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0 引 言
随着“十二五”规划的出台，绿色环保、低碳生活概念的深入人心，公共自行车租赁不但符合“低碳减排，绿色生活”的理念，而且方便了市民的出行，同时也降低了交通成本。但目前市场上运营的公共自行车系统都是一车一桩式，租车运营点的占地面积大，建设成本高，甚至经常出现无桩可还的窘境，如果发生在上下班高峰时，会令人心急如焚，也有一些租车者希望租车点能提供24小时自助服务[1]。为了使公共自行车的租赁管理更加方便和高效， 同时参考了各国自行车租赁系统的现状，针对我国目前存在的问题，我们设计并开发了全新的感应式公共自行车租赁系统。基于计算机、无线传感器网络和射频识别技术等物联网技术，实现了自行车租赁管理的自动化，极大的简化了租赁的流程，提高了办事效率和管理水平。
1 系统需求与总体架构设计
近年来，随着技术的发展和应用的推动，RFID技术已发展到与产品电子代码（EPC码[2]）技术相结合，在互联网之上构建“物联网”的新阶段，采用了电子标签（RFID） 技术可以自动化感应式的物体识别[3]。射频识别技术被广泛应用于物流、工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等领域。
基于RFID技术的自行车租赁管理系统由有源RFID电子标签、RFID读写器（接收器、电子监控基站）、网络设备、计算机和系统软件等组成[4]。主要利用RFID技术进行自行车身份认证和管理，图1给出了的系统整体逻辑结构示意图。
图1 公共自行车租赁系统工作原理图
本文设计的感应式公共自行车租赁系统主要包括三个通道：租车通道、还车通道和行人通道3条，图2给出了的系统整体平面结构示意图。租车时，租车人通过行人通道进入到车辆停放区，凭租车卡将场地内的公共自行车解锁，并推行至租车通道，通道旁边的RFID读写器就可以读取车辆的RFID信息并与租车者的身份绑定，通道口的显示屏及语音提示租车成功，闸机门自动开启后，用户推车离开，租车成功。还车时，租车人进入还车通道，感应式闸机门自动开启，完成与租车相同的刷卡操作后，车辆停放在场内指定位置，并从行人通道离开即可。和现有的一桩配一车自行车租赁点不同的是，新式服务点只需配备一个锁定感应器和解锁感应器，就能供所有车使用[5]。
图2 公共自行车租赁系统平面示意图
从系统的建设过程来看，我们给每一个需要管理的公共自行车租赁点安装一台低频感应器，每台感应器引出2路低频感应式天线，分别是1号感应天线和2号感应天线，各自布置在还车通道的闸机外面和租车通道的闸机里面，而在门禁旁边安装一台2.45 GHz远距离读写器，作为信号接收器。当租车人推行着带有RFID低频感应标签的自行车，通过门禁时，必定会被1号感应天线或2号感应天线激活，这样系统就可以判断并决定是否打开闸机。也就是说，用户通过行人通道的闸机时，需要验证用户的租车卡信息，验证通过后就可以进入租车服务区，就可以推行自己满意的自行车进入到租车通道，通过感应自行车上的RFID标签，将租车人信息与自行车信息进行绑定，并向管理中心上传的感应器的地址码（即租车点的地址编号）。这样用户就可以顺利通过闸机完成租车。同样地，用户推行自行车进入到还车通道，通过读取租车卡的信息，感应并读取自行车上的RFID标签信息，并向管理中心上传的感应器的地址码（即还车点的地址编号）。这样用户就可以顺利通过闸机完成还车，将自行车摆放在租赁点的适当的位置即可，通过行人通道即可离开租赁点[6]。总之，无论自行车从哪里借出和还入，只要自行车进入租车点相应的感应区，都会有感应器锁定他们，来确定自行车所在的具体位置，并且及时的将信息上传至管理中心，管理中心按照既定的工作流程对自行车租赁信息进行智能化自动化的管理[7]。
从逻辑层次结构上分析可以看出，基于物联网技术的公共自行车租赁管理系统主要包括车辆感知层、闸机控制层、用户服务层、系统管理层等四层，图3给出了本系统的逻辑层次结构图。其中，车辆感知层主要用于自动识别自行车，主要包括自行车的位置、状态等信息；闸机控制层主要完成感知层信息的接受和发送、人和自行车的通行控制等功能；用户服务层主要用于处理用户注册、登录和预约使用公共自行车等各种信息的处理以及与用户论坛、留言板等相关的应用；系统管理层主要用于对系统数据库进行建立与管理、数据分类与处理、处理与公共自行车租赁系统管理人员和系统维护人员相关的所有操作。
图3 公共自行车租赁系统逻辑层次结构图
2 车俩感知模块
RFID（ Radio Frequency Identification，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[8]。最基本的射频识别系统由三部分组成： RFID标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，电子标签可以分为有源电子标签（Active tag）和无源电子标签（Passive tag），有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池；RFID阅读器是读写标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线的作用是在RFID标签和RFID读写器之间传递射频信号[8]。当有源RFID标签进入RFID读写器感应磁场时， 可利用自有电力在标签周围形成有效活动区，主动侦测周遭有无RFID读写器发射的呼叫信号，并将自身的信息传送给读写器并解码，然后被送至电脑主机进行有关处理[9]。
由于射频识别技术可以实现高速自动地数据采集，可以实现多目标、运动目标的非接触式自动识别[10]，在本系统中主要用于公共自行车车辆信息的识别，每辆公共自行车车身上都固定了一块用于记录车辆的信息的RFID标签，在租赁网点，不需要给每辆自行车配置一个停车桩位，也无需用链条锁锁住那些没有桩位的车俩，只需要通过RFID技术控制好租车点的闸机系统即可。本系统采用上海朝为电子科技有限公司出产的ZWT-TGR6T01智能停车场专用远距离有源电子标签和ZWT-RFR2L0W触发型门禁读写器，图4给出了本系统所用RFID标签及其读写器外形图。ZWT-TGR6T01标签质地坚硬，具有较强的抗压能力，可通过配套的阅读器可以完成对自行车车辆的定位和自动识别。ZWT-RFR2L0W读写器读写功能与触发功能一体化设计，利用读写器自带的读写软件对RFID卡进行激活与读写。主要完成对配套触发型电子标签的识别工作，可实现0.5～5米（可调）的识别距离，从而完成对自动门的近距离控制，通过自行车配套的触发型电子标签，可以完成对车辆的定位和自动识别。微波通讯距离≥30 m，频率为2.4 - 2.48 GHz + 125 KHz，读写区域为定向180°和全向360°。
图4 本系统所用RFID标签及其读写器
本系统的一个重要的组成部分是安装在自行车上的面向接触式IC卡的电子车头锁[11]，图5给出了本系统中所用电子车头锁的示意图。这种车头锁即能快速方便解锁，又能确保自行车不被偷窃。用户在公共自行车租赁点提车时只需先按一下车头锁上的解锁按钮，然后用自身的触式IC租车卡刷一下智能电子车头锁的感应区，自行车的车头就解锁了便可自由推行和骑行了；当需要锁定时，只需按一下车头锁上的上锁按钮，再次用自身的触式IC租车卡刷一下电子车头锁的感应区，自行车的车头就上锁了，也就无法推行和骑行了。
3 业务管理系统模块
基于对公共自行车租赁系统进行详细地需求分析， 把模块化设计的思想和技术运用到自行车租赁系统的设计中，本文将业务管理系统分为用户管理模块、租赁管理模块和数据管理模块， 用户管理模块主要包括用户注册、登录等操作，租赁管理模块具有网上预约、网点查询等功能，数据管理模块具有用户信息管理、车辆信息管理、租车点信息管理等功能 [12]。
图5 本系统所用智能电子车头锁
3. 1 用户管理模块
该模块主要包括注册、登录、个人中心、论坛、留言板等子模块，想要租赁公共自行车的用户需要在系统中完成在线注册，注册信息审核通过后可以领取对应的租车卡，也就是说只有先进行注册才能申领和使用租车卡来租赁公共自行车。用户在线登录后，可以在系统中查询自己租赁自行车的一些信息，比如自己的租赁历史信息、借车情况、还车情况、信用状况等，还可以在论坛上交流自己使用过后的心得体会或发表自己的意见与建议，也可以在留言板留言[13]。
图6 系统用户界面
3.2 租赁管理模块
主要包括系统公告、展示中心、自行车租赁、意见与建议等子模块，展示中心是对自行车租赁公司的服务信息的全方位展示，可以查询到各个租赁点的地址、电话等相关信息。意见与建议展示的是用户在留言界面上发表的意见和建议，从这里可以了解其他用户对当前服务的看法，以及对改进工作与服务的建议，收集用户在使用自行车过程中产生的一些意见和建议[14]。
3.3 信息管理模块
在信息管理模块中，主要有以下信息管理功能：借车信息管理、还车信息管理、管理员信息管理、车辆信息管理、公告信息管理、黑名单管理、留言信息管理、订车信息管理、用户信息管理、查询统计（借车还车记录查询）、系统维护（操作日志管理）等功能 [15]。
通过对用户信息（姓名、身份证号、地址、电话、邮箱）和车辆信息（车辆编号、车型、区域）的绑定与管理可以实现对用户借车、还车等信息的记录，记录中还包括借车和还车时间、地点等信息。通过信息管理，可以很好地对用户和车辆进行管理，对恶意破坏车辆、故意违反相关规定的用户进行拉黑处理。通过查询统计，可以实现借车还车记录的查询，有助于管理员宏观了解车辆流动方向，及时调度和平衡租车点的存量，保证自行车租赁正常有序地进行。
4 结 语
目前，物联网技术已经成功应用在众多领域，本文的研究也证实了物联网技术在自行车租赁管理方面也能发挥重要作用。本文设计的自行车租赁系统的出发点符合中国的实际情况，设计方向应偏向于能够批量生产且成本较低的应用方案，利用自行车上安装的RFID标签以及无线传感器网络，使用用户租车卡作为身份识别，用智能车头锁实现自由停放，采用Java和JSP实现了租赁业务管理系统，本系统界面友好、便于操作，简化了租车手续和过程，并且租车产生的费用也可从租车人的租车卡中扣除，不用直接现金支付，既卫生又方便用户，只要用户定期与公共自行车运营部门进行结算即可，减少了账目上的差错。同时简化了租赁过程， 提高了运营效率，减轻了还车难的问题。整个租赁管理系统很好地解决了自行车的自动化借出和还入的管理，该系统还可以实现智能监控管理，大幅度提升了管理效率，降低运营管理人员的工作强度。
参考文献
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