一種基于無(wú)線射頻通訊的共享雨傘系統(tǒng)

郭宵冉，曾家明，左欣，王橋，楊世龍，李洋，畢亞楠，田江濤，游順才

（貴州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550018）

0 引言

在日常生活中，每個(gè)人很難每天攜帶雨傘，在遇到降雨天氣購(gòu)買(mǎi)雨傘會(huì)造成資源的浪費(fèi)，很有可能沒(méi)有準(zhǔn)備雨傘被淋雨。共享雨傘有效的減少資源的浪費(fèi)，同時(shí)方便人們出行。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套可智能租借和歸還的共享雨傘系統(tǒng)，可投放于人流密集的地區(qū)，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)性降雨天氣，提高人們的生活質(zhì)量。本發(fā)明主要由后臺(tái)服務(wù)器、后臺(tái)管理系統(tǒng)、微信小程序和傘樁設(shè)備構(gòu)成。后臺(tái)服務(wù)器由Java搭建，管理系統(tǒng)由VUE+ElementUI實(shí)現(xiàn)，硬件設(shè)備使用射頻識(shí)別技術(shù)讀取雨傘上電子標(biāo)簽，再利用STM32單片機(jī)控制傘樁的內(nèi)部運(yùn)作，用戶通過(guò)微信掃描二維碼進(jìn)入傘約小程序，用個(gè)人微信號(hào)在傘約小程序中完成注冊(cè)，客戶端將用戶借還傘信息傳送至后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器下達(dá)指令到傘樁設(shè)置上的4G模塊，傘樁設(shè)備內(nèi)的單片機(jī)判斷并處理4G模塊接收“借傘”或者“還傘”指令控制電磁鎖打開(kāi)，并通過(guò)4G模塊將雨傘信息反饋至服務(wù)器，微信小程序提示借傘或者還傘成功，用戶便可借出換入雨傘。這種基于無(wú)線射頻通訊的共享雨傘裝置不僅為在突發(fā)性降雨天氣沒(méi)有攜帶雨傘的人們提供幫助，同時(shí)在雨傘傘面和傘樁上做產(chǎn)品廣告有利于產(chǎn)品的推廣。

圖1 硬件模塊圖

1 硬件模塊

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

共享雨傘分為傘樁和雨傘兩部分。傘樁內(nèi)有STM32單片機(jī)、電磁鎖模塊、4G模塊以及鎖扣中的RFID模塊。當(dāng)用戶用傘時(shí)，控制系統(tǒng)內(nèi)的4G模塊收到服務(wù)器的信息，根據(jù)共享雨傘裝置上每個(gè)鎖扣上不同的的標(biāo)識(shí)，STM32單片機(jī)在不同的I/O口輸出不同的信號(hào)來(lái)控制相應(yīng)電磁鎖中的電磁繼電器，進(jìn)而控制鎖扣的開(kāi)關(guān)，每一次開(kāi)鎖STM32單片機(jī)內(nèi)部程序都進(jìn)行一次計(jì)數(shù)并進(jìn)行記錄，用來(lái)判斷儲(chǔ)傘箱中是否有傘[1]。當(dāng)用戶支付成功后，電磁鎖自動(dòng)打開(kāi)，用戶即可拿出雨傘使用，用戶取出雨傘后，RFID閱讀器感應(yīng)到傘柄上的電子標(biāo)簽后，電磁鎖自動(dòng)關(guān)閉。

當(dāng)用戶還傘時(shí)，如果STM32單片機(jī)判斷儲(chǔ)傘箱里面有雨傘時(shí)，小程序界面提示用戶，該儲(chǔ)傘箱內(nèi)傘已滿，請(qǐng)到?jīng)]有雨傘的傘樁內(nèi)還傘，把雨傘放回儲(chǔ)傘箱后用戶把鎖殼還原到初始位置，這樣便完成了一套完整的借傘和還傘的過(guò)程。

1.2 雨傘傘樁的內(nèi)部構(gòu)造

本裝置傘樁設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能性強(qiáng)。該新型共享雨傘裝置在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了精簡(jiǎn)，由儲(chǔ)傘箱，電磁鎖，控制箱組成，其電磁鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易損壞，成本低，故障維修難度低。

傘樁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由STM32單片機(jī)傘箱、進(jìn)傘通道、出傘通道、RFID硬件設(shè)施、4G模塊等組成。服務(wù)器作為信號(hào)媒介，系統(tǒng)整體由STM32單片機(jī)控制，雨傘和系統(tǒng)直接的連接通過(guò)對(duì)傘樁上的二維碼進(jìn)行掃描及其傘上電子標(biāo)簽和特定的二維碼對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)。STM32基于低成本、低功耗、高性能的特定以及內(nèi)置外設(shè)的輸入輸出引腳具有重映功能滿足設(shè)計(jì)需求。基于此，STM32單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)傘樁系統(tǒng)的收放機(jī)的運(yùn)行。傘樁內(nèi)放置雨傘，雨傘傘柄貼有對(duì)應(yīng)的電子標(biāo)簽，當(dāng)用戶掃描傘樁外部的二維碼，進(jìn)入微信小程序，服務(wù)器向傘樁內(nèi)的4G模塊發(fā)送信號(hào)，傘樁內(nèi)的STM32單片機(jī)接收4G模塊傳來(lái)的信號(hào)，并控制傘樁內(nèi)的電磁鎖打開(kāi)，雨傘從儲(chǔ)傘箱內(nèi)滑出，經(jīng)過(guò)出傘口的時(shí)，傘上的電子標(biāo)簽被出出傘口處的RFID閱讀器識(shí)別，完成系統(tǒng)下達(dá)的指令；還傘時(shí)，還傘口處的RFID閱讀器識(shí)別電子標(biāo)簽，自動(dòng)裝置啟動(dòng)，雨傘滑入儲(chǔ)傘箱內(nèi)。

1.3 RFlD系統(tǒng)

RFID是一種先進(jìn)的非接觸式射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，因無(wú)源RFID標(biāo)簽成本低，使用壽命長(zhǎng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)。基于此將無(wú)源RFID標(biāo)簽安裝在本發(fā)明的每把雨傘上，即在雨傘傘柄內(nèi)固定一個(gè)微小的電子標(biāo)簽，并且事先寫(xiě)入將與該標(biāo)簽相匹配的密碼。RFID系統(tǒng)由讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽和后臺(tái)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成。電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器組成射頻終端，電子標(biāo)簽儲(chǔ)存識(shí)別雨傘身份和屬性的信息并與雨傘結(jié)合，[3]每把雨傘都配有一個(gè)電子標(biāo)簽，讀寫(xiě)器通過(guò)射頻信號(hào)和雨傘上的電子標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信并和計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨傘上的電子標(biāo)簽的識(shí)別和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀取操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雨傘的借還操作和必要的管理。當(dāng)RFID系統(tǒng)工作時(shí)，RFID讀寫(xiě)器通過(guò)無(wú)線通訊收發(fā)器發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，電子標(biāo)簽在RFID讀寫(xiě)器識(shí)別的范圍內(nèi)對(duì)接收到的射頻信號(hào)產(chǎn)生感應(yīng)從而產(chǎn)生能量，這些能量向讀寫(xiě)器發(fā)送自身所傳達(dá)出來(lái)的信息，[4]從而將讀寫(xiě)到的命令加密后傳送給電子標(biāo)簽，RFID讀寫(xiě)器識(shí)別到電子標(biāo)簽的信號(hào)指令后解碼，進(jìn)而識(shí)別到電子標(biāo)簽上儲(chǔ)存的唯一識(shí)別雨傘身份的信息后，將信息交給后臺(tái)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，后臺(tái)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)根據(jù)電子標(biāo)簽可以識(shí)別唯一身份屬性對(duì)借出的雨傘進(jìn)行跟蹤，計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)等操作。如圖2RFID系統(tǒng)所示。

圖2 RFID 系統(tǒng)

2 系統(tǒng)模塊

2.1 軟件系統(tǒng)

軟件部分使用前端開(kāi)發(fā)工具HBuilder設(shè)計(jì)了“傘約”共享雨傘APP，使用簡(jiǎn)單，操作方便，服務(wù)器的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Eclipse，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是Java。整個(gè)系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，Web服務(wù)器采用A-pache+Tomcat+數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL。端與端通信為C/S方式。使用Java語(yǔ)言與js提供異步請(qǐng)求，請(qǐng)求后臺(tái)數(shù)據(jù)接口，[5]解析后返回json數(shù)據(jù)，微信掃碼打開(kāi)“傘約”小程序[3]。系統(tǒng)采用通過(guò)RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)記錄跟蹤每把雨傘，用戶租借歸還時(shí)，會(huì)將識(shí)別出雨傘的唯一ID，通過(guò)4g模塊傳輸給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)雨傘狀態(tài)的數(shù)據(jù)更新，設(shè)置雨傘租用的定金和租用的價(jià)格。用戶可以通過(guò)掃描傘樁上的二維碼借傘，當(dāng)雨傘使用完成并歸還后，用戶可以在微信小程序上查看本次借傘的時(shí)長(zhǎng)，花費(fèi)金額，并通過(guò)微信或支付寶支付訂單費(fèi)用。如圖3小程序界面所示。

圖3 小程序界面

2.2 主程序及中心服務(wù)器

主程序主要實(shí)現(xiàn)4G模塊的配置，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)顯示以及液晶屏顯示等功能。利用A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)借還傘的相關(guān)功能，掃碼成功后，電磁鎖打開(kāi)，用戶拿出雨傘，小程序界面顯示取傘成功；反之，小程序界面顯示取傘失敗。STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)則由Java來(lái)進(jìn)行編譯。單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)建共享雨傘的監(jiān)控系統(tǒng)與中心服務(wù)器相連，若檢測(cè)到雨傘損壞或者缺失的情況時(shí)，及時(shí)有效的將情況反饋至中心服務(wù)器并對(duì)其進(jìn)行檢修和補(bǔ)充。

2.3 登錄及賬戶管理

在微信小程序中掃碼借傘，小程序端向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送借傘請(qǐng)求，服務(wù)器給硬件設(shè)備發(fā)送指令打開(kāi)電磁鎖，計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)并將消息回執(zhí)返回給小程序端，生成訂單，硬件設(shè)備顯示屏顯示借傘成功；若是過(guò)程中出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不通，機(jī)器故障，雨傘不夠等情況則顯示借傘失敗。

微信賬號(hào)一鍵登錄注冊(cè)進(jìn)入程序中，通過(guò)授權(quán)獲取用戶手機(jī)號(hào)登錄注冊(cè)并把用戶信息存到后臺(tái)服務(wù)器，之后，用戶通過(guò)點(diǎn)擊頭像，授權(quán)獲取用戶頭像昵稱(chēng)等信息展示到個(gè)人頁(yè)面。放傘點(diǎn)包括距離、是否可借還和導(dǎo)航去放傘點(diǎn)（1）調(diào)用騰訊地圖sdk進(jìn)行標(biāo)點(diǎn)，距離計(jì)算，顯示在地圖上。（2）進(jìn)入程序獲取用戶，向后臺(tái)發(fā)起請(qǐng)求獲取放傘點(diǎn)展示在地圖上，用戶可以點(diǎn)擊附近的放傘點(diǎn)查看放傘點(diǎn)是否可借、可還，以及到那的距離，然后再次點(diǎn)擊頁(yè)面導(dǎo)航去那。押金和充值（1）調(diào)用微信支付接口，服務(wù)器同步更新余額、押金數(shù)值。（2）用戶可在支付租用雨傘的押金后打開(kāi)傘樁電磁鎖租用雨傘。雨傘借和還通過(guò)一個(gè)掃碼按鈕實(shí)現(xiàn)，每個(gè)用戶僅能同時(shí)借一把傘，根據(jù)用戶目前狀態(tài)來(lái)判斷當(dāng)用戶掃碼的時(shí)候是借傘還是還傘，減少了許多不必要的麻煩。借傘之前先判斷是否繳納押金，沒(méi)有則跳轉(zhuǎn)到繳納押金頁(yè)面。意見(jiàn)反饋 用戶可通過(guò)該功能反應(yīng)系統(tǒng)問(wèn)題和對(duì)服務(wù)提出改進(jìn)。借傘、還傘

2.4 后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)前端頁(yè)面是vue+elementUI實(shí)現(xiàn)。具體功能模塊如下：

雨傘管理增加刪除雨傘，跟蹤雨傘。雨傘營(yíng)運(yùn)人員在系統(tǒng)的雨傘租用管理界面對(duì)發(fā)起雨傘調(diào)度。

傘樁管理 增加刪除傘樁，設(shè)置傘樁運(yùn)行狀態(tài)。雨傘運(yùn)營(yíng)人員在系統(tǒng)中管理線下采購(gòu)雨傘。權(quán)限分配管理給不同的管理員角色賦予不同的功能。不同管理員之間相互約束。訂單管理 對(duì)用戶下單情況進(jìn)行管理，支付租用費(fèi)用，當(dāng)用戶未按規(guī)定歸還雨傘，可對(duì)用戶進(jìn)行定金扣除。用戶信息管理對(duì)借傘用戶進(jìn)行管理，當(dāng)用戶違規(guī)使用時(shí)，可對(duì)用戶進(jìn)行追責(zé)、拉人黑名單。

2.5 后臺(tái)服務(wù)器

通過(guò)springboot搭建后臺(tái)服務(wù)器，采用mysql數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)嗎，redis做緩存，security實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理，mybatisplus框架對(duì)數(shù)據(jù)做持久化。通過(guò)mqtt協(xié)議與硬件交互，實(shí)現(xiàn)雨傘的借還。如圖4后臺(tái)服務(wù)器界面所示。

圖4 后臺(tái)服務(wù)器界面

3 結(jié)語(yǔ)

共享雨傘解決了廣大市民在出行時(shí)遇到突發(fā)性降雨天氣而沒(méi)有攜帶雨傘造成的困擾。該雨傘實(shí)現(xiàn)輕松掃碼，一鍵借傘，隨借隨還，讓閑置的雨傘在人們需要時(shí)及時(shí)出現(xiàn)，發(fā)揮它遮陽(yáng)擋雨的作用。同時(shí)雨傘裝有電子標(biāo)簽，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控雨傘的使用情況，微信小程序的設(shè)計(jì)讓用戶更方便的了解使用該軟件，滿足市民需求，方便市民出行。