基于智能終端的共享單車電子圍欄系統

劉虎 陳偉

摘要 本文首先對智能終端的功能和共享單車電子圍欄的需求進行了闡述，在此基礎上，對共享單車電子圍欄存在的問題進行了分析，通過不同技術的比較，得出了智能終端在共享單車電子圍欄中的優勢，提出了智能終端與地標結合，并采用軟U盾和安全密鑰技術的共享單車電子圍欄解決方案，通過測試和分析，得出了該方案是可行的。

【關鍵詞】智能終端 地標 電子圍欄 共享單車 軟U盾 安全密鑰

1 引言

隨著經濟不斷發展，人們出行，特別是上下班高峰時候，對便捷的近距離交通的訴求也越來越高，為了解決人們在近距離的交通擁堵問題，最近一年多推出了基于移動智能終端的共享單車（自行車）的方案，這種共享單車的方案雖然解決了上班族從地鐵或者公交站到目的地之間的交通問題，但也帶來了一個比較難解決的問題：共享單車亂停放的情況非常普遍，特別是在上下班高峰時間的地鐵站附近，有些單車隨意放在人行道上，有些單車直接停放在慢行道上，甚至有些單車會出現在大橋慢行道的上下坡道上，給道路交通帶來很大的安全隱患，城市管理也面臨比較大的挑戰。共享單車是與智能終端的掃碼和移動通信技術結合完成租借服務和扣費，而移動智能終端基本都具備的藍牙功能，如果能夠參與到租借單車的服務中，結合地標藍牙，則會構成一個精準度比較高的電子圍欄，從而為解決亂停亂放共享單車提供技術支持，有效提高了共享單車的監管。

2 現狀

截止2017年5月，市場上約有1000多萬的單車數量，投放量也是放量增長。共享單車應當在規范中發展、在發展中規范。為了便于管理，有些地方設置了電子圍欄，但這些電子圍欄基本上是“形同虛設”，所有試驗均以失敗告終一一單車與那白線之間，似乎毫無關聯。目前市面上推出的電子圍欄技術的共享單車大體分為兩類，一種以藍牙搭配GPS，例如摩拜：另一種則使用了北斗導航衛星定位技術，例如ofo。“這兩種方式各有利弊”，由于技術限制，衛星在定位車輛時暫時無法做到百分百準確，此外定位還會受實際環境影響，需要適當借助地面增強系統才能更準確地定位。而該技術的優勢是兼容性強，目前市面上絕大多數共享單車，均可直接接入系統。藍牙+GPS的體系，理論上定位會相對準確，可達到亞米級，即控制在1米內，但需要配備地面發射器，“有時鋪設發射器需要施工排線加裝道釘，還要定期更換電池”，這些都要花費建設成本和維護費用。一般情況下，按照電子圍欄的長短，道釘至少要安裝四個，一年的費用需上萬元。還有一些是采用豎立桿子的方式，不僅需要取電，而且影響市容。另外，也有嘗試使用RFID的，但RFID存在供電和豎立桿子的問題。

由于現有的電子圍欄存在上述種種問題，本文基于智能終端的功能和電子圍欄的需求，提出了一種新型的基于移動智能終端的，與軟U盾和安全密鑰結合的電子圍欄技術，不僅圍欄精度高，準確可靠，安全便捷，用戶當場就可以確定是否停在規定的位置，地標采用定向天線和功率控制，有效降低成本。

3 技術概述

本文提出的基于移動智能終端的，與軟U盾和安全密鑰結合的電子圍欄技術，結構框圖如圖1。

其中，車載無線標識可與鎖具集成在一起，低功耗定向標識采用定向天線，且根據實際需要調整發射功率和發射周期;車載無線標識和低功耗定向標識發送藍牙數字簽名，在借車人的智能終端完成數字簽名驗簽，且通過借車人的智能終端的app轉發給后臺系統進行二次確認和記錄。流程如下：

（1）車載藍牙標識模塊編號與車輛編號信息綁定，并在后臺建立數據庫，確保車載藍牙模塊編號信息與車輛編號信息一一對應;

（2）在指定的停車點位埋設藍牙地標模塊，藍牙地標模塊可以設置在地面或者地表下，例如設置在人行道地磚內，采用電池供電。每個停車點位的藍牙檢測模塊的編號不同，這個編號與點位編號一一對應;

（3）用戶在實名注冊的時候，完成軟U盾和安全密鑰的下載，該軟U盾是用于保管安全密鑰的，而安全密鑰則是用于簽名驗簽的，采用CPK （Combined Public Key）非對稱密鑰，該密鑰的優點是在使用過程中僅需要標識交換，不需要進行密鑰交換，而且具有海量（10⁴⁸個）的有效公私鑰對;

（4）在借車的時候，手機端通過輸入單車的編號或者掃描單車的二維碼，將上述單車信息發給后臺，通過后臺獲取對應車輛的車載藍牙編號;用車人停車落鎖后，在手機端APP上點還車，手機端通過手機藍牙先獲取剛落鎖的車輛的綁定的藍牙編號， （通過這種方式，確保單車和人在一起），然后讀取地面用于檢測的藍牙編號，這樣確保借車人，所借用的共享單車，停放在指定的停車點位的時候才能夠成功還車;

（5）為防止信息被復制或者篡改，上述兩個編號信息是通過CPK公私鑰對進行數字簽名的，手機獲取上述兩個編號信息后，通過手機軟U盾中的CPK安全密鑰對進行數字簽名驗簽：

（6）通過手機端的數字簽名驗簽后，將兩個標識編號由手機發給后臺，后臺系統根據停車點位的標號以及車載藍牙的標號判斷單車是否在指定位置還車;

（7）還車的時候，如果在規定的時間，手機沒有獲取上述兩個編號標識信息，無論是哪一個信息沒有獲取，都無法給后臺發送兩個有效的編號標識，或者獲取的編號標識信息與后臺設置和記錄的編號標識信息不匹配，則停車監管平臺通過單車運營平臺給用戶提示信息，比如“請在指定區域停放，否則計費仍然繼續”;

（8）如果在指定點位還車，則停車監管平臺通過單車運營平臺給用戶提示“還車成功，停止計費”。

（9）在手機端無網絡的情況下，可以支持在手機端使用內嵌的軟U盾和CPK安全密鑰與地標，車載藍牙標識進行數字簽名驗簽，完成離線判斷。

4 應用

實際使用中，將地標埋設在地磚中，地磚內置工程塑料盒以及可拆卸密封蓋子，便于更換電池。地磚實物圖如圖2。

假設地磚中的地標功率覆蓋分為是3米，則單個地磚的覆蓋范圍如圖3。

可根據市政停車位規劃和停車需求，靈活調整，多地標鏈接方式如圖4。

用公式可估算出覆蓋范圍是：

L=（n-l）xi

（1）

其中L是停車位總長度，n是地標個數，i是兩個地標之間的距離，可通過調整功率調整覆蓋范圍），如覆蓋范圍小于i，則只需一個地標。

地標采用18650，3.7v，2600mah，按照每間隔6秒發送一次標識信息，則需要支持的工作總時間是：24*3600*365/6= 5256000秒，假設發送一次占用500us，電流是10MA，需要電池量為5256000/（（ 2600/10*3600）/0.5）_ 2.8節，考慮到其他功率消耗，用4節電池夠用一年。

圖5是實際應用中成功還車和沒有成功還車的截圖。

地標電子圍欄施工方式如下：

（1）外觀設計是行道磚;

（2）行道磚采用水泥外殼，堅固可靠;

（3）行道磚內預先設置地標信息發生器;

（4）施工時，只需對行道磚進行替換。5結束語

本文提出的基于智能終端的電子圍欄系統的特點和優勢如下：

（1）安裝簡單方便，與停車周邊環境融合，不影響市容;

（2）低功耗，電池供電，可持續使用2～3年：

（3）覆蓋范圍可根據需要靈活調節，更適合多點位部署;

（4）可埋設在行道磚中，易于施工;

（5）定位比GPS精準，誤差小;

（6）接口簡單，可與各個廠商對接兼容：

（7）準確獲取停車點位共享單車數量信息;

（8）停車點位，不需要北斗或者GPS;

（9）在暫時無移動信號的情況下，依然可定位到電子圍欄。

結合軟U盾和安全密鑰技術，通過實際測試和分析，這種基于智能終端的共享單車電子圍欄系統方案是可行的，不僅圍欄精度高，準確可靠，安全便捷，用戶當場就可以確定是否停在規定的位置，而且地標采用定向天線和功率控制，有效降低成本。同時在技術防范的基礎上，結合人員防范，則會達到更好的管理效果。

參考文獻

[1]《2017年中國共享單車行業發展概況分析》，2017.http：//www.chyxx.com/industry/201711/584805.html.

[2]《靠電子圍欄圈共享單車？記者親測：多為擺設效果堪憂>，2017. http：//www.sohu. com/a/192936213_114760.

[3]《一種驗證方法》，林錦吾，劉虎，專利申請號：201610971327.2，2 016.

[4]《CPK密碼體制與網際安全》南湘浩，2008年，國防工業出版社出版.ISBN9787118059397.