楊 帆 ，蘭傳博 ，高俊林 ，劉 圓

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430073；2.湖北省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430073）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城市變得越來(lái)越擁堵，空氣質(zhì)量也變得越來(lái)越差，造成這些現(xiàn)象的主要原因之一便是汽車的不斷增多[1]。因此社會(huì)各界均在大力倡導(dǎo)更多地使用低碳環(huán)保的出行方式，自行車便是其中的首要選擇。公共自行車租賃系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)運(yùn)行了很長(zhǎng)一段時(shí)間，并且事實(shí)證明該系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)于環(huán)境的保護(hù)和提高市民的身體素質(zhì)都有積極的作用。所以國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的政府開(kāi)始在自己的城市中運(yùn)行公共自行車租賃系統(tǒng)，市民在本城市的租借網(wǎng)點(diǎn)之間使用自行車幾乎是免費(fèi)。由于此項(xiàng)公益事業(yè)在國(guó)內(nèi)開(kāi)始的時(shí)間不是很長(zhǎng)，公共自行車就遭受不同程度的損壞，甚至有人把自行車借出去后不歸還等一系列問(wèn)題。因此在很多城市公共自行車租賃系統(tǒng)的運(yùn)行是失敗的。本設(shè)計(jì)中的公共自行車租賃下位機(jī)系統(tǒng)會(huì)將IC卡與其身份信息聯(lián)系起來(lái)，并且根據(jù)真實(shí)生活來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在給市民帶來(lái)便捷的同時(shí)，保證國(guó)家財(cái)產(chǎn)的安全[2]。

1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

自行車租賃系統(tǒng)主要包括上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)2部分，這里只針對(duì)下位機(jī)進(jìn)行研究。本設(shè)計(jì)將以MSP430F149單片機(jī)為核心對(duì)公共自行車租賃系統(tǒng)的下位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。如圖1所示是本次設(shè)計(jì)的下位機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 下位機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the lower computer

該系統(tǒng)采用一臺(tái)電腦作為上位機(jī)來(lái)與下位機(jī)進(jìn)行通訊，在周期內(nèi)依次對(duì)下位機(jī)進(jìn)行查詢，檢測(cè)其狀態(tài)是否正常。下位機(jī)在該系統(tǒng)中每一次接收到有借車或者還車的信號(hào)，都會(huì)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，以此來(lái)智能化進(jìn)行自行車的租借。直流電機(jī)收到借車信號(hào)時(shí)給自行車解鎖，收到還車信號(hào)給自行車上鎖。光電傳感器檢測(cè)自行車鑰匙和鎖頭的完整，然后將采集到的各類信息傳送給控制器，以此檢測(cè)自行車的狀態(tài)。當(dāng)借車者刷IC卡后系統(tǒng)會(huì)迅速驗(yàn)證其身份，以此決定本次借車是否能成功[4]。

如圖2所示是借、還自行車的總體流程圖。系統(tǒng)對(duì)下位機(jī)的周期查詢是一直進(jìn)行的，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后查詢ID卡信息和鑰匙狀態(tài)，最后查詢直流電機(jī)位置。借車開(kāi)始，系統(tǒng)先檢測(cè)此IC卡是否符合借車條件，如果通過(guò)檢測(cè)，提示借車成功，請(qǐng)取車；如果此IC卡不符合借車條件，語(yǔ)音提示請(qǐng)稍后借車。從圖2中還可以看出還車過(guò)程和借車過(guò)程的主體循環(huán)一樣，不同之處就在于選擇是否是還車。如果選擇還車，插入鎖頭然后查詢各個(gè)部分無(wú)誤，語(yǔ)音提示還車成功；如果不是還車，則循環(huán)下一次系統(tǒng)查詢。

圖2 借、還自行車總體流程Fig.2 Total flow chart of borrow and return the bike

2 各模塊的功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 控制模塊的設(shè)計(jì)

如圖3所示是下位機(jī)控制模塊硬件原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 控制模塊硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the control module hardware

上圖中對(duì)應(yīng)的實(shí)際操作中傳感器檢測(cè)到信號(hào)輸入引腳是P5.0～P5.3，音頻輸出引腳是P1.0～P1.4，CAN總線連接引腳是P1.5～P1.7以及P2.0～P2.2，IC卡信息引腳是 P6.3～P6.7，ID卡信息輸入引腳是P4.0～P4.2，LED 顯示引腳控制是 P5.4～P5.6，串口通信引腳為P3.4和P3.5，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)引腳為P4.4～P4.7，P3.2腳為看門狗定時(shí)器喂狗輸出腳。此外還有一些控制部分接到對(duì)應(yīng)控制引腳上。

MCU要與收發(fā)器進(jìn)行雙向通信，將其他模塊采集的信息傳送給收發(fā)器，然后將收發(fā)器傳送的信息轉(zhuǎn)換為控制指令，并根據(jù)指令控制模塊正常運(yùn)行。因此，控制模塊與系統(tǒng)各個(gè)部分之間的電氣原理框圖如圖4所示。

圖4 控制模塊電氣原理框圖Fig.4 Block diagram of the electrical control module

2.2 鎖頭模塊設(shè)計(jì)

在該模塊中，光電傳感器用來(lái)檢測(cè)鑰匙和鎖頭是否在機(jī)箱中，以此來(lái)確定自行車的狀態(tài)[5]。ID卡用來(lái)記錄該輛自行車的信息，每張ID卡和每輛自行車一一對(duì)應(yīng)。只要在系統(tǒng)運(yùn)行中，主機(jī)都會(huì)定時(shí)循環(huán)檢測(cè)每個(gè)機(jī)箱，對(duì)ID卡、鑰匙、鎖頭的狀態(tài)信息進(jìn)行檢測(cè)，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在借車環(huán)節(jié)中，當(dāng)鑰匙和鎖頭被拔出機(jī)箱，傳感器也會(huì)立即將此狀態(tài)上傳。在還車過(guò)程中，當(dāng)還車者將自行車的鑰匙、鎖頭插入機(jī)箱后，光電傳感器立即將其檢測(cè)到，然后將信息上傳給上位機(jī)，在確認(rèn)無(wú)誤之后，保存該車的信息，提示還車成功[6]。如果沒(méi)有檢測(cè)到ID卡或者光電傳感器沒(méi)有檢測(cè)到鑰匙或者鎖頭的信息，本次還車是不能正常進(jìn)行的。

如圖5所示為系統(tǒng)對(duì)鎖頭模塊的周期性查詢，每一個(gè)部分在不同時(shí)刻狀態(tài)都可能不同，因此該查詢是持續(xù)進(jìn)行的。只有其中的檢測(cè)元件高效、準(zhǔn)確地工作才能確保整個(gè)系統(tǒng)正常工作下去。首先查詢有無(wú)ID卡，如果有則此ID卡的數(shù)據(jù)就等于查尋值；如果沒(méi)有ID卡，則該自行車的ID卡數(shù)據(jù)將清零。之后查詢有無(wú)鑰匙，查詢結(jié)果在有和無(wú)的狀態(tài)下分別置1和0[7]。

圖5 初始化過(guò)程中檢測(cè)ID卡和鑰匙的狀態(tài)Fig.5 In the process of initialization to detect the state of ID cards and keys

2.3 直流電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

直流電機(jī)模塊在本設(shè)計(jì)中，借車流程收到開(kāi)鎖信號(hào)電機(jī)左轉(zhuǎn)給自行車及時(shí)解鎖；還車流程收到還車信號(hào)電機(jī)右轉(zhuǎn)給自行車及時(shí)上鎖。在此模塊中主要用到了光電傳感器和直流電機(jī)[8-9]。傳感器是用來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位置，以此來(lái)確定自行車是否上鎖，如果上鎖，是否是安全狀態(tài)；電機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸對(duì)自行車進(jìn)行上鎖和解鎖，還車時(shí)接收到控制信號(hào)電機(jī)右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸伸長(zhǎng)將鎖頭固定，完成對(duì)自行車上鎖；借車時(shí)則電機(jī)左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸后縮，鎖頭便能拿出機(jī)箱，完成自行車解鎖。

圖6 借車、還車流程Fig.6 Process of borrow and return the bike

2.4 IC卡模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

IC卡是要通過(guò)讀卡來(lái)獲取其中的信息，然后上傳給數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，發(fā)送命令，再由執(zhí)行器執(zhí)行命令中包含的動(dòng)作，以達(dá)到人們想要的結(jié)果。

在公共自行車租賃的下位機(jī)系統(tǒng)中，采用了應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀寫(xiě)卡芯片RC522。IC卡模塊只用于市民借車環(huán)節(jié)中，還車時(shí)不用刷卡。借車時(shí)，市民先將自己的IC卡在機(jī)箱上的IC卡讀卡機(jī)上刷一下，當(dāng)讀卡成功后，IC卡會(huì)保存到新的IC號(hào)里面，然后語(yǔ)音提示刷卡人的卡號(hào)[10]。接著系統(tǒng)會(huì)判斷刷卡的機(jī)位有沒(méi)有車輛，如果沒(méi)有，提示到其他車位借車，如果此車位有車，將與中控連接，等待1 s后無(wú)回應(yīng)，語(yǔ)音提示系統(tǒng)忙，請(qǐng)稍后借車；如果連接成功回應(yīng)，且是正確回應(yīng)則語(yǔ)音提示刷卡成功，請(qǐng)稍后；如果是錯(cuò)誤回應(yīng)則語(yǔ)音提示忙，請(qǐng)稍后借車。如圖7所示為IC卡模塊工作主要流程。

圖7 IC卡模塊工作主要流程Fig.7 Main process of the IC card module work

3 測(cè)試驗(yàn)證

本次設(shè)計(jì)的下位機(jī)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室模仿真實(shí)環(huán)境下可能出現(xiàn)的如語(yǔ)音出錯(cuò)、重復(fù)讀卡、一次刷卡可以取多輛車等情況，通過(guò)不斷修改程序來(lái)調(diào)試系統(tǒng)，最后驗(yàn)證該設(shè)計(jì)成功避免了上述問(wèn)題的出現(xiàn)，且在實(shí)驗(yàn)室模擬運(yùn)行過(guò)程中情況穩(wěn)定、可靠。測(cè)試驗(yàn)證的具體操作為該下位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室以1臺(tái)電腦作為上位機(jī)，10個(gè)下位機(jī)機(jī)箱作為下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并調(diào)試。調(diào)試通過(guò)模擬刷卡借車，將鎖頭插入機(jī)箱來(lái)模擬還車，并依次驗(yàn)證系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各類情況。調(diào)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)符合公共自行車租賃系統(tǒng)所需要達(dá)到的無(wú)信號(hào)傳送錯(cuò)誤、無(wú)系統(tǒng)指令錯(cuò)誤、無(wú)機(jī)箱硬件錯(cuò)誤等要求，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。自行車租賃系統(tǒng)下位機(jī)實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 自行車租賃系統(tǒng)下位機(jī)實(shí)物圖Fig.8 Real figure of lower computer of bike rental system

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是根據(jù)某城市自行車租賃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求而自行研發(fā)的公共自行車租賃下位機(jī)系統(tǒng)。在元器件選擇上遵循了簡(jiǎn)單、實(shí)用的理念，比如其中容易學(xué)習(xí)的16位MCU、容易控制的直流電機(jī)、實(shí)用安全的鎖頭等，因此對(duì)于該設(shè)計(jì)的理解和后期大規(guī)模生產(chǎn)都相對(duì)便捷。設(shè)計(jì)過(guò)程中借鑒了其他設(shè)計(jì)的很多優(yōu)點(diǎn)，也改進(jìn)了其設(shè)計(jì)中出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)。在程序設(shè)計(jì)上采用了時(shí)下應(yīng)用最廣泛并且實(shí)用易懂的C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，程序設(shè)計(jì)采用的是分塊編寫(xiě)的設(shè)計(jì)理念，以減少在后期系統(tǒng)調(diào)試時(shí)修改程序的工作量。本設(shè)計(jì)最后將和公共自行車租賃上位機(jī)系統(tǒng)結(jié)合，為城市公共出行帶來(lái)方便。

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