公共自行车租赁系统混合锁桩设计与实现v1

1、分类号UDC密级公开 D-10617-308-(2016)-01227 TP393 621.3重庆邮电大学公共自行车租赁系统混合锁桩中文题目设计与实现Design and Implemenion of英文题目Mixed Lock Pile for Public BicycleRental SystemS130101079学号姓名工学学位类别信息与通信工程学科专业指导教师2016 年 6 月 13 日完成日期摘要我国“十三五”规划明确“鼓励自行车绿色出行”，公共自行车租赁系统发展前景广阔。我国山西省 XX 市积极推进公共自行车租赁系统建设，运营中发现普通自行车在当地浅丘陵地势上坡骑行。电动助力车

2、具有省时省力的特点，但是系统锁桩无法智能管理电动助力车充电。因此，研究基于电动助力车的充电锁桩，并与一期锁桩混合使用具有重要意义。本文分析了山西省 XX 市一期租赁系统现状，结合当地运营情况，将电动助力车引入二期租赁系统建设，在此基础上提出了租赁系统的整体设计方案。锁桩是租赁系统的前端，为实现用户平稳过度，对一、二期锁桩无缝升级的融合办法进行研究。根据混合锁桩的功能与性能需求，提出混合锁桩总体设计方案，并围绕设计方案对锁桩控制器的软硬件进行详细设计。硬件设计上，为达到通信兼容的目的，选用自带 CAN 控制器的 STM32 作为主控。按照功能模块完成电路原理图和充电锁桩 PCB 板的设计，在 P

3、CB 板设计时考虑器件布局布线和电磁干扰的预防。软件设计上，结合整体结构，在完成开发的搭建和驱动移植的基础上，制定通信协议，并引入管理；同时，详细设计了锁桩更新和租还车流程。当租车或还车过程中出现故障情况时，锁桩将启动异常处理流程。最后，本文对锁桩进行详细测试。根据设计需求搭建测试，测试硬件电路和功能；搭建小规模并发测试，测试 CAN 总线性能。通过现场系统试运营测试，分析并解决了接地和天线调谐关键问题，表明锁桩软件及硬件设计满足运营要求。：公共自行车，STM32，锁桩，CAN 总线AbstractIt is clearly sedt green travel by bike should b

4、e encouragedhe 13th Five-Year Plan in our country, The development prospects of the rental system of public bicycleis broad. The construction of public bicycle rental system is promoted by a city in Shanxiprovince actively. However, it is foundt common bicycles are difficult to riding inlocal hilly

5、area. Although the electric bicycles are time-saving and effort-saving, the lockpile can not manage the charging problem of electric bicycleselligently. Therefore, theresearch on mixing the controller of lock pistage lock pile has great significance.ased on electric bicycles with theThis thesisyzes

6、the current situation of the-stage rental system of a city inShanxi province. Combined with the local operation, the electric bicycles areroducedo the construction in second-stage rental system, meanwhile a holistic design of therental system is proed. Lock pile is the leading end of the system, so

7、the fumethods of theand second stage system for seamlepgrade are also investigated.According to the requirement of Functional and Performance, the design scheme of mixedlock pile is proed, and the lock pile controller of the hardware and software aredesigned in detail. For the pure of compatibility

8、communication in the hardwaredesign, the hardware chip STM32 iected for the master chip. The circuit schematicand the pred circuit board of charging lock pile are designed according to the functionmodules. For the while of designing the board, wiring layout and preventingelectromagneticerference are

9、 also considered.he software design, combined withthe Overall structure of Software platform, the communcation protocols are designedupon the development platform, then the management of information security isroduced. Simultaneously, the pros of the remote update and renting car are designedin deta

10、il. When the fault condition is occurred during the car rental, exception prostarts automatically.singFinally, the lock pile is tested in details. The hardware and the software design of thelock pile are tested by laboratory testing platform. CAN bus performance is tested bysmall-scale concurrent te

11、st platform. The key to the questionst grounding and antennatuning areyzed and are solved through the system trial operation. The test resultsindicatet the design of software and hardware of lock pile can meet the operationrequirements.Keywords: public bicycle, STM32, lock pile, CAN bus目录图录IX表录XIII注

12、释表XV第 1 章 绪论11.11.21.31.4研究背景及意义1国内外发展状况2研究内容3章节安排4第 2 章 公共自行车租赁系统锁桩控制器研究与分析72.1租赁系统研究与分析7基于有桩的租赁系统7基于无桩的租赁系统8现有租赁系统研究9租赁系统整体方案11租赁系统锁桩控制器研究与分析132.22.2.12.2.2锁桩控制器分析13锁桩无缝升级研究14研究16射频识别技术16数据加密技术17更新技术172.32.3.12.3.22.3.32.4本章小结18第 3 章 租赁系统混合锁桩总体设计19混合锁桩需求分析19锁桩控制器功能需求19锁桩控制器性能指标203.23.3锁桩控制器总体方案设计2

13、1锁桩控制器硬件总体设计223.3.13.3.23.3.33.3.4锁桩硬件整体结构设计22充电方式选型23通信方式选型24主要选型25总体设计26整体流程26错峰控制设计27通信协议设计273.43.4.13.4.23.4.33.5第 4 章4.14.2本章小结28混合锁桩硬件设计29混合锁桩硬件详细设计29锁桩硬件电路设计304.2.14.2.24.2.34.2.44.2.54.2.64.2.74.2.8锁桩最小系统设计30射频识别模块31CAN 总线通信模块33PSAM 智能卡接口模块34模块设计35串口通信模块设计35语音模块设计36锁止器控制模块设计374.3PCB 设计分析38PC

14、B 布局设计38PCB 板电磁干扰设计39本章小结404.4第 5 章5.15.2混合锁桩分析与设计41整体结构41锁桩开发搭建425.2.1 STM32 开发搭建425.2.2 底层驱动移植43通信协议设计475.3.1 CAN 总线帧格式设计475.35.3.2串口帧格式设计49管理设计51M1 卡密钥管理设计52CPU 卡读写设计545.45.4.15.4.25.5混合锁桩流程设计565.5.15.5.25.5.35.5.45.5.5更新流程56租车流程59还车流程60异常处理61错峰启动625.6本章小结63第 6 章 混合锁桩测试与验证656.1锁桩硬件测试656.1.16.1.26

15、.1.3硬件电路测试65硬件高低温测试69锁桩功耗测试706.2功能与性能测试716.2.16.2.26.2.3内测72小规模并发测试74系统上线测试766.3测试关键问题和解决办法776.3.1接地786.3.2 天线调谐79本章小结836.4第 7 章 总结与展望857.1 全文总结857.2 展望85参考文献87附录 A附录 B附录 C硬件部分电路图和 PCB91现场实物图95锁桩关键代码97致谢101攻读学位期间从事的科研工作及取得的成果103图录图 2.1图 2.2图 2.3图 2.4图 2.5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

16、图 4.1图 4.2图 4.3图 4.4图 4.5图 4.6图 4.7图 4.8图 4.9有线传输公共自行车租赁系统结构8基于 ZigBee 的公共自行车租赁系统结构9现有公共自行车租赁系统结构10公共自行车租赁系统框图12现场锁桩实物图14独立布局15混合布局15天线等效电路16锁桩整体设计方案21锁桩硬件整体设计框图22ADC 采样的充电设计结构23模块化充电结构24锁桩整体流程26CAN 总线标准帧结构28充电锁桩硬件详细设计框图29电源电路30FM1702SL 硬件连接图31天线设计33滤波电路33CAN 总线收发器设计34PSAM 智能卡接口电路35FLASH模块硬件连接图35显示板

17、与充电板串口通信设计36图 4.10图 4.11图 4.12语音模块硬件连接图37锁止器控制电路38锁桩 PCB 布局39图 4.13图 4.14图 5.1锁桩 PCB 板39天线 PCB 设计40整体结构41图 5.2图 5.3图 5.4图 5.5图 5.6图 5.7图 5.8图 5.9Keil 开发环境42SST25VF040B 时序图43FM1702SPI 时序图44M1 卡操作流程45STM32 与 PSAM 卡连接图46智能卡程序设计流程46CAN 通信协议帧结构48SDU 帧头结构49图 5.10图 5.11图 5.12图 5.13图 5.14图 5.15图 5.16图 5.17图

18、 5.18图 5.19图 5.20PDU 帧头结构49串口通信帧结构50命令体结构51扩展应用文件结构54CPU 卡操作流程55CPU 卡双向认证过程56FLASH 规划57更新整体流程58租车流程60还车流程61锁桩启动顺序62图 6.1图 6.2图 6.3图 6.4图 6.5图 6.6图 6.7测试点物理位置66时钟信号测试66充电板测试.67充电板指令的发送与接收68锁止器开关锁69高低温测试图69功能测试连接图72图 6.8测试环境73图 6.9 租还车功能测试73图 6.10图 6.11图 6.12图 6.13图 6.14图 6.15图 6.16图 6.17图 6.18图 6.19功

19、能测试数据74小规模测试环境75性能测试数据75并发测试数据76现场测试环境77租车时间对比77锁桩板与锁止器烧毁实物图78充电孔78调试的搭建79天线参数调谐流程80表录表 3.1表 4.1表 4.2表 4.3表 5.1表 5.2表 5.3表 6.1表 6.2表 6.3表 6.4表 6.5表 6.6表 6.7表 6.8表 6.9通信方式对比25线圈电感与匹配电容取值32CAN 总线收发器比较34语音比较36CAN 总线速率与通信距离关系47M1 卡扇区划分52M1 卡存取控制参数设置53电源电压测量结果66电池电压与容量百分比68. 70锁桩功耗测试锁桩功耗71天线参数80Cs 参数测试列表

20、81Cp 参数测试列表81大天线 Cs 参数调谐大天线 Cp 参数调谐. 82. 82表 6.10 天线参数83注释表ADC APB2 APDU ARM API CAN CPU CRC DAC FIFO IAP ICID JTAG LCD LSB M1 MSB PCB PDUPSog to Digital Converter，模拟数字信号转换器 Advanced Peripherals Bus，高性能外设总线 ApplicationProtocolDataUnit，应用协议数据单元Advanced RISC Machines，精简指令集计算机Application Programmingerf

21、ace，应用程序编程接口Controller Area Network，控制器局域网Central ProsingUnit，处理器Cyclic Redundancy Check，循环冗余码校验Digital toInputogConverter，数字模拟转换器Output，先入先出In Application Programming，应用编程egrated Circuit，集成电路Identity，标识号码JoTest Action Group，联合测试工作组Liquid Crystal Display，液晶显示器 Least Significant Bit，最低有效位 Mifare1，非接触

22、式Most Significant Bit，最高有效位Pred Circuit board，印刷电路板Protocol Data Unit，协议数据单元urchase Secure Acs Module，销售点终端安全存取模块Ipulse Width Modulation，脉冲宽度调制 Radio Frequency Identification，射频识别Service Data Unit，服务数据单元RFID SDU SPITTLSerial Peripheralerface，串行外设接口Transistor Transistor Logic，逻辑电平USBUniversal Serial

23、Bus，通用串行总线第1章 绪论1.1 研究背景及意义随着我国经济的持续发展，环境问题也日益凸显，快速增长的车在提高居民生活水平的同时，不可避免的造成了交通拥堵、交通事故增多、空气噪声污染等诸多问题。2016 年 3 月，环境问题和交通拥堵再次纳入议程，我国“十三五”规划明确“公共交通优先”、“鼓励自行车绿色出行”，城市公共交通的重要性日益凸显。但是公共交通体系存在短板，其布局和线路规划无法覆盖城市每一1。公共自行车租个角落，在公共交通系统的末端存在出行“最后”赁系统是城市公共交通系统的重要组成部分，是一种智能化的城市公共慢行交通系统2，在城市发展过程中扮演的角色越发重要，已经成为城市基础交通

24、建设中不可或缺的一环，其发展也越来越受到人们的关注。建立城市公共自行车租赁系统，充分利用自行车灵活便捷的特点，实现与公共交通的无缝街接，弥补城市公共交通。有利于城市居民的日常出行效率，缓解因快速城镇化而带来的城市拥堵、空气污染、能源稀缺等问题。在完善整个公共交通系统的同时，为居民解决出”的难题3。行“最后公共自行车租赁系统是指为满足市民日常出行为目的，或某些社会团体在客流集聚地设置租还车点，随时为普通市民提供自行车，并包括与此项服务相配套的硬件和系统的城市交通系统4。公共自行车作为一种“零污染、零排放”的绿色交通工具，其道路占地小、易存放且低碳、环保，不受交通拥堵的影响，是缓解交通压力，减少环

25、境污染，解决市民出行的有效途径5。公共自行车在方便市民出行的同时，极大地推动着城市节能减排。例如：一辆普通自行车日均租用 8 次，每次骑行 3 公里，8000 辆公共自行车骑行距离 8000辆8 次3 公里=192000 公里。每辆车耗油量约 0.06 升/公里，公里行程耗升燃油，全年节省燃油量 11520 升/天365 天=4204800 升。根据 BP中国碳排放量计算，减排量为 0.627 千克/升，4204800 升燃油量碳减排量4204800 升0.627 千克/升=2636.4096 吨。电动助力自行车是使用清洁能源的交通工具，相对于普通自行车，除了拥有同样的环保利益之外，还具有省时

26、省力的特点，所以电动助力自行车相对于普通自行车更受市民欢迎。“公共自行车车公共自行车”有效便捷地运转，在方便市民出行的同时，能缓解交通拥堵和降低环境污染，提高城市品位6, 7。因此，研究设计便快捷和智能充电管理的公共自行车租赁系统具有重要意义。1.2 国内外发展状况公共自行车自诞生以来，共经历了三个阶段，第一阶段被称为免费自行车系统，于欧洲，自行车停放，免费供人们使用，但是运行效果不尽人意；第二阶段为投币式自行车系统，给自行车加锁，增加了自行车安全性，以投币方式租用自行车，由于不限制使用时间，时常出现无车可租的现状；第三阶段为高新技术支撑的公共自行车租赁系统，自行车停放在特定站点，以押金担保的

27、方式保证车辆安全，运用计算机、无线通信和互联网技术实现数字化管理和运营8。公共自行车系统诞生于 1965 年的荷兰，大力倡导自行车交通，鼓励公共自行车与公共交通衔接，部分城市的自行车承担了 40%的交通压力，在 4 小时内免费骑行，是最早建设自行车道的国家。丹麦的首都以注重绿色出行而闻名，城市自行车拥有量已超过总人口数，是名副其实的“自行车之城”。“自行车共享”方案将城市自行车纳入公共自市民使用公共自行车作为交通工具9。行车租赁系统，其中 36%丹麦2007 年创建黎自行车服务系统 Velib 具有世界最高的用户使用率，仅运营第一年便超过 2 千万人次使用，年均利润达 3 千万净收益的公共交通

28、项目。，是法国唯一赚取稳定我国普及最广泛的代步交通工具是自行车，公共自行车租赁系统却起步较晚，直到巴黎推行自行车租赁服务，公共自行车才逐渐进入国内是我国最早出现公共自行车的城市，由于发展缓慢，没有推动租赁系统的发展；杭州于 2008 年试运营公共自行车系统10，建设服务网点 61 个，供骑行公共自行车 2500 辆；至 2015年服务点数量迅速扩建至 2900 多个，自行车 69750 辆。此外，该地区将自行车作为一种文化，在“无车日”当日免费骑行公共自行车。江苏、山东和浙江等省份积极推行公共自行车系统，大力宣扬“低碳出行，绿色环保”的。各地级城市也纷纷效仿，山西省太原市于 2012 年成功打

29、造“太原模式”的公共自行车租赁系统；济南市第十五届人民第五次会议指示：“2016 年全市建设公共自行车租赁系统，方便市民出行”；同年 2 月，市中心城区公共自行车项目获得批准审定和实施。去年年底以“互联互通、共享共治”为的世界互联网大会成功召开，随着“互联网+”时代的到来，多个城市以移动互联网技术为基础推出了“扫码租车”的城市公共自行车系统，成功实的发展11, 12。现多地租赁系统互联互通，推动“”1.3研究内容本课题来源于校企合作项目：“山西省 XX 市公共自行车租赁系统开发项目”。2013 年 11 月 18 日，一期租赁系统正式投入运营，共建设站点 130 个，锁桩 6500个，公共自行

30、车 5000 辆。根据运营情况的分析，在市中心地带满车率为 85%（某站点满车率高于 75%就认定为此站点租还车），在上下班时段经常租还车难的情况，造成这种租还车压力的主要原因有两方面。一方面，该地区属于丘陵地带，东西两头地势较高，市民从高至低下滑骑行，自行车一般都停放在成熟中心的平缓地区；另一方面，在密集区受到建设场地的受限，自行车锁桩的建设，也是导致租还车难的重要。本文在研究国内外公共自行车租赁系统基础上，分析了山西省 XX 市一期租赁系统现状。在主城区浅丘陵地貌，普通自行车上坡骑行，引入电动助力车助力骑行，减少调度对公共自行车的损坏。在此基础上，提出了二期公共自行车租赁系统设计方案。包括

31、管理系统、通信服务器、站点管理箱、锁桩和公共自行车，二期规划建设公共自行车站点 95 个，电动助力自行车 3000 辆，电动充电锁桩 4500个。本课题主要完成租赁系统混合锁桩的设计，混合锁桩包括普通锁桩和充电锁桩。本课题主要研究内容如下：1. 了解国内外公共自行车租赁系统的发展趋势及工作原理。熟悉租赁系统的体系结构，分析混合锁桩的实现原理，研究本课题，并结合实际给出租赁系统混合锁桩的设计方案。2. 混合锁桩设计。混合式锁桩包括普通桩和充电桩，是基于微处理器的设计，与站点采用有线的方式通信，用于固定和管理自行车，保障车辆安全。普通自行车与电动助力车均能在混合锁桩实现射频卡片交叉租还，对租还操作

32、提供语音提示和界面显示。其中，充电桩对电动助力车进行电量检测和充电管理。根据锁桩功能需求给出锁桩各功能模块硬件设计方案，完成原理图的设计、PCB（PrCircuit Board，印制电路板）的绘制以及制板。ed3.管理。采用性好的 CPU（Central ProsingUnit处理器）卡作为用户卡，设计基于 CPU 卡的用户认证和交易流程，保证用户和财产安全。利用 M1（Mifare1，非接触式）卡扇区密钥的独立性，加强卡密钥管理，将卡密钥与卡片动态数据关联，使用动态密钥对 M1 卡加密，为 M1 卡的消费提供安全应对举措，保障。4. 混合锁桩测试。搭建租赁系统测试，根据系统流程对锁桩进行整体

33、测试。测试时编写测试案例，在不同的工作环境测试系统功能，并给出。1.4 章节安排本文主要工作是公共自行车租赁系统混合锁桩的设计与实现，通过分析当地地理环境与骑行，整合并重组原有系统资源，将电动助力车引入租赁系统，提出了混合锁桩设计方案。详细的章节安排如下：第一章，绪论。介绍本课题研究背景及意义，阐述了国内外租赁系统发展现状和本文主要研究内容。第二章，公共自行车租赁系统锁桩控制器的研究与分析。分析一期租赁系统的组成与，提出了二期公共自行车租赁系统设计方案。在此基础上，针对本文重点研究的锁桩控制器提出了无缝升级的融合办法。第三章，租赁系统混合锁桩总体设计。根据混合锁桩的设计需求，给出锁桩控制器总体

34、设计方案，重点对充电桩软硬件进行总体设计，并结合设计需求对主要芯片选型。第四章，混合锁桩硬件设计。按照模块化设计完成了最小系统与功能模块电路的详细设计，说明了PCB 设计时的注意事项，给出了IC（ egrated Circuit，集成电路）卡天线 PCB 设计要点，使其具有良好的性能。第五章，混合锁桩分析与设计。首先搭建开发，移植各功能模块驱动；然后定制通信协议，确保数据上行与下行的安全，设计安全管理机制保证用户信息与安全；最后详细介绍用户租还车流程，利用通信链路实现更新。第六章，混合锁桩测试与验证。主要完成对硬件的搭建与测试，小规模内测功能，在实际运营环境测试系统性能，针对测试中的关键问题给

35、出解决办法，完善设计方案。第七章，总结与展望。对本文研究内容进行总结，并对后续工作进行展望。第2章 公共自行车租赁系统锁桩控制器研究与分析公共自行车租赁系统作为一种“绿色、低碳、环保”的交通系统，每年都在大力投资建设，租赁系统成为公共自行车稳定运行的关键。本课题以山西省 XX 市一期系统为基础，为实现电动助力车的租还车和充电管理，提出了二期公共自行车租赁系统整体方案。分析了原系统锁桩控制器存在，针对电动助力车的需求，提出混合锁桩的设计，通过无缝升级平稳过度至混合锁桩。2.1 租赁系统研究与分析目前的租赁系统已不是简单的“自行车+租赁”，而是集成众多先进技术的创新系统。有基于 485 或 CAN

36、（Controller Area Network，控制器局域网）总线的开放式锁桩管理模式13和基于车头锁的集中式无桩管理模式14。2.1.1 基于有桩的租赁系统有线传输租赁系统的主要组成部分包括锁桩、站点管理箱和服务器，锁桩与站点采用 RS485 或者 CAN 总线等方式实现信息交互，站点作为中转站通过互联网上传至服务器。有线传输公共自行车租赁系统结构图如图 2.1 所示。在城市特定地区设置若干个站点，每个站点下设若干个锁桩，采用一车一桩式设计，一个锁桩控制着一辆自行车，自行车类型有普通的人力自行车、电动自行车或助力自行车。有线传输公共自行车租赁系统工作流程如下：搭建租赁锁桩、站点、服务器的通

37、信连接。管理系统新建并配置租赁站点信息，锁桩向站点主动发起请求，站点下发锁桩状态与配置参数。锁桩感应射频卡并获取卡内数据，根据拟定的通信规则请求站点租车鉴权，鉴权通过允许用户租车，租车写入用户卡，检测车辆离开后发送至站点处理；还车时卡状态更改为未租，同时向站点发送还车。站点对接收的租车和还车刷卡进行临时，分时段发送至服务器；站点将数据以界面形式呈现，方便用户和管理及时查看。设置若干租赁，提供免费或者象征性的公共自行车，在任意服务站点通租通还。租赁系统包括租赁和服务器，其整体结构如图 2.3 所示。租赁包括锁桩、站点和公共自行车。公共自行车为普通人力自行车，锁桩为双立柱锁柱，采用一车一桩模块设计

38、。锁桩不仅用于锁车，还安装有读卡装置和显示模块，与站点通过 CAN 总线方式进行用户信息交互。在锁车时，将车辆推入锁桩，读卡装置车辆信息和用户卡片信息，计算借车用时和费用，并通过语音提示操作流程，LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）显示操作状态。站点安放在站点管理箱，具有显示屏、刷卡装置、键盘等设备，用户可在站点处查询租还车状态和消费金额等信息。站点通过总线与锁桩进行数据通信，收集车辆和锁桩信息，并对用户租还车信息进行分析、处理和转发。服务器负责系统数据汇集，主要实现租赁站点管理、自行车管理、用户信息管理、租还车信息统计与分析、车辆调度等功能。个锁桩停启用。锁桩停

39、用时，只允许用户还车，不能租车。当站点遭遇停电的突发情况时，一段时间内仍能允许用户还车。2.1.4 租赁系统整体方案为了满足当地浅丘陵地势市民骑行的需要，将电动助力车和充电管理融入租赁系统，实现普通自行车与电动助力车的多样性租还。本文提出了两种建设方案：1. 独立一期建设重新搭建租赁系统，与现有系立运行，在过度至二期系统时，需要重新办理用户卡，用户卡无法交替使用。此方案的优点：将现有租赁系统与二期系统完全分离，系统搭建容易，无系统兼容性问题；此方案的缺点：数据无法共享，独立使用用户卡。2. 系统改造升级以现有硬件环境为基础，对现有系统升级改造，设计系统结构，改进锁桩与站点功能，设计充电锁桩对电

40、动助力车充电。通过升级用户卡实现用户数据写入，达到已发四万余张用户卡重用的目的，节省发卡成本。此方案的优点：节省建设成本，用户平稳过度，不受升级影响；此方案缺点：系统建设周期长，开发难度大。综合分析以上两种设计方案，综合考虑使用、管理难度和成本等，升级改造一期现有系统，整合软硬件资源属于最优方案。结合目前租赁系统现状与建设方案，提出了本课题公共自行车租赁系统整体结构，如图 2.4 所示。包括理系统、站点管理箱、锁桩和公共自行车。下面分别介绍。管1.管理系统服务器、WEB 服务器、通信服务器、管理系统主要由数据库服务器车辆、租赁业务管理系统组成。服务器主要负责用户数据的，通讯服务器是系统数据传输

41、的桥梁，是整个系统的数据处理中心；车辆管理多个租赁站点，实现公共自行车的调度和管理；租赁业务管理系统提供发卡、充值等日常租赁业务。2. 站点管理箱站点管理箱作为锁桩与管理系统联系的桥梁，提供用户操作和数据处理两部分。用户操作部分提供用户日常操作，如查询、挂失、修改等功能；数据处理则提供对管理系统及锁桩端发来的数据处理功能，包括正常处理与异常处理两部分，保证数据准确可靠。3. 锁桩锁桩是租赁系统前端，直接面向租车用户，提供用户刷卡区和显示界面。还车时负责自行车锁止，租车时自动开锁，同时伴有语音提示和屏幕显示。混合锁桩体现在普通桩与充电桩的有机结合，普通桩由原系统锁桩经升级改造而来，新建锁桩均为充

42、电桩，充电桩引入充电管理功能，自动管理电动助力车充电。本文重点研究混合锁桩的设计与实现，是整个公共自行车租赁系统的前端和数据来源，兼备射频识别、语音播报、屏幕显示、车辆锁止和充电管理功能，具有建立站点时对其自动，站点通过 ID通用性强，扩展性广的特点。车辆（Identity，标识号码）标识管理锁桩。本文所设计的混合锁桩是基于有线传输的设计，充分利用 CAN 总线的自愈能力，在高通信速率下成功实现大容量节点的搭建。2.2 租赁系统锁桩控制器研究与分析2.2.1 锁桩控制器分析一期系统锁桩为双立柱锁柱，是针对普通自行车的租赁。随着生活节奏的加快，普通自行车已经市民骑行的需求，将电动助力车融入租赁系

43、统，应对当地丘陵地势市民上坡骑行难。普通自行车与电动助力自行车在锁桩交替使用，虽然普通桩能实现混合自行车的通借通还，但是存在以下难题：1. 充电管理目前，锁桩只能对普通自行车实施租赁和管理，用户无法根据应用场景的需要车辆类型。电动助力车具有省时省力的特性，其运营关键是对车辆的充电。锁桩根据车辆的电池电量来判断是否对其充电，若电量饱和则不充电，反之则充电。普通桩能租还电动自行车，却无法实现电动助力车的充电功能。因此，充电管理是升级普通桩首要解决的难题。2. 用户感知市民骑行时根据电池电量预估车辆骑行距离，距离较远时租用电量充足的车辆，一期现有锁桩采用数码管按位显示用户金额、锁桩状态等信息，基本满

44、足普通车用户使用的需要，却无法实现电量百分比的直观显示；语音提示能用户感知，增加助力车提示语音也是锁桩设计考虑之一。3. 车辆安全电动助力车建设成本相对较大，目前租赁系统采用 M1 卡作为用户租赁卡和车辆信息卡，卡内信息容易被篡改，卡片密钥管理机制不够完善，无法保证用户和车辆，增加了车辆管理的。此外，普通锁桩固定，管理系统只对单个站点拥有管理能力，无法动态管理单个锁桩。图 2.5 展示了空桩与有车在桩实物图，锁桩印制在显示面板，安装时根据物理位置按序布置。图 2.5 现场锁桩实物图针对电动助力车充电管理问题，本文提出了充电解决办法，设计充电锁桩实现充电控制与管理。同时，更改显示控制，增加语音提

45、示，用户感知；用户卡使用 CPU 卡，对原系统中 M1 卡升级加密，保障车辆安全。普通自行车和电动助力车能在普通桩与充电桩交叉借还，电动助力车还入普通桩，普通桩提供车辆管理与控制，与普通车租还方式一致。普通车归还充电桩，首先充电桩检测车辆类型，认定为普通车后关闭电量检测与充电功能，负责车辆安全管理与租借。用户卡升级是实现租赁系统平稳过度的基础，保证已发用户卡在充电锁桩正常使用。2.2.2 锁桩无缝升级研究租赁系统平稳过度，不影响当前系统运营，与无缝升级的相互吻合。充电锁桩是二期系统建设的目标，充电锁桩与普通锁桩在租赁系统混合搭建，实现一期与二期系统相互融合是二期系统建设的关键。锁桩是租赁系统的

46、前驱，普通桩与充电桩的融合是实现用户平稳过度的重点。为了确保用户信息与安全，不受系统升级影响，达到平稳过度的目的，本文提出了两种融合布局的方案：1. 独立布局保持原有租赁站点与锁桩设施，规划建设二期充电锁桩与站点，普通锁桩的站点与充电锁桩的站点独立运营，充电站点独立布局如图 2.6 所示。独立布局的优点是锁桩的建设相对独立，与站点的通信方式多样化充电桩对普通桩的干扰；缺点是站点布局受限，充电桩无法均匀分布，用户还车站点均为普通桩时，电量较低的助力车必须调度至充电桩充电，增加了调度任务。启充电功能，电量满时自动断开充电，充电阈值由站点动态配置。另一方面，普通车与电动助力车的混合，保留原有普通自行

47、车的使用，应对丘陵地势推行电动助力自行车助力骑行。再者，普通用户卡与的混合，使用更加安全的作为用户卡，保障用户与，原系统用户卡正常使用。2.3研究用户与车辆信息于，无线射频识别技术通过读写用户信息，用户使用实现车辆的借还，进而实现无人值守的车辆租还方式。为了确保卡片，采用数据加密技术对卡内数据加密。同时，为了降低难度，达到省时省力的目的，站点具备更新锁桩的能力。下面分别对以上关键技术进行研究。2.3.1 射频识别技术本系统涉及不同类型的读写，必须具备识别卡类型的能力，在锁天线设计是射频识别的关键。天线线圈等效电路如图 2.8桩狭小应用环境，所示16。图 2.8 天线等效电路此2.4 本章小结本

48、章首先分析了现有租赁系统属于有线传输方式的设计，针对系统运营现状，提出了系统升级改造方案，并详细介绍本系统整体架构；然后针对系统锁桩存在的问题，提出了混合锁桩的设计，即本文研究重点；最后对锁桩设计中使用的关键技术进行研究。第3章 租赁系统混合锁桩总体设计公共自行车租赁系统中混合锁桩的设计是本文研究的重点，本章主要完成混合锁桩的整体设计，实现普通自行车和助力自行车的通借通还。结合租赁系统应用场景，在混合锁桩需求分析基础上给出了混合锁桩设计的总体方案。混合锁桩包括普通锁桩和充电锁桩，普通锁桩主要负责：车辆管理，卡片识别，信息交互，操作显示；充电锁桩新增智能化充电管理功能。3.1 混合锁桩需求分析3

49、.1.1 锁桩控制器功能需求本系统对山西省 XX 市公共自行车一期租赁系统升级改造，并平稳过度至二期系统。锁桩处于租赁系统前端，是系统平稳过度的基础。原租赁系统锁桩功能描述如下：正常租还车：实行全天 24 小时运营，用户随借随还。普通用户卡只能租借普通自行车，拥有租用电动助力自行车的权限。调度上下架：车辆根据车辆使用情况，制定并下达调度任务，调度人员持调度卡对车辆上下架。锁桩停启用：应对恶劣天气，针对某个或多个锁桩停启用，锁桩停用后只允许还车，不能借车。语音播报与屏幕显示：提示用户使用车辆的步骤，用户依据语音提示借还车。刷卡还车时显示用户余额和扣款金额。分时段自动调节音量大小与屏幕背光。二期系

50、统锁桩除兼容一期锁桩已有功能外，为实现用户租还方式多样化，即使用户还车未刷卡，再次租车时也能自动；用户卡为时，才拥有租还电动自行车的权限。此外，对电动助力车提供智能化充电管理功能。根据混合式锁桩功能需求分析，本混合锁桩的设计应具备以下功能：1. 混合锁桩需要配置和天线，用于识别和读写车辆和用户信息，用户使用射频卡租还车。2. 锁桩与站点采用有线方式通信，充电桩设计 CAN 总线通普通桩通信方式；口，用于兼容3. 保证停电后锁桩能够正常使用，采用 UPS 电源供电，确保锁桩与站点独立工作，在停电后一段时间仍能还车。4. 依据用户操作音与文字的双重提示。与流程，定制音频文件与显示字幕，给用户提供声

51、5. 锁桩支持用户刷卡还车和还车不刷卡，做到还车未刷卡用户的自动识别和消费扣款，不影响正常租车。6. 依据用户类型划分使用权限，以用户卡数据为基准，普通用户卡仅能租车一次，管理权限的调度卡具有下架多辆自行车的权限。7. 对站点下所有锁桩，由站点管理当前锁桩状态与规模，锁桩收到站点停启用命令时，执行相应操作，由此实现锁桩动态管理。3.1.2 锁桩控制器性能指标混合锁桩包括普通桩与充电桩，普通桩满足功能需求，充电桩在满足功能需求的同时，达到如下性能指标。工作电压：锁桩供电电压：+24V 5%。助力自行车充电电压：+36V 5%。高温测试：（-302），2h（低温低温测试：（702），2h（高温）。

52、）。湿度测试：（402），90%-96%，48h（恒定湿热）。工作温度：（-105 -405）。读卡正确率：99.7%，测试租还车 1000 次，成功租还车 997 次。同时租车数 20 名人。租还车感应时间：600ms。读卡距离（在桩）：10mm。静态功耗：6W （24V0.25A）。锁桩数量（同一站点）：100 个。锁桩供电功率（同一站点）：800W。 充电功率：800W。 锁桩板机械尺寸：100mm100mm。3.2 锁桩控制器总体方案设计本文根据站点处锁桩无缝升级的整体部署，结合混合锁桩在功能与性能的特殊需求，设计混合锁桩整体结构，如图 3.1 所示。模块工作，具备卡片识别、车辆管理、

53、充电管理、操作提示以及数据处理功能。卡片车辆与用户信息，读卡设备获取卡片数据；锁桩设备临时缓存配置信息，控制信息来源于站点，通信模块接收操作指令，根据约定的通信协议，应用程序通过协议规范与外部通信，传递租还车和调度。锁桩腔体与外形的工艺设计，电量板智能充电保护，锁止器锁舌控制以及电动助力车无刷无霍尔电机的工作原理是锁桩设计的一部分，但并非本文的研究内容，本文主要研究锁桩板的软硬件设计。3.3 锁桩控制器硬件总体设计3.3.1 硬件整体结构设计从混合锁桩总体设计方案知，混合锁桩由硬件和两部分组成。普通桩只针对功能设计，充电锁桩包括硬件设计部分，其硬件整体结构如图 3.2 所示。无人值守的关键；通

54、过安全模块对加密、，确保用户信息和安全；电动助力车嵌入租赁系统的难点是电池充电，电量检测模块检测电池电量，针对环境温度智能调节充电功率；通信模块设计的目的是实现与站点数据交互，验证用户卡信息的和一致性；提示模块包括语音和显示模块，用户租还车操作的同时提示操作状态；双立柱锁桩通过两锁棒锁止自行车，采用主、副方式区分锁止器位置；最小系统包括微处理器、时钟、电源、复位、电路，以上功能模块由最小系统控制与管理，共同完成租车、还车、上架、下架功能；直流输入电源经电源转换为模块供电，是模块工作的基础。3.3.2 充电方式选型1. 基于 ADC 采样的充电设计基于 ADC（og to Digital Con

55、verter，模拟数字信号转换器）采样的充电设计方案，充分利用处理器自带的 ADC 转换器资源，电池正、负两极经过运算放大器输入 ADC 接口来获取采样值，并对采样值校正，摒弃误差。按照电池电量与容量的关系曲线绘制充放电曲线图，由采样值计算得出电池容量。此外，处理器自身需要具备门限、充电控制的能力，高于充电阈值时关闭充电，低于此门限后使能充电。ADC 采样的锁桩充电设计方案如图 3.3 所示。(1) 锁桩集成电量检测与充电控制的同时，硬件设计上增加自我保护电路，在保护前级（锁桩板）的同时，避免后级（充电设计）对前级的影响。(2) 在充电过程中自动检测环境温度，根据温度对电池的影响，切合电池状况

56、调节充电方式（恒流恒压、小电流和（温度过高或过低，电池自动保护）充电）。2. 基于充电模块的设计将充电控制模块化设计，规定锁桩板与充电模块的通口。锁桩通过通口配置高低阈值，由充电模块对采样值进行拟合，经充放电曲线比对后返回容量百分比，充电模块比对当前电量与阈值，管理充、掉电。充电模块化设计如图 3.4所示。网络吞吐量较低，通信实时性较差，从节点与从节点通信难度大。此外，RS485 网络中只允许一个主节点，当主节点故障时，导致全网故障。CAN 总线采用多主从结构，任意节点控制器具备网络错误检测能力，CAN 节点故障时，故障节点自动关闭，总线其他节点不受故障节点影响。CAN 总线与 RS485 现

57、场总线对比如表 3.1所示。表 3.1通信方式对比RS485CAN技术指标传输距离 总线利用率网络特性 容错能力较远低一主多从无远 高 多主高CAN 总线与 RS485 现场总线拓扑结构一致，在相同传输速率时，CAN 总线传能力强、总线利用率高等优势19。此外，从通输距离更远，具有组网灵活、信方式的兼容性考虑，选用 CAN 总线通信。3.3.4 主要选型在天线设计上，为达到租车时间现有锁桩板通过并口控制读卡，采用单天线设计，通过继电器切换大小天线。优点：在物理上杜绝大小天线的干扰。缺点：租车时继电器切换 2 次，导致租车时间延长。本项目设计中对用户租车时间提出明确要求，保证租车时间600 毫秒

58、。使天线设计，通过改写寄存器切换大小天线，缩短租车时间。本设计选择 SP（I Serial Peripheralerface，串行外设接口）方式控制的 FM1702读卡，目的在于减少主控引脚资源。该具有工作电压范围宽，封装尺寸小，易于控制特点，非常适合的开发。3.4 锁桩总体设计3.4.1整体流程锁桩根据车辆在位情况执行租车或还车流程，如图 3.5 所示。车辆离桩（被用户借离或调度下架），用户或调度能在空桩归还车辆；车辆在桩，依据锁桩停启用状态设置锁桩租车权限，启用状态下用户能实现租车操作，停用状态下，能由站点启用并进入租车流程，否则只能处于停用状态；在租车或还车过程中出现故障，经异常处理向站

59、点上报故障原因，告知维修处理。锁桩启用：此状态能正常租还车。异常处理：锁桩处于故障状态，主站点上报异常情况。3.4.2 错峰控制设计1. 启动错峰控制错峰机制是保障功耗需求的重要，在满足总功耗的同时，瞬态功耗也要满足设计要求。锁桩启动时，同时竞争电源的功率资源，此时，锁桩功率损耗超过了总功率，出现相互争抢能量的现象，导致锁桩工作电压不稳定，站点瘫痪。为此，设计锁桩错峰启动过程很有必要。为解决上述问题，锁桩板在启动时利用错峰机制（按照某种顺序错开期）依次启动外设模块，错开时段能量的消耗。2. CAN 总线发送错峰控制根据 CAN 总线通信控制协议的特点与实际运用的需要，确保时期能同时租还车，需要

60、在设计之初考虑到锁桩设计之中。错峰机制是保障 CAN 总线稳定通信的重要，首先需要提高 CAN 总线容错能力，利用错峰机制以时间换效率，当 CAN 总线发生时，延时发送数据，惩罚节点，延时惩罚时间与锁桩关线时，逐位仲裁机制允许高优先级节点发送报文，高优先级锁桩发送失败后给予更高的延时惩罚，进而实现与逐位仲裁机制的时间均衡。3.4.3 通信协议设计1. CAN 总线数据传输协议本系统中锁桩与站点通过 CAN 总线组网，根据 ISO11898（1993）标准，CAN从结构上分为物理层和数据链路层。总线节点不分主从，在总线空闲时，网络上任其他节点发送信息，ID 较小节点具有较高优先级，优先发送报时采