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1、第 1 页 共 34 页1 引引 言言1.11.1 研究背景研究背景在中国，城市化水平不断提高，随之而来的是众多的“城市病”，其中交通问题最为严重也是必须要解决的一个问题。汽车总量的不断增长造成了市区内交通的拥堵，并且大量尾气的排放严重影响城市的空气质量。随着政府的大力宣传与实践，“绿色出行，低碳环保”的出行方式成为了大多数年轻人和少年人的选择，全国各地自行车公共租借站点也变得越来越多。公共自行车在国外已经发展多年，所以在国内也是有很大的发展前景。随着企业和学校的搬迁，形成了大学城和工业园，学生和工人的出行不是很方便。建立我们自己的公共自行车租借站点体系，既能使得人们日常上班、外出等变得更加方
2、便，又能骑车锻炼身体，值得大力提倡宣扬。公共自行车站点的投放由运营商统一规划布点，主要设立在医院、工业园区、大学城等大型的公共基础设施以及人流多的区域，通过设备综合管理平台以此实现智能化、无人化统一的管理，深受年青人的青睐。1.21.2 国内前景国内前景近年来，随着我国经济的持续高速增长，居民消费水平稳步提高，私家车保有量迅速增长。据统计，截至 11 年上半年，我国的机动车数量已经突破 2 亿接近 2.2亿辆。这里面私人用车就有 7000 万辆，并且增长的势头很快，平均每年要有超过1000 万的增长量快速增长的私家车带来了城市交通拥堵、交通事故、停车困难、空气和噪声污染严重等诸多问题。自 21
3、 世纪以来，国家大力建设公共交通，总投资超过 2 万亿，其中城市内部的道路改造和建设占据了相当一部分。但仍无法解决城市交通拥堵的问题。因此可知一味单纯的投资建设道路是无法解决城市交通拥堵的问题的。在城市内部建立完善的公共交通体系能够有效的缓解甚至是解决掉城市的交通拥堵问题。如今的城市公交系统的主体构成是：公交车、地铁、铁路交通及公共自行车租借点组成。城市内部公交体系的完善已经受到了国内很多城市的关注。比如，首都北京在“十一五”期间，花费超过 7 亿元用于改善和建设城市公交体系，公共第 2 页 共 34 页基础交通设施的投资占总投资的接近一半。公共汽车和地铁在城市公共交通体系中占据着主导的地位，
4、但是基于现实状况受到了站点以及线路的影响，并不能完整的覆盖整个城市的全部地方。这也就是说在整个公共交通体系中没有一个能够符合公众需求的短途的公共交通设施和对应的体系。因此出现了很多出租车和人力拉车黑顾客钱的现象。所以一种能够满足大众短途交通需求的公共自行车管理系统就应运而生，并且拥有了良好的前景和广阔的市场需求。1.31.3 国外发展国外发展欧洲是公共自行车的发源地。20 世纪 70 年代风车之国荷兰率先运营了第一代的公共自行车系统，可是没有能够达到预期的成效。30 年后在丹麦的童话之都哥本哈根运营了第二代的公共自行车系统，并且得到了成功。世纪之交，随着第四次工业革命的发展，互联网技术得到了大
5、力发展，无限通讯技术应运而生，数字化的管理平台得到设计和实现，在这些硬件条件成熟的情况下，第三代公共自行车管理系统产生了。 法国：凭银行卡可直接租车法国的雷恩市是法国第一个拥有公共自行车管理系统的城市，取得了很好的效果，随机法国政府在各大城市进行了推广。在法国租借自行车有两种方法，一种是消费者凭借银行卡直接租用自行车，另一种是提前申请，然后再 15 天之后租借自行车。为了防止产生恶意的损坏自行车，法国的自行车里安装了许多安全装置，比如防爆轮胎以及需要专业拆装的坐垫等。 英国伦敦：用短信可以租车在英国人们十分愿意使用租借来的自行车，因此自行车租凭业十分的发达。在伦敦人们租借一辆自行车只需要发一个
6、短信给中心平台，然后就会受到一个开启自行车的密码，这个密码可以在伦敦任何一个站点取车，用完之后再发一个短信就会收到一个停放的密码，锁上车之后就可以了。美国纽约：管理全面实现数字化山姆大叔租借自行车已经能够进行网络化，可以从网战上提前预订一辆自行车站点租借的自行车，全面先进的数字化管理得到了很多人的青睐。租借人是需要使用智能手机在网上支付押金然后就得到一个密码去取车。除此之外游客还可以下载专门的 app 软件获得整个城市的旅游路线图以及各个自行车站点方便归还自行车。丹麦哥本哈根：30的人使用自行车上班第 3 页 共 34 页丹麦政府奉行“绿色环保，低碳出行”的理念，所以整个自行车出租业十分发达，
7、并且租车所使用的费用也十分的低廉。在首都大约有 200 个站点是可以免费租借自行车的。据统计，在哥本哈根每一辆自行车的闲置时间是 8 分钟，而且租车十分方便就像国内超市使用购物车一样，用硬币插在上面就可以解锁，所以大多数的年轻人都喜欢使用自行车出行。总结一下国外的先进的经验大致可以分为以下几个方面：第一、科学合理的规划是系统成功的保证要将公共自行车系统吸收进整个交通体系里面，从而对整个城市的交通进行统筹规划，划分不同的功能区，对于需求比较大的区域因地制宜的实施方针，争取让公共自行车体系彻底的融入人们的生活中去，成为人们生活中不可缺少的一部分。第二、政府的支持是系统成功的关键因素政府的大力支持是
8、自行车公交体系持续运转下去的前提条件，没有政府的支持那么整个体系的连续性和服务质量就会受到很大的影响。同时，企业也需要和政府通力合作，保证整个系统能够长期的运行以及定期进行维护保证可靠性。这样每一个市民才能得到便利的服务，才愿意选择这种出行方式。第三、稳定可靠的技术支撑是系统成功的必要条件公共自行车的实施必须要有足够的可靠的技术环节作为支持，这里面包括了所有的环节，从车辆的生产和装置的设定，整个系统的数字化设计，车辆的定位以及通讯技术的保障等等。自行车是一种没有污染能够健身的健康的出行方式，在国外越来越受欢迎。从现有的经验来看，低成本的租借才会促使公民去使用自行车作为交通方式，这需要政府大量的
9、资金投入，虽然成本很大，但是它带来的公益趋势难以计算的这是值得投资的。2 2 总体设计总体设计基于无线网的公共自行车管理系统由 RFID 技术作为设计的核心系统，这就要求每一辆自行车都要拥有一个 RFID 标签，同时也需要一能够进行识别的 IC 卡。市民在租借自信车时必须进行刷卡，通过对于 IC 卡信息的读取、判别，系统便会判定此次操作的是否合法，再根据 IC 卡信息识别的结果的做出不同的指示。如果是第 4 页 共 34 页非法的操作那么就会触发报警设置，同时对自行车进行上锁启动防盗设置，这样就能够避免自行车的损失1。2.12.1 设计的任务及要求设计的任务及要求本课题要求设计一个基于无线网的
10、能够实现自行车识别的硬件器件。要求当 IC卡刷上时能够识别，如果能够租凭立即开锁，若不能便不能开锁。在这里有两个需解决的问题，第一个问题是当公民返回自行车时，锁定装置未能锁定及时造成车辆损失。第二个问题是，在某些情况下的信息没有记录到系统中，所以一些市民仍然被告知，自行车没有得到回收不能租另一个自行车。具体要求实现的功能如下：( 1 )可实现非法提取自行车的报警。( 2 ) 高频率被动 RFID 技术 - 固定在自行车上用于车辆停放和安全监测。( 3 )自行车锁住后不可骑行 ( 4 )每个站点安装多个锁定装置，所有锁定装置都与基站站点进行通信。( 5 ) 有效的 RFID 的功率控制( 6 )
11、采用无线数据通信。( 7)可实现异常情况的自动复位。2.22.2 系统总体网络结构图系统总体网络结构图如图 1 所示，整个系统分为一个中央服务系统和若干节点，每个节点都代表着一个自行车的租借站点。 各节点通过 RFID 射频设备收集自行车的信息并通过接触式天线读取用户 IC 卡数据； 最后通过网络传递给服务器。终端服务系统会对所有的自行车租借站点的信息进行一个整体汇总，然后进行具体的数据信息比对以及存储，并且将信息通过通讯设施反馈给每个监测终端，随机通过指令节点的控制装置执行一系列的操作。第 5 页 共 34 页图 1 系统总体结构图2.32.3 节点结构框图节点结构框图一个节点的结构如图所示
12、。每一辆租借的自行车都通过 RFID 射频读卡器来对自行车上的 RFID 标签进行检测，并进行数据的存储；同时 IC 卡读卡器通过天线读取 IC 卡信息。节点通过控制的 8A054 用无线网将信息发送至服务器并接受反馈数据，执行相关的提示或报警操作。图 2 节点结构框图2.42.4 服务器处理信息流程服务器处理信息流程服务器接收到节点数据随机将数据与数据库原有的数据进行比对，然后节点得到反馈的指令执行一系列的操作。具体服务器处理信息流程图如图 3 所示。第 6 页 共 34 页图 3 服务器流程图3 3 硬件模块设计硬件模块设计3.13.1 RFIDRFID 模块模块3.1.1 RFID 技术
13、RFID 意思是射频识别，又叫做无线射频识别，电子标签等。RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。它广泛应用于物流管理、交通运输、医疗卫生、商品防伪、安全防护、管理与数据统计等领域，被公认为二十一世纪十大重要技术之一。2从概念上来讲，RFID 类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而 RFID 则使用专用的 RFID 读写器及专门的可附着于目标物的 R
14、FID 单元，利用 RF 信号将信息由 RFID 单元传送至 RFID 读写器。第 7 页 共 34 页3.1.2 RFID 系统组成一个简单的 RFID 系统有四部分组成:( 1 ) 电子标签：电子标签的组成包括芯片、载体和天线这三个部分。其中芯片用来保存 ID 以及其他的一些信息，载体则是用来保护芯片以及天线不受损伤，最后天线可以接发信息以及指令。每一个电子标签都有一个电子编码，用来安装在所要标明的物体上。 ( 2 ) 读写器:用来对无线射频系统进行读操作和写操作的装置，有固定式和手持式两种型号，是整个系统中最为重要的组成部分。( 3 ) 天线: 是 RFID 标签和读写器之间实现射频信号
15、空间传播和建立无线通讯连接的设备。无线射频识别系统中的天线有两种一种安装在标签上，一种安装在读写器上。 ( 4 ) 应用系统:这是用来处理数据的。读写器传输数据到系统中，系统通过运行软件来处理数据，然后在对读写器和电子标签发送指令，从而控制它们的运行。33.1.3 RFID 的工作原理读写器通过天线把电磁波发射到空中，邻近的标签被电磁波激活；电磁波在标签上的天线中激励起高频电流，转换后推动标签的集成电路工作；被激活的标签会随即发射出载有标签资料的无线电波，这些微弱的无线电波最后再由读写器接收。读写器与电脑连接，对标签传回的资料进行处理或启动回应该资料的相关电脑程序。4根据 RFID 系统工作机
16、理不同，可以将 RFID 系统分为电磁耦合和电感耦合。这两种耦合方式的不同点在于第一种方式中射频读写器里面的射频能量是以电磁波为载体从而发射出去的；而第二种耦合方式里，射频读写器将能量约束在它周围的电感线圈里，然后通过交变闭合，以此来连接读写器与射频标签两者线圈之间通道，没有向空间辐射电磁能量。第 8 页 共 34 页图 4 读写器工作示意图 3.1.4 RFID 与其他自动识别技术比较现在市面上得到应用的主流自动识别应用主要是摄像机、条型码、IC 卡、银行磁卡以及射频这几种应用，这些自动识别应用每一个都有着其独自的优缺点可以运用于不同的公共场合。 下表是几种自动识别技术之间的区别：表 1 常见自动识别技术的比较第 9 页 共 34 页信息载体信息量读/写性读取方式保密性智能化抗干扰能力寿命成本条码金属表面小只读CCD或激光束扫描差 无差较 短 最低磁卡磁性物质一般读/写电磁转换一般 无 较差 短 低IC 卡EEPROM大读/写电擦除写入最好 有 好 长 较高R
