基于衛星定位的電子圍欄系統

朱鵬程 范安康 李旭 盧鑫 中國礦業大學徐海學院

引言

針對初代共享單車這一系列的問題，可以設計電子圍欄來限制共享單車的停放。該系統將基于Android Studio 開發一個功能相對完善的共享單車APP，以此達到掃碼取車、實時監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定，最后使用北斗/GPS 雙模衛星定位來有效實現車輛的實時定位與監控，最終實現一個可靠的電子圍欄系統。

1 北斗/GPS 雙模衛星定位

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

該系統采用的雙模衛星定位模式，既可以單獨使用北斗定位，也可以進行北斗、GPS 雙模衛星定位。當其中一個定位系統失效時，可以切換至另一個系統實現精準定位，維持系統的正常運行，并且雙模衛星定位的精度高于單點衛星定位的精度，正常民用GPS定位精度為10米左右，有時甚至還會出現幾百米的定位漂移，不符合共享單車精準定位的要求，而北斗/GPS 雙模定位精度達到2.5CEP，大大提高了單車定位的準確性與穩定性，是本系統實現無源電子圍欄的重要技術支持。

2 系統總體結構

本系統是基于衛星定位的電子圍欄系統，在整個運行過程中，單車鎖、APP 服務平臺與服務器三者相互聯系，硬件車鎖獲得的信息上傳至服務器，服務器作為車鎖與APP 通信的媒介，將信息傳輸至APP，APP 下達的指令也通過服務器發送給硬件車鎖。APP 通過API 接口調用百度地圖，作為共享單車APP 的電子地圖。圖1為該系統結構框圖。

圖1 系統結構框圖

用戶使用APP 掃描指定二維碼對車輛進行解鎖時，APP 發送用戶ID 至服務器數據庫進行匹配，匹配成功后，服務器通過GPRS 模塊對單片機發送開鎖指令，SIM 卡為GPRS 模塊通信提供網絡，單片機通過IO 口驅動電機轉動打開車鎖。在使用進程中，北斗/GPS 模塊通過GPRS 模塊實時給服務器發送位置坐標，APP 調用百度地圖實時顯示用戶位置。

2.1 系統硬件設計

單車鎖使用STM32 SIM800A 單片機作為硬件核心，搭載GPRS模塊、北斗/GPS 雙模定位模塊和驅動電機，以此來實現車鎖的指令傳輸、實時定位和開關功能。

本系統采用的單片機模塊是STM32 SIM800A 單片機，無需再外接GPRS 模塊，一定程度的縮小了車鎖的體積。在整個系統中，GPRS模塊配合SIM 卡進行數據傳輸。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，定位精度可以達到2.5CEP。電機鎖采用N20 減速電機對其驅動。N20 電機的力矩大，能夠使電機鎖的開關更加穩定。

2.2 APP 服務平臺

服務平臺基于Android Studio 開發共享單車APP。應用百度地圖作為APP 的電子地圖，用戶可以在手機上查看自己的實時位置與電子圍欄停車區域位置。該系統基于百度地圖Android SDK 開發電子圍欄功能，通過使用百度地圖中API 中的GeoUtils 庫，繪制所需的電子圍欄，并且采用了百度地圖中騎行導航的API，幫助用戶規劃騎行路線。用戶可以在APP上進行注冊與登錄，登錄成功后，用戶可以通過APP對車輛進行掃碼騎行，當車輛損壞時，用戶可以在APP上進行客服報修。

使用共享單車APP對共享單車鎖上對應的二維碼進行掃碼開鎖，車鎖上的北斗/GPS 雙模定位模塊對用戶進行實時定位，APP 根據用戶使用時長進行計費。圖2 為共享單車還車流程圖。

圖2 還車流程圖

用戶還車時，APP 獲取位置信息，判斷車輛是否在電子圍欄內部，如果車輛已經在指定電子圍欄區域，APP 顯示還車成功并計費，如果車輛不在電子圍欄內部，將提示還車失敗，并實時引導車輛歸還至最近的電子圍欄區域，直至還車成功。

3 服務器的通信

該系統使用TCP 傳輸協議實現數據傳輸，使得通信過程更加安全可靠；使用GPRS 通信發送指令給硬件處理器；使用Socket 通信，完成SIM 模塊與IP 地址之間的數據傳輸。

3.1 TCP/IP 傳輸協議

本系統采用TCP 傳輸協議實現數據傳輸。相比UDP，TCP 可以提供更可靠的服務，UDP 不能保證可靠交付。通過TCP 傳輸的數據，可以做到數據不丟失，傳輸信道不出現差錯，保證通信過程中傳輸數據的準確性。

3.2 GPRS 通信

共享單車鎖通過GPRS 通信實現車鎖與服務器端指令的接收與發送，利用GPRS 無線傳輸數據，實現了車鎖的無線通信。GPRS 具有實時在線、高速傳輸等優點。最重要的是實現了“永遠在線”，當沒有數據傳送時，也可以一直保持著網絡連接，保障了車鎖與服務器的通信具有高效性。

3.3 Socket 服務

利用socket 服務監聽所需的服務器端口，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 將二維碼對應的序列號發送到系統的服務器端獲得序列號，查找服務器數據庫中的記錄，如果數據庫中存在這個序列號記錄，就向socket 通道中寫入開鎖信號。如果不一致，斷開socket 連接，等到下一個用戶再做匹配。

4 結論

該系統采用自主開發的共享單車APP 和車鎖硬件，配合北斗/GPS 雙模衛星定位實現整個共享單車正常運行，通過測試，該系統符合共享單車的市場要求，符合當代人低碳環保的理念，解決了傳統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象，為傳統共享單車出現的問題提供了一種有效的解決方案。