基于衛(wèi)星定位的電子圍欄系統(tǒng)

朱鵬程 范安康 李旭 盧鑫 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院

引言

針對(duì)初代共享單車這一系列的問題，可以設(shè)計(jì)電子圍欄來限制共享單車的停放。該系統(tǒng)將基于Android Studio 開發(fā)一個(gè)功能相對(duì)完善的共享單車APP，以此達(dá)到掃碼取車、實(shí)時(shí)監(jiān)控和電子圍欄等功能，其次通過改善通信方式，使得車鎖通信更加穩(wěn)定，最后使用北斗/GPS 雙模衛(wèi)星定位來有效實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)定位與監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)可靠的電子圍欄系統(tǒng)。

1 北斗/GPS 雙模衛(wèi)星定位

傳統(tǒng)的共享單車定位是采用單個(gè)衛(wèi)星定位，常用衛(wèi)星大致分為北斗和GPS 兩種，北斗是采用三頻段定位的衛(wèi)星系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的二頻段定位的GPS 衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星的定位精度更高，但是GPS 衛(wèi)星的地面監(jiān)控站比北斗多，所以總體的精度還是GPS 高一些。

該系統(tǒng)采用的雙模衛(wèi)星定位模式，既可以單獨(dú)使用北斗定位，也可以進(jìn)行北斗、GPS 雙模衛(wèi)星定位。當(dāng)其中一個(gè)定位系統(tǒng)失效時(shí)，可以切換至另一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并且雙模衛(wèi)星定位的精度高于單點(diǎn)衛(wèi)星定位的精度，正常民用GPS定位精度為10米左右，有時(shí)甚至還會(huì)出現(xiàn)幾百米的定位漂移，不符合共享單車精準(zhǔn)定位的要求，而北斗/GPS 雙模定位精度達(dá)到2.5CEP，大大提高了單車定位的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無源電子圍欄的重要技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是基于衛(wèi)星定位的電子圍欄系統(tǒng)，在整個(gè)運(yùn)行過程中，單車鎖、APP 服務(wù)平臺(tái)與服務(wù)器三者相互聯(lián)系，硬件車鎖獲得的信息上傳至服務(wù)器，服務(wù)器作為車鎖與APP 通信的媒介，將信息傳輸至APP，APP 下達(dá)的指令也通過服務(wù)器發(fā)送給硬件車鎖。APP 通過API 接口調(diào)用百度地圖，作為共享單車APP 的電子地圖。圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

用戶使用APP 掃描指定二維碼對(duì)車輛進(jìn)行解鎖時(shí)，APP 發(fā)送用戶ID 至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，匹配成功后，服務(wù)器通過GPRS 模塊對(duì)單片機(jī)發(fā)送開鎖指令，SIM 卡為GPRS 模塊通信提供網(wǎng)絡(luò)，單片機(jī)通過IO 口驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)打開車鎖。在使用進(jìn)程中，北斗/GPS 模塊通過GPRS 模塊實(shí)時(shí)給服務(wù)器發(fā)送位置坐標(biāo)，APP 調(diào)用百度地圖實(shí)時(shí)顯示用戶位置。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單車鎖使用STM32 SIM800A 單片機(jī)作為硬件核心，搭載GPRS模塊、北斗/GPS 雙模定位模塊和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以此來實(shí)現(xiàn)車鎖的指令傳輸、實(shí)時(shí)定位和開關(guān)功能。

本系統(tǒng)采用的單片機(jī)模塊是STM32 SIM800A 單片機(jī)，無需再外接GPRS 模塊，一定程度的縮小了車鎖的體積。在整個(gè)系統(tǒng)中，GPRS模塊配合SIM 卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。定位模塊是ATK1218-BD 模塊，比普通單模定位模塊擁有更高的定位精度，定位精度可以達(dá)到2.5CEP。電機(jī)鎖采用N20 減速電機(jī)對(duì)其驅(qū)動(dòng)。N20 電機(jī)的力矩大，能夠使電機(jī)鎖的開關(guān)更加穩(wěn)定。

2.2 APP 服務(wù)平臺(tái)

服務(wù)平臺(tái)基于Android Studio 開發(fā)共享單車APP。應(yīng)用百度地圖作為APP 的電子地圖，用戶可以在手機(jī)上查看自己的實(shí)時(shí)位置與電子圍欄停車區(qū)域位置。該系統(tǒng)基于百度地圖Android SDK 開發(fā)電子圍欄功能，通過使用百度地圖中API 中的GeoUtils 庫(kù)，繪制所需的電子圍欄，并且采用了百度地圖中騎行導(dǎo)航的API，幫助用戶規(guī)劃騎行路線。用戶可以在APP上進(jìn)行注冊(cè)與登錄，登錄成功后，用戶可以通過APP對(duì)車輛進(jìn)行掃碼騎行，當(dāng)車輛損壞時(shí)，用戶可以在APP上進(jìn)行客服報(bào)修。

使用共享單車APP對(duì)共享單車鎖上對(duì)應(yīng)的二維碼進(jìn)行掃碼開鎖，車鎖上的北斗/GPS 雙模定位模塊對(duì)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，APP 根據(jù)用戶使用時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。圖2 為共享單車還車流程圖。

圖2 還車流程圖

用戶還車時(shí)，APP 獲取位置信息，判斷車輛是否在電子圍欄內(nèi)部，如果車輛已經(jīng)在指定電子圍欄區(qū)域，APP 顯示還車成功并計(jì)費(fèi)，如果車輛不在電子圍欄內(nèi)部，將提示還車失敗，并實(shí)時(shí)引導(dǎo)車輛歸還至最近的電子圍欄區(qū)域，直至還車成功。

3 服務(wù)器的通信

該系統(tǒng)使用TCP 傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使得通信過程更加安全可靠；使用GPRS 通信發(fā)送指令給硬件處理器；使用Socket 通信，完成SIM 模塊與IP 地址之間的數(shù)據(jù)傳輸。

3.1 TCP/IP 傳輸協(xié)議

本系統(tǒng)采用TCP 傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。相比UDP，TCP 可以提供更可靠的服務(wù)，UDP 不能保證可靠交付。通過TCP 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以做到數(shù)據(jù)不丟失，傳輸信道不出現(xiàn)差錯(cuò)，保證通信過程中傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 GPRS 通信

共享單車鎖通過GPRS 通信實(shí)現(xiàn)車鎖與服務(wù)器端指令的接收與發(fā)送，利用GPRS 無線傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了車鎖的無線通信。GPRS 具有實(shí)時(shí)在線、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。最重要的是實(shí)現(xiàn)了“永遠(yuǎn)在線”，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，也可以一直保持著網(wǎng)絡(luò)連接，保障了車鎖與服務(wù)器的通信具有高效性。

3.3 Socket 服務(wù)

利用socket 服務(wù)監(jiān)聽所需的服務(wù)器端口，獲得客戶端的IP與端口。用戶通過APP 掃描二維碼，掃碼成功后，APP 將二維碼對(duì)應(yīng)的序列號(hào)發(fā)送到系統(tǒng)的服務(wù)器端獲得序列號(hào)，查找服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄，如果數(shù)據(jù)庫(kù)中存在這個(gè)序列號(hào)記錄，就向socket 通道中寫入開鎖信號(hào)。如果不一致，斷開socket 連接，等到下一個(gè)用戶再做匹配。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)采用自主開發(fā)的共享單車APP 和車鎖硬件，配合北斗/GPS 雙模衛(wèi)星定位實(shí)現(xiàn)整個(gè)共享單車正常運(yùn)行，通過測(cè)試，該系統(tǒng)符合共享單車的市場(chǎng)要求，符合當(dāng)代人低碳環(huán)保的理念，解決了傳統(tǒng)有樁共享單車占用大量土地地資源的問題，也有效地治理了車倆亂停亂放的現(xiàn)象，為傳統(tǒng)共享單車出現(xiàn)的問題提供了一種有效的解決方案。