基于NB-IoT通信的共享單車的研究與設計

林敏霞，吳冬燕，張衛(wèi)星，鄒廣洲，薛福霞

（1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 電子與通信工程系，江蘇蘇州，215104；2.蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院 機電工程系，江蘇蘇州，215104；3.國網(wǎng)（北京）綜合能源規(guī)劃設計研究院有限公司，北京，102600）

0 引言

2008年5月開始，比較成功的杭州公共自行車租賃項目，其影響范圍擴大到全國。共享單車的管理可以對時延要求低的遠程監(jiān)控場景采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-Iot）技術。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術是一種基于蜂窩網(wǎng)絡的低功耗廣域網(wǎng)技術，工作授權頻段是專有的，而且還沿襲了蜂窩網(wǎng)絡安全技術的加密機制，數(shù)據(jù)的安全性有著保證，網(wǎng)絡結構簡單，維護成本低。共享單車使用NB-IoT技術可以很好的解決共享單車的數(shù)量多，覆蓋廣等問題，能保證共享單車監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，有效的提高用戶對共享單車的體驗度。本文設計了基于NB-Iot通信的共享單車，使用GPS技術采集共享單車位置數(shù)據(jù)，通過NB-Iot技術實現(xiàn)共享單車與云平臺的永久連接，利用手機APP可以進行實時查詢共享單車的使用情況和遠程處理共享單車的功能。

1 總體設計方案

基于NB-IoT共享單車系統(tǒng)的總體框架由感知層，傳輸層，平臺層，應用層這四層結構組成。總體框架圖如圖1所示。

圖1 總體框架圖

終端就包括共享單車和智能車鎖，車鎖里面有MCU模塊、NB-IoT通信模塊、GPS模塊、藍牙模塊等。GPS負責共享單車的定位，藍牙負責連接共享單車，MCU通過控制電機來達到開鎖的目的。傳輸層由NB-IoT通信模塊和無線網(wǎng)組成，信息再通過核心網(wǎng)傳遞到平臺，傳輸層也就是NB-IoT技術信息傳輸?shù)耐ǖ溃蛏闲邢蛳滦袀鬏敂?shù)據(jù)信息。平臺層從接入網(wǎng)接收得到的開鎖請求信息，終端接入互聯(lián)網(wǎng)。應用層主要是用戶使用和管理端對設備的管理、數(shù)據(jù)的查詢和實時推送數(shù)據(jù)信息。其中MCU是對整個終端設備的控制，為了確保終端設備的各個模塊能夠井然有序的進行工作。電池和電壓穩(wěn)壓電路組成電源供電模塊，為各個模塊提供穩(wěn)定的工作電壓。

2 硬件電路設計

在整個項目的設計過程中，電路設計是整個項目的核心，也是軟件設計的前提。該電路主要包括MCU、NB-IoT通信模塊、電源模塊、藍牙模塊。電源模塊是為了給整個電路提供電源。電機驅動模塊則是通過電機驅動車鎖開關來開車鎖。蜂鳴器是在開鎖的時候接收到信號才會響應的。電路檢測可以把電量情況反饋到平臺，管理人員看到共享單車的電量情況，能及時作出處理。在這個硬件電路設計中NB-IoT模塊是最重要的，它負責共享單車與云平臺通信傳輸，在整個設計中更是起到一個橋梁的作用。

NB-IoT模塊主要包括BC95-B5模塊，濾波天線電路，復位電路和SIM卡電路四部分。SIM連接電路是與BC95-B5芯片連接在一起的，將外部讀取到的數(shù)據(jù)設備，通過BC95模塊的進行數(shù)據(jù)上傳操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上報功能。BC95-B5是一款符合3GPPR R13標準的NB-IoT模組，還兼容移遠通信GSM/GPRS系列的M95模塊，內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡服務協(xié)議棧，非常適合應用于M2M領域。該模組具有超高靈敏度，超低功耗等的優(yōu)勢。

3 軟件程序設計

3.1 MCU主程序流程圖

共享單車開鎖方式有兩種，一種是藍牙開鎖，另一種是NB-IoT開鎖。共享單車車鎖被喚醒上電后進行系統(tǒng)和硬件的初始化， MCU開始正常的工作。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

打開藍牙并讀取相關信息，接著檢測設備上的藍牙是否與手機藍牙連接上，如果連接上則把讀取到的NB-IoT模塊IMEI地址發(fā)送給手機APP，然后接收手機APP發(fā)送的開鎖命令，并執(zhí)行開鎖的功能。如果設備藍牙未成功連接手機藍牙，可以使用另一種開鎖的方式，就是使用NB-IoT模塊結合云平臺進行開鎖，設備每20秒會給云平臺發(fā)送一次心跳， NBIoT模塊出庫時自身帶有省電模式的功能，在沒有心跳的情況下，NB-IoT模塊進入省電狀態(tài)，該狀態(tài)下不能接收到平臺下發(fā)的指令。在喚醒狀態(tài)下如果接收到平臺下發(fā)的指令，設備會執(zhí)行開鎖的動作。如果開鎖成功，設備上的蜂鳴器將會響兩次并向平臺或者手機APP發(fā)送開鎖成功的數(shù)據(jù)包；若開鎖失敗，會向平臺或者手機APP發(fā)送開鎖失敗的數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)會執(zhí)行計數(shù)程序，每一個小時會檢測一次當前時間，如果在設定的時間內(nèi)，系統(tǒng)會將設備的電量數(shù)據(jù)發(fā)送給平臺。

3.2 應用程序設計

在整個項目的設計過程中，軟件系統(tǒng)設計是整體項目的核心部分，軟件系統(tǒng)部分主要由IAR開發(fā)軟件和Android Studio軟件完成的。完成基礎的硬件選取與接連之后，就開始編寫底層的程序，寫底層程序用的是IAR開發(fā)軟件。IAR 開發(fā)軟件是用于編譯與調試嵌入式系統(tǒng)應用程序的開發(fā)工具，支持匯編語言、C語言以及C++語言。Android Studio軟件是用來生成共享單車APP的。在IAR開發(fā)軟件寫好的底層程序的基礎上，再用Android Studio軟件把底層程序和APP程序和云平臺程序整合到一起，再生成共享單車APP。而應用程序設計采用c/s(客戶機/服務器)架構，c/s架構的安全性較高，封閉式網(wǎng)絡不容易受到他人的網(wǎng)絡入侵。用Java語言進行編程設計。由于整個項目程序過多，需要使用結構化程序進行設計，秉著自頂向下，逐步細化，模塊化，結構化編碼的原則，軟件設計盡量做到高內(nèi)聚，低耦合。應用的所有相關功能是由一個控制器來處理的，會針對不同的客戶端類型使用不同的控制器來處理，因為視圖的交互與選擇可能會因客戶端類型的不同而有些不一樣。

3.3 共享單車協(xié)議

共享單車終端有低功耗、低成本、安全性高的特點。一種面向網(wǎng)絡的協(xié)議，CoAP協(xié)議是IETF提出的，它有HTTP類似的特征，資源抽象的核心內(nèi)容、REST式交互和可以擴展的頭選項等。為解決HTTP對于受限環(huán)境的不足，CoAP協(xié)議想到數(shù)據(jù)報長度需要的最優(yōu)化和提供可靠的通信。JSON數(shù)據(jù)格式作為媒體類應用到CoAP負載，NB-IoT模組將傳感器采集的數(shù)據(jù)信息封裝到負載中發(fā)送到 CoAP服務器。為保證每臺設備之間的通信安全和穩(wěn)定，共享單車也有著自己通信協(xié)議，共享單車協(xié)議分為兩種,一種是NB-IoT通信協(xié)議，還有一種是BLE藍牙通信協(xié)議。

4 調試

用管理端APP對車鎖掃碼，進行投放車輛，再用用戶端APP掃碼開鎖用車，用車結束后結束行程付費，在用車付費結束后發(fā)現(xiàn)共享單車有損壞的還可以點擊報修。這時工作人員在他們的管理端APP看到共享單車的待故障處理信息，最后是對共享單車整體測試，測試結束。測試結果表明，數(shù)據(jù)可以實時的傳送到云平臺，也可以把騎行數(shù)據(jù)、收費信息等實時的傳送到手機APP上，并進行相應的收費。同時在管理端APP上也可以看到用戶使用自行車的情況。管理端APP界面如圖3所示。

圖3 管理端APP界面

用戶在用車結束后，發(fā)現(xiàn)車輛有損壞的并進行了報修。用戶報修之后管理端工作人員就可以看到了有待進行故障處理的消息了。維修前把故障車輛刪除再對車輛進行維修，維修結束后就可以再次投放已維修好的車輛了。

5 總結

本文設計的基于NB-IoT技術的共享單車可海量接入具有極大的容量，車輛的投放也可以在城市里實現(xiàn)廣覆蓋；車輛通常所用的電池具有5-10年的使用壽命，非常好的延長終端的續(xù)航能力；數(shù)據(jù)的安全傳輸則利用NB-IoT通信協(xié)議。調試結果表明，本文設計的共享單車系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，具有低功耗，廣覆蓋，接入量大，安全性高的優(yōu)點。用戶也可以通過用戶端APP查看自己的騎行路程、時長，消費等情況；維修人員通過管理端APP查看共享單車的投放、報修等情況；用戶和工作人員的使用情況在后臺也都可以看到。