基于物聯(lián)網(wǎng)智能助力單車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蘇寶璽，陳小君，馮志斌，李銀成

（閩南科技學(xué)院，福建 南安 362332）

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)外雖已推出智能自行車[1]和自行車助力等商品，但沒有實(shí)現(xiàn)將二者結(jié)合以及深化和完善，例如百度的Dubike和小米的助力自行車需要購(gòu)買一整輛車、啟羅的助力器不能達(dá)到用手機(jī)控制的程度[2]。據(jù)出行調(diào)查，不同行程出行者選用的方式也不同，調(diào)查結(jié)果見表1所列。

表1 行程距離與選擇方式

由表1可見，行程超過(guò)14 km出行者會(huì)選擇乘車，行程1～6 km選擇單車出行的比例較高。長(zhǎng)行程的騎行會(huì)使出行者產(chǎn)生疲勞感，因此更多的出行者還是會(huì)選擇乘車出行[3-4]。使用共享單車會(huì)使長(zhǎng)行程的騎行者產(chǎn)生疲倦感，頻繁乘車出行不僅會(huì)造成空氣污染和能源短缺，還會(huì)產(chǎn)生一定的消費(fèi)負(fù)擔(dān)，普通電動(dòng)車無(wú)法使騎行者起到鍛煉身體的作用。因此，要求共享助力單車既有人力騎行功能，又有電動(dòng)助力模式省力便捷，此功能特別適宜城市規(guī)模較大且出行距離較遠(yuǎn)或公交不發(fā)達(dá)地區(qū)普通百姓的出行要求，是公共交通的最好補(bǔ)充工具。為此，設(shè)計(jì)一種智能助力單車控制系統(tǒng)對(duì)中短距離出行很有必要。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)智能助力單車控制系統(tǒng)。

1 總體框圖

智能助力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)以HT32F1656642QFP單片機(jī)[5]作為主控芯片，騎行者將盒子安放在自行車三腳架上，通過(guò)速度傳感器、GPS傳感器和WiFi模塊等將信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)解讀大數(shù)據(jù)后，騎行者可按下開關(guān)開始騎行，同時(shí)也可通過(guò)手機(jī)APP查看騎行軌跡、時(shí)間與速度、剩余電量等，實(shí)現(xiàn)騎行功能。

圖1 設(shè)計(jì)總體框圖

1.1 芯片控制流程圖

開啟助力模式流程如圖2所示，接上電源開始，然后判斷APP或按鍵是否接收開啟助力模式指令，若接收指令則啟動(dòng)電機(jī)，否則繼續(xù)撿測(cè)。

圖2 開啟助力模式流程

變速控制流程如圖3所示。判斷APP或按鍵是否接收調(diào)速信號(hào)，若接收指令則調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速并將當(dāng)前速度發(fā)送給手機(jī)端，否則繼續(xù)撿測(cè)。

圖3 變速控制流程

停止流程如圖4所示。判斷APP或按鍵是否接收停止信號(hào)，若接收指令則關(guān)閉并將使用時(shí)間發(fā)送給手機(jī)端，否則繼續(xù)撿測(cè)。

圖4 停止流程

通過(guò)WiFi模塊將手機(jī)APP上的指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，再由大數(shù)據(jù)解析后，單片機(jī)再對(duì)裝置中的無(wú)刷電機(jī)做出相對(duì)應(yīng)的控制，同時(shí)，對(duì)自行車的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1.2 軟件部分

軟件控制流程如圖5所示。接上電源開始，然后判斷APP是否接收開箱指令，若接收指令則開柜取樣安裝，否則不作處理；接著通過(guò)HT32F1656是否收到速度控制模塊或APP傳來(lái)速度進(jìn)行判斷，是，則啟動(dòng)或關(guān)閉電機(jī)，在開啟電機(jī)之后根據(jù)速度指令調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，接著將速度與位置等信息發(fā)送至APP，最后結(jié)束；否，則不作處理。

圖5 軟件控制流程

2 特色、創(chuàng)新性、優(yōu)勢(shì)與功能

2.1 特色與創(chuàng)新性

（1）與傳統(tǒng)出行工具相比，智能助力功能不但可以使騎行出行者在感到疲倦時(shí)通過(guò)助力得到休息，還可以使日常出行者在騎上坡時(shí)快捷省力。

（2）智能助力單車在環(huán)保方面還有重大意義。智能助力單車?yán)锰?yáng)能輔助蓄電[6]更符合現(xiàn)代社會(huì)綠色環(huán)保的理念，而且有了這個(gè)額外的動(dòng)力裝置，很多之前怕騎車?yán)鄣挠脩艟涂梢园残牡倪x擇騎自行車出行，而讓汽車更多的待在車庫(kù)里。

由表2可知，智能助力單車無(wú)論是與汽車還是普通電動(dòng)車相比，它的特點(diǎn)都更符合現(xiàn)代社會(huì)綠色、環(huán)保、節(jié)能的理念。并且充電和更換鋰電池成本低，還可利用太陽(yáng)能輔助充電，通過(guò)新能源助力。需要助力時(shí)按下按鍵即可使用，同時(shí)還能在騎行過(guò)程中通過(guò)手機(jī)APP查看騎行軌跡與時(shí)間、調(diào)整行使速度等。

表2 成本費(fèi)用、效率與污染的對(duì)比

2.2 優(yōu)勢(shì)

（1）裝置輕便靈活無(wú)需對(duì)愛車做改造，可直接將驅(qū)動(dòng)裝置安裝于自行車三腳架上[7]。

（2）平時(shí)不需要助力時(shí)只需要關(guān)掉電源即可，而當(dāng)需要爬坡或者想要外力驅(qū)動(dòng)時(shí)，打開開關(guān)就可以直接使用。

（3）特別適宜因城市規(guī)模擴(kuò)大需增加出行距離或公交不發(fā)達(dá)地區(qū)普通百姓的出行要求，是公共交通的最好補(bǔ)充工具。

2.3 功能

物聯(lián)網(wǎng)智能助力單車控制系統(tǒng)屬于物聯(lián)網(wǎng)、電子信息智能制造領(lǐng)域所開發(fā)的一種實(shí)用新型產(chǎn)品，是一種輔助自行車系統(tǒng)[8-9]。

（1）可通過(guò)手機(jī)APP解鎖柜子取出自行車輔助系統(tǒng)，將它安裝在自行車上，通過(guò)按鍵進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)試。

（2）手機(jī)APP端可以實(shí)時(shí)查看自行車的騎行速度、騎行時(shí)間、騎行軌跡和剩余電量等行駛狀態(tài)。

（3）通過(guò)控制按鍵和APP對(duì)單車速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)按下調(diào)速按鍵或在手機(jī)APP端操作時(shí)，單片機(jī)將通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。可利用霍爾開關(guān)元件測(cè)轉(zhuǎn)速，在無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定小磁鐵，將霍爾開關(guān)固定在小磁鐵附近，電機(jī)以某一角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，只要小磁鐵轉(zhuǎn)過(guò)霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個(gè)脈沖，通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間脈沖數(shù)，即可確定電機(jī)速度并計(jì)算出單車速度。

（4）手機(jī)APP端根據(jù)出行者的騎行狀態(tài)經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析估算卡路里消耗，后期可隨時(shí)查閱數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)分析，從而制定屬于自己的鍛煉計(jì)劃。

（5）在鋰電池安裝區(qū)周圍安裝太陽(yáng)能柔性電池板[11]。利用光電效應(yīng)，太陽(yáng)能電池中兩種極性相反的半導(dǎo)體組成了PN結(jié)，形成內(nèi)建電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電子進(jìn)入電路，形成電壓和電流，使其在晴朗天氣下將電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，作為輔助能源。

（6）實(shí)時(shí)GPS定位報(bào)警。通過(guò)內(nèi)嵌的GPS實(shí)時(shí)定位智能助力單車所在的位置，手機(jī)APP端通過(guò)GPS位置信息提醒用戶，可查看是否有他人惡意拆卸單車。

3 結(jié) 語(yǔ)

人們對(duì)于AI的探究一直在進(jìn)步，在日常生活各方面隨處都可見人工智能[12]的身影，在騎行出行方面的研究趨勢(shì)會(huì)更加往簡(jiǎn)便安裝和多功能集一體化發(fā)展，省去冗雜的操作方式，智能助力將會(huì)成為自行車改革的一種新趨勢(shì)。