)電和弱電分離、驅(qū)動(dòng)與控制分離，大大減少了強(qiáng)電對(duì)信號(hào)的干擾，提高了數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸控制的可靠及速度。通訊技術(shù)以4G、5G為基礎(chǔ)，各大電信公司采用一樣的通訊制式及傳輸協(xié)議，增加了各大廠商、各大通信公司產(chǎn)品的通用性、兼容性和互換性，節(jié)約了社會(huì)資源，方便了電動(dòng)自行車生產(chǎn)者、使用者，還可以做到數(shù)據(jù)共享，為整個(gè)行業(yè)、社會(huì)的和諧發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

（編輯：傅金睿）

The Telecommunication Applied on Electric Bicycle in Times of Big Data

Xue Tianjiao1， Lou Jinguo2
（ 1 Nanjing University of Posts and Telecommunication， Nanjing 210046，China 2 Jiangsu SunRA Electric Vehicle co.LTD， Wuxi 214101 ， China）

This paper describes the concept of electrical bicycle IoT（In ternet of Things） in the times of big data. It is a new technology that transfer physical signals collected from running bicycles， using GPS real time locate system and telecommunication technology， to the cloud. Moreover， it can monitor， analyze and control the electrical using IoT technology and Mobile phone App. This technology can both improve the users' experience and producers'after-sale service. It also provides technical support for developing better electrical bicycles.

Electric bicycle； Telecommunication；IoT（Internet of Things）； Big Data， Cloud storage

薛天驕，女，江蘇無錫，本科；研究方向：通信工程專業(yè)。婁井國，男，天津，本科；研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)。