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1、分类号UDCTP919621.3密级公开 重庆邮电大学无桩式公共自行车租赁系统站点中文题目研究与设计Research and Design英文题目On the Site ofNo Pile Public Bicycle Rental System学号工学学位类别信息与通信工程学科专业指导教师2016 年 4 月 10 日完成日期独 创 性本人所呈交的是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，中不包含他人已经或撰写过的研究成果，也不包含为获得 重庆邮电大学 或其他的学位或而使用过的材料。与我一同工作的对本文研究做出的贡献均已在中作了明确的说明

2、并致以谢意。作者签名：日期：年月日使用书本人完全了解重庆邮电大学保留、使用纸质版和的规定，即学校向国家有关部门或机构送交，允许被查阅和借阅等。本人重庆邮电大学可以本的全部或部分内容，可编入有关数据库或信息系统进行检索、分析或评价，可以采用影印、缩印、扫描或拷贝等保存、汇编本。（注：的在后适用本书。）作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要城市交通拥堵问题是城市公共交通始终无法解决的难题，是我国城市发展的巨大，公共自行车租赁系统能够解决城市公共交通的“最后”问题，是缓解城市交通拥堵的切实方法。目前，公共自行车租赁系统普遍存在“租车难、还车难”。本文提出并设计了无桩式公共自行车租赁系统站点

3、方案，旨在彻底解决“租车难、还车难”。首先，深入分析了现有公共自行车租赁系统，了“租车难、还车难”问题的根本原因。然后，结合功能和性能需求，设计了无桩式公共自行车租赁站点的层次结构、通信流主要业务流程，分别设计了站点控制器和车载终端的整体方案，并进行了相关选型。最后，对站点控制器和车载终端进行了详细设计，站点控制器的设计侧重于如何对租赁站点下的车辆进行高效、可靠地管理；车载终端的设计内容主要是制定了安全可靠无线通信协议。本文研究和设计的重点是制定了一套可靠、安全的无线通信协议，从物理层、MAC 层、网络层、应用层对无线通信协议的帧格式、帧封装、地址分配、数据类型等进行了详细设计。围绕无线通信的

4、可靠性，在MAC 层设计了基于CSMA/CA的信道接入机制，解决无桩式公共自行车站点局域网存在的“隐藏站”问题，并设计了 DATA/ACK 应答机制和CRC 校验机制。围绕无线通信的安全性，采用 RC4加密算法对数据进行加密，并设计了用户认证和车辆认证机制。由于车载终端采用电池供电，本文选择了 MSP430F249 作为车载终端的低功耗处理器，根据MSP430 的特点设计了车载终端的低功耗模式切换，根据 CC1101 的特点制定了WOR 机制，最大可能地减小车载终端的能量消耗。为了验证无桩式公共自行车租赁系统站点设计的合理性和实用性，本文针对站点基本功能、无线通信的可靠性、车载终端的低功耗进行

5、了测试方案的设计。：无桩式，公共自行车，无线通信协议，可靠性，安全性AbstractThe urban traffic congestion is always a problem of the urban public transport,whiches a great obstacle for the development of our country. Public bicyclerental system can solve the last problem of urban public transport. It is a practicalway to ease urban t

6、raffic congestion. At present, a common problemt it is difficult torent or return a bike appearshe public bicycle rental system.Aiming at this problem, this thesis puts forward and designs a scheme of using thesite of public bicycle rental system without piles.ly, the existing public bicyclerental s

7、ystem isyzed, the root cause of the problem is poed out. Then, accordingto the function and performance requirements, the thesis designs the hierarchy structure,communication flow and main business pros of the site of no pile public bicyclerental system. Finally, the site controller and vehicle term

8、inal is designed in detail.Thedesign of site controller focuses on how to manage the bikeshe site effectively andreliably. Designing the spel protocol stack of wireless communication is the maindesigned content of the vehicle terminal.This thesis focuses on develoa secure and reliable wireless commu

9、nicationprotocol. The thesis designs frame format, frame encapsulation, address assignment,daype and so on of the wireless communication protocol from physical layer, MAClayer, network layer to application layer in detail.In order to guarantee the reliability ofwireless communication, the channel ac

10、s mechanism based on CSMA/CA isdesigned in the MAC layer, solving the problem of hidden sion in the local areanetwork of the site. Whats more, the DATA/ACK response mechanism and CRCverification mechanism are also designedhe MAC layer. In order to guarantee thesecurity of wireless communication, the

11、 RC4 encryption algorithm is used to encryptthe data, then the user identity authentication and the vehicle identity authenticationmechanism are designed. As the vehicle terminal is battery-ered, MSP430F249 isselected as the lowrosor of the vehicle terminal, and the lower modeswitching of the vehicl

12、e terminal is designed on the base of the characteristics MSP430. According to the characteristics of CC1101, the WOR mechanism developed to reduce the energy consumption of the vehicle terminal as muchsible.ofis asIn order to verify the rationality and practicability of the design, the test scheme

13、isdesigned for the basic functions of the site, the reliability of the wireless communication,the lower consumption of the vehicle terminal.Keywords: no pile, public bicycle, wireless communication protocol, reliability,safety目录图录VIII表录X注释表XI第 1 章1.11.21.31.4第 2 章2.1绪论1课题研究背景1国内外发展现状2课题研究目的及意义3组织结构4

14、公共自行车租赁系统研究与分析6现有公共自行车租赁系统研究与分析6现有公共自行车租赁系统结构分析6现有公共自行车租赁系统问题分析7公共自行车租赁系统问题解决方案分析和选择82.22.2.12.2.22.2.3车辆调度方案分析9人工值守方案分析9无桩式租赁站点方案的分析和选择102.32.4无桩式公共自行车租赁系统站点结构10无桩式公共自行车租赁系统站点设计关键点分析112.4.12.4.22.4.32.4.4无线通信协议的分析和选择11无线通信的可靠性分析13无线通信的安全性分析14车载终端的能耗分析152.5第 3 章本章小结17无桩式公共自行车租赁系统站点整体方案设计18无桩式公共自行车租赁

15、系统站点需求分析18功能需求分析183.1.2 性能需求分析19无桩式公共自行车租赁系统站点结构设计213.23.2.13.2.23.2.3层21数据传输层22数据处理层223.3无桩式公共自行车租赁系统站点流程设计223.3.13.3.23.3.3站点控制器与车载终端通信流程设计22租车流程设计24还车流程设计253.4站点控制器方案设计与选择263.4.13.4.23.4.3站点控制器结构设计26操作系统分析和选择27数据库的分析和选择283.5车载终端方案设计与选择283.5.13.5.23.5.3车载终端结构设计29无线通信模块的分析和选择30低功耗处理器的分析和选择313.6第 4

16、章4.1本章小结32无桩式公共自行车租赁系统站点详细设计33站点控制器详细设计334.1.1 站点控制器结构详细设计33站点控制器数据库设计34Linux 多线程程序设计354.2车载终端详细设计36车载终端无线通信数据帧设计36物理层设计38MAC 层设计40网络层设计42应用层设计444.3无线通信数据的可靠性设计47基于CSMA/CA 的信道接入机制47MAC 层差错控制52无线通信数据的安全性设计534.4.1 无线通信数据加密534.44.4.2 用户认证544.5车载终端的低功耗设计57车载终端的低功耗模式设计57MAC 层无线唤醒机制设计58本章小结60无桩式公共自行车租赁系统站

17、点测试与验证61测试方案分析614.6第 5 章5.15.25.3测试搭建62功能验证测试方案设计625.3.15.3.25.3.35.3.4车辆功能测试62租车功能测试62还车功能测试63实时信息查询功能测试635.4无线通信的可靠性测试方案设计645.4.15.4.25.4.35.4.4最大通信距离测试64容量可靠性测试65点对点丢包率测试66一点对多点丢包率测试675.55.6第 6 章6.16.2车载终端的低功耗测试方案设计68本章小结68总结与展望70全文总结70展望71参考文献72攻读学位期间从事的科研工作及取得的成果76图录图 1.1 公共自行车租赁系统全球使用分布2图 1.2

18、二期公共自行车租赁系统在某市的运营实景3图 2.1 公共自行车租赁系统结构6图 2.2 公共自行车租赁系统在使用过程中.7图 2.3 车辆调度实景图9图 2.4 无桩式公共自行车租赁系统站点结构10图 2.5 ZIGBEE 协议栈结构图12图 2.6图 2.7图 2.8图 3.1图 3.2图 3.3图 3.4图 3.5图 3.6图 3.7图 3.8隐藏站问题13站问题14非业务办理时间段时车载终端能量消耗对比16无桩式公共自行车租赁系统站点需求用例图18无桩式公共自行车租赁系统站点分层结构21站点控制器与车载终端之间的通信流程23租车流程24还车流程25站点控制器结构26车载终端整体结构29车

19、载终端结构29图 3.9 MSP430F249 各种工作模式对应的电流消耗31图 4.1 站点控制器结构33图 4.2 车辆过程35图 4.3 无线通信数据帧格式37图 4.4 无线通信数据帧的封装38图 4.5 CC1101 发送数据流程39图 4.6 接收数据流程40图 4.7 物理层状态转移图40图 4.8 MAC 层通用帧结构41图 4.9 车辆时网络地址分配过程43图 4.10 租借车辆时车载终端离开网络时地址分配过程43图 4.11 用户还车时车载终端加入网络的地址分配过程44图 4.12 网络层通用数据帧格式44图 4.13图 4.14图 4.15请求帧格式45反馈命令帧格式46

20、请求帧格式46图 4.16 租车请求帧格式46图 4.17 还车请求数据帧47图 4.18 实时信息查询命令帧47图 4.19 CSMA/CA 的工作原理48图 4.20 车载终端B 向站点控制器A 发送数据示意图49图 4.21 车载终端B 向站点控制器A 发送数据的RTS/CTS 协议50图 4.22 站点控制器A 向车载终端 B 发送数据50图 4.23 站点控制器A 向车载终端 B 发送数据的RTS/CTS 协议51图 4.24 RTS/CTS 帧结构51图 4.25 ACK 消息确认机制52图 4.26 RC4 加密算法的加密和.54图 4.27 用户卡图 4.28 用户过程55认证

21、过程56图 4.29 车载终端不同状态下的模式切换57图 4.30 CC1101 无线唤醒（WOR)事件之间的关系59图 5.1 通信成功概率指标64图 5.2 通信可靠性测试示意图65图 5.3 一点对多点丢包率测试区域划分示意图67表录表 2.1表 3.1表 3.2表 3.3表 4.1表 4.2表 4.3表 4.4表 4.5表 4.6表 5.1常用短距离无线通信技术对比11无桩式公共自行车租赁系统站点性能需求指标20操作系统比较27无线通信方案对比30站点控制器数据库表34车辆信息表(ALLBIKESINFOREFER)34接收数据帧状态字节42无桩式公共自行车租赁系统站点无线局域网网络地

22、址划分42应用层数据帧类型45低功耗模式对应的SR 寄存器状态58车辆功能测试用例表62表 5.2 车辆租借功能测试用例63表 5.3 还车功能测试用例63表 5.4 车辆实时信息测试用表63表 5.5 点对点丢包率测试目标66注释表Active Mode, 活动模式Advanced RISC Machines, Clear Channel Assessment,AM ARM CCA CPUCRC高级精简指令集处理器空闲信道评估Central Prosing Unit,处理器Cyclic Redundancy Check,Carrier Sense Multiple Ac循环冗余s with

23、ColliAvoidance,载波CSMA/CA侦听多点接入/检测CTS DCF DIFS FIFO IFS LPM MAC NAV PCF PIFS RSSI RTC RTS SIFS SPI SQLWORClear To Send, 清除发送Distributed Coordination Function, 分布式协调功能Distributeder Frame Space, 分布式帧间间隔In Fisrt Out, 先进先出队列erFrame Space, 帧间间隔Low-er Mode, 低功耗模式Media Acs Control, 介质控制Network Alloction Vec

24、tor, 网络分配适量PoPoCoordination Function, 点协调功能er Frame Space, 点协调帧间间隔Received Signal Strength Indicator, 接收信号强度指示Real-Time Clock, 实时时钟Request To Send, 清除请求Shorter Frame Space, 短帧间隔Serial Peripheralerface, 串行外设接口Structured Query Language, 结构化查询语言Wake On Radio, 无线唤醒第 1 章 绪论1.1 课题研究背景近年来，随着我国城市居民生活水平不断提高，

25、机动车数量急剧增加，截至2014 年底，我国机动车数量达到 2.64 亿，其中车总量超过 1.05 亿，并且机动车数量还在以 1000 万/辆的速度快速增长1。机动车保有量的增加提高了居民生活质量，也造成了城市交通拥堵、交通事故增多、空气噪声污染等诸多问题。交通拥堵问题已成为阻碍我国城市发展的巨大，据荷兰交通导航商TomTom 发布的 2015 年全球拥堵城市显示，全球最拥堵的 100 个城市中，仅中国就有 21 个2。为了解决城市交通拥堵问题，国家提出了“优先发展公共交通”的策略。公共交通体系存在短板，公共汽车和城市轻轨交通在城市交通体系中发挥着大动脉的作用，但是由于路线和站点布局等限制，无

26、法延伸到每个地方，即在公共交通体系末端，没有一种微交通体系，方便用户短距离出行，这就是所”问题3。“最后谓的“最后”问题是所有城市居民在进行短距离出行时都会遇到的麻烦：步行太久，打的又贵，乘又麻烦。公共自行车能有效地解”问题，缓解城市交通拥堵4。自行车行驶灵活，在 1 公里到 2 公里决“最后路程内，是最有效的交通工具，公共自行车可以作为城市公共交通系统的末端交通工具，能够有效地解决“最后”问题，弥补城市公共交通体系覆盖不全的短板5。城市公共交通系统的完善能够减少车的出行，从而缓解城市交通拥堵问题。目前，大力提倡发展公共自行车租赁系统，以解决城市交通问题。国务院于 2012 年 12 月发出关

27、于城市优先发展公共交通的指导意见，要求加快城市公共自行车租赁系统的建设6。2012 年 9 月住房城乡建设部、国家发改委和财政部联合发出关于加强城市步行和自行车交通系统建设的指导意见，要求各地全面推进城市自行车交通系统建设，特别是中小城市要重点发展，将公共自行车作为城市公共交通的重要组成部分，改善城市环境，促进城市可持续发展7。1.2 国内外发展现状公共自行车1965年在荷兰诞生，至今经历了三代，现在普遍使用的是采用现代科技支撑的第三代公共自行车租赁系统。I. Ballusarmet 等对第三代公共自行车租赁系统进行了定义，第三代公共自行车租赁系统采用计算机技术、通信技术和互联网技术等现代科技

28、，对公共自行车进行数字化管理8。目前，公共自行车在国外已得到广泛应用，欧洲、洲、南美洲的几十个国家都已投入建设了公共自行车租赁系统。欧洲是公共自行车发展的主导地区，已有22个国家建设了103个公共自行车租赁系统，占全世界公共自行车项目总数的 73%以上，租赁站点的数量所占比例达到54%，公共自行车数量占36%。在欧洲所有的第三代公共自行车租赁系统中，最成功的是法国巴黎的 Velib 系统，Velib 公共自行车租赁系统共拥有1451个租赁站点，20600辆公共自行车，投入使用不到一年，拥有20万公共自行车用户，服务次数累计达到0.26亿次，每辆车平均每天被租借3.5次9。截止2013年底，全球

29、已有35个国家在130多个城市建设了公共自行车租赁系统，租赁站点数目达到1.3万，投入公共自行车高达24万辆。如图1.1是公共自行车租赁系统在全球的使用分布情况。图 1.1公共自行车租赁系统全球使用分布公共自行车租赁系统才刚刚起步，杭州是最早引进公共自行车租赁系统的城市，2008年，经过引导，杭州建设了公共自行车交通系统，将公共自行车租赁系统纳入到城市公共交通体系中。到目前为止，杭州公共自行车租赁系统拥有2000个租赁站点，50000辆公共自行车，成为全球公共自行车租赁系统规模最大的城市10。2011年5月，株洲市公共自行车租赁系统投入运营，株洲拥有1000多个租赁站点，20000多辆公共自行

30、车，投入使用后，日均使用量高达15万次，公共自行车周转量达到10次/天/辆11。中国的公共自行车租赁系统普遍规模较大，是全世界公共自行车租赁系统发展最快的地区12。公共自行车租赁系统自从问世以来，受到广大市民的热烈追捧和青睐,特别是在现代城市中，有效地解决了“最后”问题，缓解了城市交通拥堵的压力。目前，国内外公共自行车租赁系统都还存在租车难和还车难。杭州公共自行车租赁系统在投入使用后，无车可租和无桩可还一直存在，关于“租车难、还车难”问题的屡见不鲜，在早晚上下班期，经常出现用户租车时发现租赁站点没有车，用户还车时发现租赁站点桩位已满，需要到别的站点还车13。“租车难、还车难”问题导致用户浪费了

31、大量时间寻找站点，严重打击了用户使用公共自行车的积极性，成为阻碍公共自行车租赁系统发展的巨大。1.3 课题研究目的及意义本课题源于校企合作项目“X”，该项目作为XX 省XX 市的二期公共自行车租赁系统，日前已正式上线运营。该系统使用电动助力自行车，兼容一期公共自行车租赁系统，支持普通自行车的使用。现已投入使用95个站点、3000辆电动助力自行车、4500个充电桩。目前该市已拥有公共自行车租赁站点225个，普通自行车和电动助力自行车的总数达到8000辆，锁桩11000个。图1.2是本开发的公共自行车租赁系统在 XX 省 XX 市的使用实景图。图 1.2 二期公共自行车租赁系统在某市的运营实景二期

32、公共自行车租赁系统在该市投入运营后，为市民出行带来极大便利，成为深受该市市民青睐的、出行必不可少的交通工具，办理骑行卡的人数大大增加。由于使用人数太多，加上早晚出行的“潮汐效应”，某些站点在租用量大的时候无车可租，而另外一些站点却又出现车辆将锁桩占满，用户无法还车，即“租车难、还车难”问题。为了解决这个问题，同时也为了后期将本公共自行车租赁系统推向其他城市，合作企业方委托本提出一个彻底解决“租车难、还车难”问题的方案。本课题旨在彻底解决公共自行车租赁系统存在的“租车难、还车难”问题。解决公共自行车租赁系统“租车难、还车难”问题不仅是为了升级二期公共自行车租赁系统，也是为了方便该市居民出行，更是

33、为了开发一种完善的公共自行车租赁系统，将公共自行车租赁系统在各个城市推广开来，解决城市居民出行“最后”问题，缓解城市交通压力。1.4组织结构本文针对目前公共自行车租赁系统的“租车难、还车难”问题，论述了无桩式公共自行车租赁系统站点的设计方案。的章节安排如下：第一章：绪论。主要介绍课题的研究背景，公共自行车租赁系统在国内外的发展现状，说明本课题的来源、研究目的及意义，对各章内容进行简明。第二章：公共自行车租赁系统的研究与分析。首先分析了现有公共自行车租赁系统结构，对造成“租车难、还车难”问题的原因进行了分析，比较了出现的解决方案进行了对比，提出了无桩式公共自行车租赁系统站点的方案。分析了无桩式公

34、共自行车租赁系统站点的结构，并对设计无桩式公共自行车租赁系统站点的关键和难点进行了分析。第三章：无桩式公共自行车租赁系统站点整体方案设计。首先对无桩式公共自行车系统站点进行功能和性能需求分析，从功能上设计了无桩式公共自行车租赁系统的站点层次结构，并对站点的通信流主要业务流程进行了设计。然后针对站点控制器和车载终端分别进行了方案设计，并对涉及到的进行了分析和选型。第四章：无桩式公共自行车租赁系统站点详细设计。从保证业务处理数据速度的角度对站点控制器的数据处理过程进行了设计，重点从车载终端的角度对无线通信协议栈进行了详细设计，从物理层、MAC 层、网络层、应用层对协议栈的功能进行了设计。并针对无线

35、通信的可靠性、安全性和车载终端的低功耗进行了详细设计。第五章：无桩式公共自行车租赁系统站点的测试与验证。设计了旨在验证无线通信协议栈设计合理性的基本功能测试方案；针对无线通信的可靠性设计了多种测试方案；设计了车载终端功耗的测试方案。第六章：总结和展望。总结本文的工作，对下一步的工作进行展望。第 2 章 公共自行车租赁系统研究与分析本章介绍了现有公共自行车租赁系统的结构，分析了造成公共自行车租赁系统“租车难、还车难”问题的原因，结合已有解决方案的优点，提出了无桩式公共自行车租赁系统站点的方案。然后，介绍了无桩式公共自行车租赁系统站点的结构，并对设计无桩式公共自行车租赁系统站点的关键和需要解决进行

36、了分析。2.1 现有公共自行车租赁系统研究与分析2.1.1 现有公共自行车租赁系统结构分析公共自行车租赁系统是解决城市公共交通拥堵的有效，目前我国多个城市和地区已安装公共自行车租赁系统。图2.1是公共自行车租赁系统的结构图。P. DeMaio 将公共自行车租赁系统分为3个部分：锁车系统、站点控制器和后台管理系统14，公共自行车租赁系统普遍采用这种结构。下面对各部分进行介绍：1. 锁车系统：由公共自行车和车桩组成。车桩采用立桩模式或横梁模式，车桩内有锁止器、读卡装置、语音装置等。站点控制器通过总线方式与车桩进行数据交互，利用管道安放通信线路。锁车时，将车辆推到锁止器上，读卡装置车辆信息和用户卡片

37、信息，计算借车用时、扣除费用等，锁止器自动弹出锁芯，将车辆锁止在车桩上，通过语音和液晶显示屏提示用户。2. 站点控制器：站点控制器安放在站点管理箱内，具有显示屏、刷卡装置、键盘等，用户可随时到站点管理箱查询租还车状态和消费金额等信息。站点控制器通过总线通信的方式与租赁站点下的所有车载终端进行数据通信，收集当前站点下的车辆和车桩信息，并对用户的租还车信息进行分析、处理和转发。3.包括管理系统管理系统是整个公共自行车租赁系统的数据汇集部分，服务器和数据库服务器等，主要实现租赁站点管理、车辆管理、用户信息管理、租还车信息统计、智能调度等功能。管理通过管理系统进行车辆管理、发卡、充值、车辆调度、指挥管

38、理等。2.1.2 现有公共自行车租赁系统问题分析我国公共自行车租赁系统尚处于初级阶段，随着公共自行车租赁系统在各个城市的推广，逐渐出一些问题。如图 2.2 是公共自行车租赁系统在使用过程中。无车辆可租车位已满还不了车，系统故障借到的车辆损坏找不到下个站点还车需要租车时找不到站点65%65%54%比例30%42%33%0%20%40%60%80%图 2.2 公共自行车租赁系统在使用过程中可以看出，“租车难、还车难”是公共自行车租赁系统的最严重问题。租车时租赁站点没有车辆，还车时站点车桩存满车辆，是公共自行车用户反映最多。公共自行车租赁系统之所以出现“租车难、还车难”，是因为公共自行车租赁系统具有

39、以下几个特点：1. 车桩模式：由于采用车桩模式，租赁站点的车桩位有限，站点容量有限。J. Gar-Gutierrez 等人对公共自行车锁桩尺寸进行了统计，锁桩模式一般有双柱式锁桩、横梁式锁桩、立柱式锁桩几种，平均占地面积为 120cmx180cm/辆，公共自行车租赁系统的站点一般设置在闹市区，站点面积有限，站点储车数量有限15。2. 时间分布特性：公共自行车的使用具有独特的时间分布特性。每天公共自行车的使用会出现 4 次使用，早晚各 1 次期，中午 2 次期，在期时间段，公共自行车的使用量骤增。3. 交通潮汐性：公共自行车具有交通潮汐性。E. Fishman 等对公共自行车的交通潮汐特性作出了

40、详细介绍：早期，公共自行车主要从居民区流向城市工业区、商业区等，在晚则逆向。早期居民区附近站点无车可租，用，晚期则相反16。户租车，城市工业区、商业区无桩可还，用户还车4. 到达停车特性：公共自行车的使用具有到达停车特性。公共自行车的停放相对集中，必须停放在租赁站点处，在短时间内可能会有大量自行车涌入租赁站点。C. Fricker 等人在Incentives and redistribution in bike-sharing systems withsions of finite capacity一文中，租赁站点容量有限是造成“租车难、还车难”问题的根本原因17，正是由于采用锁桩模式，才造成

41、了租赁站点容量有限。公共自行车的 2、3、4 三点特性，使采用锁桩模式的弊端突出地来，如何突破租赁站点的车辆数目限制，是解决“租车难、还车难”问题的关键18。2.2 公共自行车租赁系统问题解决方案分析和选择目前，公共自行车租赁系统 “租车难，还车难”的严重问题已引起广泛关注，但是针对这一问题还没有彻底有效的解决方法。2.2.1 车辆调度方案分析通过车辆进行调度是现有公共自行车租赁系统为解决“租车难、还车难”问题而采取的常用办法。调度用小货车将公共自行车从车辆充足的租赁点到车辆的租赁点，通过人工调运的方式来保证各个租赁站点下有桩可还，有车可租。如图 2.3 是车辆调度实景图。鑫飞达公共自行车租赁

42、系统，在站点处不设车桩，通过人工管理，进行车辆租借，几乎没有租还车难。采用人工值守方案，每个站点必须配置专人，企业负荷太大，导致运营商重负，而且人工办理业务速度慢、效率低。因此不宜采用此方案。2.2.3 无桩式租赁站点方案的分析和选择根据上文的分析，车辆调度方案无法解决“租车难、还车难”问题，而人工值守时，几乎没有租还车难，人工值守本质上是扩充了租赁站点的存车容量，使车辆存放不受锁桩限制，存车数目大大增加。因此，本文提出了无桩式公共自行车租赁系统站点的方案。无桩式公共自行车租赁站点方案利用了人工值守方案的优点，一方面，利用技术、计算机技术等取代人工值守的方式进行车辆管理，提高管理效率；另一方面

43、，抛弃车桩模式，突破“一车一桩”的限制，采用无车桩模式进行车辆管理，减少车辆平均占地面积，增加租赁站点的储车容量。2.3 无桩式公共自行车租赁系统站点结构在无桩式公共自行车租赁系统站点下，公共自行车采用车载锁具进行锁止，车载锁具、刷卡装置、显示模块和语音模块等控制设备组成车载终端。站点控制器与车载终端采用无线通信方式进行数据交互，站点无线局域网采用星型拓扑结构。如图 2.4 是无桩式公共自行车租赁系统站点结构。车载终端：车载终端是集合了刷卡、锁车、显示和语音等功能于一身的电子控制设备，安装在自行车上，由车载电池供电。车载终端主要由主控模块、无线通信模块、刷卡模块、显示模块、语音模块组成。主控模

44、块负责主控程序的运行，刷卡模块负责读写用户卡；显示模块显示消费金额；语音模块负责以语音的方式提示用户操作。站点控制器：站点控制器和公共自行车共同组成租赁站点，主要负责与车载终端进行无线数据的交互。具备基本的查询功能，具备无线通信模块，可实现与车载终端进行安全、可靠的无线数据通信。2.4 无桩式公共自行车租赁系统站点设计关键点分析在无桩式公共自行车租赁系统站点内，站点控制器与车载终端采用无线方式进行通信，由于项目的局限性、租赁站点恶劣的工作环境、公共自行车的使用特点、车载终端的供电方式等多方面原因，在设计实现上存在诸多难点，下面对无桩式公共自行车租赁系统站点设计实现的几个关键点进行分析。2.4.

45、1 无线通信协议的分析和选择目前应用广泛的短距离无线通信协议有WiFi、蓝牙(BlueTooth)、ZigBee 等标准化协议，也有由厂商或第等推出的协议，协议一般仅适用于公司自己生产的产品中。常用的短距离无线通信技术的对比如表 2.2 所示：表 2.1 常用短距离无线通信技术对比BlueTooth 是一种短距离无线通信技术，单个网络容量是 8 个节点，可靠通信距离一般在 10 米以内，显然不满足无桩式公共自行车租赁系统站点的需求21。 WiFi 是用于无线局域网接入的无线网络通信协议，速率可达 11Mbps，通信距离可达 100 米，WiFi 依赖于TCP/IP 作为网络层，WiFi 功耗大

46、，大多数便携WiFi 装置对比项蓝牙WifiZigBee电池（天）1-70-5100-1000+网络容量73265000传输距离（米）1-10+1-1001-100+数据速率(kb/s)72011000+20-250需要电池进行充电，且 WiFi 网络容量为 32 个节点22，因此不适合用于车载终端。 ZigBee 是一种短距离、可靠性高、低功耗、低成本的无线通信技术，主要应用于无线传感器网络、监测和控制等领域。一般情况下，采用两节 5 号干电池供电， ZigBee 节点可工作 6 个月以上。ZigBee 支持星型网络结构，单个协调器组成的网络容量为 255 个节点23。ZigBee 拥有完整

47、的协议层次结构，如图 2.5 是ZigBee 协议栈的结构。租赁站点的协议，实现无桩式公共自行车租赁系统站点的基本功能，是本文设计的主要内容。2.4.2 无线通信的可靠性分析如 2.3 节介绍，无桩式公共自行车租赁系统站点由站点控制器和车载终端共同组成，采用无线通信方式，站点控制器和若干个车载终端组成无线局域网络。在无线局域网中，由于无线通信距离有限，导致无线局域网存在隐藏站问题(Hiddened Sion Problem)26。Sion Problem)和站问题(Ex隐藏站问题：在无线局域网中，无线通信距离有限，当两个彼此不在对方通信距离内的站点同时向处在它们信号范围内的同一个站点发送数据时

48、，就会发生数据碰撞，造成数据丢失，这就是隐藏站问题27。如图 2.5 是隐藏站问题的示意图。站问题：如图 2.7 所示，站点 B 先向 A 发送数据，然后站点 C 又需要向D 发送数据，但 C 在 A 站点的通信范围内，检测到信道忙，结果 B 向 A 发送数据导致C 向D 发送数据失败，这就是站问题28。和能力有限；另一方面，无线网络本身具有开放性，公共自行车租赁系统应用在公共场所，任何具有合适接收设备的人都可捕获射频信号，截获无线通信数29。无桩式公共自行车租赁站点的无线局域网主要面，现归纳总结如下：据，进而进行进一步的临以下几种方式的安全1.：由于无线通信链路具有开放性，者通过捕获无线通信

49、数据窃取用户数据、租还车数据等关键数据30。无桩式公共自行车租赁站点内的无线交互数据主要包括用户、车辆信息、消费信息等，容易受到。2.者成合法用户网络资源占用系统资源，导致系统资源大量浪费，正常业务无法得到办理，严重影响租赁站点的正常运营。3.据，来实现：者通过物理上或协议上方法，干扰用户数据或控制数服务。4.篡改数据：篡改数据是无线网络经常，在无桩式公共自行车租赁系统站点局域网内，者可能会通过虚假车辆信息和用户卡信息欺骗站点控制器，导致站点控制器处理异常。以上四种，将是无桩式公共自行车租赁站点局域网的主要，其中是其他的基础，一旦者捕获到站点控制器与车载终端的用户数据，局域网安全将受到严重。2

50、.4.4 车载终端的能耗分析车载终端采用车载蓄电池进行供电，因此本课题在车载终端的设计上必须尽可能地考虑车载终端的低功耗。车载终端的能量消耗源于以下几个方面：微处理器的数据处理、刷卡模块的数据读写、液晶屏显示和语音提示、无线通信模块的消耗。本设计将选取具有低功耗模式和休眠模式的低功耗单片机，通过模式切换减少外设对车载电池不必要的能源消耗。车载终端微处理器在处理租还车等业务时处于激活模式，其他时段处于休眠模式或低功耗模式，此时，微处理器的能量消耗极少。对于刷卡模块、液晶显示和语音提示模块，可以通过电路开关进行电源控制，除租还车期间，关断电源，不消耗车载电池的能量。实际上，租还车业务办理时间相对车

51、辆停放和实用时间极短，因此液晶屏显示、语音提示和刷卡模块的能量消耗相对来说极少，车载终端能量消耗主要源于无线通信模块的消耗。无线通信模块的能量消耗主要源于三个方面：数据的收发、碰撞检测和空闲侦听。在非业务办理时段内，刷卡模块、液晶显示和语音提示模块均不工作，车载终端定期向站点控制器上报车辆实时信息，类似于无线传感器网络。因此，车载终端在非业务办理时间段内，可以看作是一个无线传感器节点，此时车载终端有四种工作模式：发送、接收、空闲和休眠。S. Nekane 等人在Cross-layer cluster-based energy-efficient protocol for wireless se

52、nsor networks一文中给出了无线传感器节点能量消耗的对比31，车载终端在非业务办理时段内的能量消耗对比如图 2.8 所示。3. 空闲侦听(Idle Listening)：车载终端对无线信道进行不必要的空闲侦听同样会造成能量浪费。4. 控制开销(Control Overhead)：无线传输数据帧中含有很多控制信息，控制字段过长会导致收发能耗增加，必须合理设计数据帧中控制开销的长度，减少收发能耗。综上所述，保证车载终端低功耗可以从以下几个方面进行设计：合理设计实时信息上传周期，减少数据的发送和接收次数，控制空闲侦听时间，设计有效的防止数据碰撞策略，设计合理地数据帧长度，并对数据类型进行分

53、类过滤。2.5 本章小结本章分析了公共自行车租赁系统的结构，探究了造成公共自行车租赁系统“租车难、还车难”的原因，通过对车辆调度方案和人工值守方案进行分析，提出了无桩式公共自行车租赁站点的方案，将无桩式公共自行车租赁系统站点分为站点控制器和车载终端两部分。通过分析常用的无线通信协议，选择参考ZigBee 无线通信协议，制定无桩式公共自行车租赁系统站点的无线通信协议；在进行无桩式公共自行车租赁系统站点设计时，要注意解决“隐藏站”问题，减少数据碰撞，保证无线通信的可靠性；要具有一定的安全措施，保证无线数据的安全性，并且要尽量考虑到车载终端的低功耗。第 3 章 无桩式公共自行车租赁系统站点整体方案设

54、计本章节主要设计了无桩式公共自行车租赁站点的整体方案。首先，明确了无桩式公共自行车租赁系统站点的功能和性能需求。然后，设计了无桩式公共自行车租赁系统站点的的分层结构、通信流主要业务流程。最后，分别对站点控制器和车载终端进行了方案设计，并对涉及到的进行了分析和选型。3.1 无桩式公共自行车租赁系统站点需求分析3.1.1 功能需求分析本文采用用例建模方法对无桩式公共自行车租赁系统站点进行需求分析，通过用例图表明系统参与者、功能用例两者之间的对应关系。无桩式公共自行车租赁系统站点的参与者包括：租车用户、运维。功能用例的获取采用迭代方法，经过需求捕获-需求整理-需求验证-再需求捕获-需求捕获得到。图

55、3.1 是无桩式公共自行车租赁系统站点的需求用例图。需要系统具备安全可靠机制，确保站点的可靠运营。下面对功能用例进行详细阐述。1. 租车功能：租车用户按下车载终端设备上的租车按钮，语音提示“请刷卡”，用户刷卡后，语音提示“租车成功”，液晶显示屏显示租车时间、租车成功信息，车载锁具打开，租车成功；2. 还车功能：租车用户将车辆还到站点的有效范围内，按下车载终端设备上还车按钮，语音提示“请刷卡还车”，用户刷卡后，语音提示“还车成功”，液晶屏显示还车时间、消费金额、还车成功信息，车载锁具锁住车辆；3. 提示功能：分为语音提示和液晶屏显示两种，提示包括异常操作和网络故障；4. 实时信息获取：运营通过观

56、测当前站点下的车辆数目、车辆状态、异常车辆状态信息。租赁站点必须具备本地能力，能够这些信息，并定时上传；5. 车辆管理：车辆具有唯一标识号，作为运营据。识别车辆、管理车辆的依除上述功能外，作为运营，对车载终端的尺寸和能耗具有如下需求：车载终端要求大小合适，易拆卸，易安装，电量消耗有限，车载终端耗电量足够低，在不更换车载电池的情况下，车载电池的蓄电量足够车载终端使用三个月以上。3.1.2 性能需求分析无桩式公共自行车租赁系统站点处于户外，采用无线方式通信，干扰信号强。站点储车容量需达到 150 个以上，点对点通信直线视距 50 米范围内，丢包率保持在 1%以内，一点（站点控制器）对多点（车载终端

57、设备）通信时，50 米范围内通信成功率达到 99.9%以上，至少能满足 10 名用户在同一时刻进行租还车业务办理，最大通信距离要求在 50 米视距范围内达到可靠通信，无丢包发生，通信距离大于100 米，丢包率保持可控。在功耗方面，站点控制器采用电源供电，无需考虑节能，车载终端采用车载电池供电，电量补充需采用人工更换，车载终端的设计应考虑到节能需求，车载终端在车载电池支持下至少工作 3 个月以上。由于无桩式公共自行车租赁系统站点应用的特殊性，站点控制器直接与车载终端节点通信，站点无线局域网络采用二级结构，无中继节点。由于实时性关系到用户体验，影，要求租还车最长用时在 5响到用户使用率，进而涉及到

58、公司秒以内。以上需求总结如表 3.1 所示。表 3.1无桩式公共自行车租赁系统站点性能需求指标此外，无桩式公共自行车租赁系统的开发还需考虑兼容性、稳定性、可拓展性和安全方面的。1. 兼容性：由于开发目的的特殊性，同一系统兼容有桩式租赁站点和无桩式租赁站点，无桩式公共自行车租赁系统必须与前期有桩式公共自行车租赁系统兼容；考虑到实际运营需求，站点必须易于拓展，储车数量可变，预留系统接口，便于站点改造。2. 稳定性：考虑到站点运行的稳定性，站点设计要求满足全天 24 小时无间断Betn Failure, MTBF)大于 3104 小时，稳定运行，平均故障间隔时间(Me具有重启恢复功能；3. 安全性：

59、安全方面需要采用加密机制，对用户信息和车辆信息进行加密，保证系统具有一定的抵抗能力。单项名称指标要求站点容量=150 个站点控制器节点 1 个车辆允许量不小于 150 辆通信距离=50 米丢包率= 3%=80 米丢包率= 5%=100 米丢包率= 10 个还车用户数同一时刻，还车用户数 = 10 个租车+还车数目同一时刻，租车和还车用户数目总和 = 10 个延时=50 米租还车用时 3s= 80 米租还车用时 5s3.2 无桩式公共自行车租赁系统站点结构设计本设计将无桩式公共自行车租赁系统站点自下而上分解为三层：层、数据传输层和数据处理层。如图 3.2 是无桩式公共自行车租赁系统站点的分层结构

60、。3.2.2 数据传输层数据传输层位于中间层，主要进行无线通信数据的传输，是用户层和数据传输层进行数据交互的桥梁。数据传输层的功能主要是保证无线通信数据的可靠性和安全性，具体分为四种：差错控制、安全处理、信道接入和重传机制。数据传输层主要通过无线通信协议栈来实现。其中差错控制、信道接入和数据重传机制用来保证无线通信数据的可靠性，安全处理用来增加无线通信数据的可靠性。3.2.3 数据处理层数据处理层位于最，是无桩式租赁站点内的数据处理单元，主要负责数据、分析和处理。数据的处理类型很多，本文仅分析租车处理、还车处理、车辆和实时信息获取的处理过程。数据处理层在对由数据传输层传送过来的数据进行分析后，