學(xué)校名稱(chēng)

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專(zhuān)      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

李瀚淼

201623060423

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

男

2016年

周亮

201650080213

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

男

2016年

陳斌

201650080521

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

男

2016年

吳頔

201650080610

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

男

2016年

李江林

201650080615

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

男

2016年

指導(dǎo)教師

湯強(qiáng)

職稱(chēng)

講師

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

項(xiàng)目科類(lèi)(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

項(xiàng)目組成員李翰淼，周亮在2017年參與了“互聯(lián)網(wǎng)+‘中共長(zhǎng)沙黨史’建設(shè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)”橫向科研課題，主要參與了系統(tǒng)移動(dòng)客戶(hù)端的維護(hù)以及服務(wù)器的維護(hù)工作。

此外，項(xiàng)目成員以非核心成員參加過(guò)如下比賽和科技立項(xiàng)：

1：2017年全國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽

2：2017年博創(chuàng)杯全國(guó)大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽

3：2017年第三屆中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽

4：“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)”科技立項(xiàng)（已結(jié)題）

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

指導(dǎo)老師湯強(qiáng)承擔(dān)科研課題及研究成果情況如下：

1）參與國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)，獲得省級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)2項(xiàng)，主持省教育廳項(xiàng)目1項(xiàng)，主持互聯(lián)網(wǎng)+“長(zhǎng)沙黨史”建設(shè)項(xiàng)目1項(xiàng)。

2）主要科研成果有：在IEEE Internet of Things Journal（IEEE出版社，中科院1區(qū)，2016影響因子7.596）, Globecom 2017（IEEE旗艦國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議）, Mobile Networks and Applications（Springer出版社，中科院3區(qū)，2016影響因子3.5）等國(guó)內(nèi)外期刊，會(huì)議發(fā)表論文10余篇。

3）學(xué)術(shù)交流經(jīng)歷：2016年9月到2017年6月在英國(guó)埃塞克斯大學(xué)（University of Essex）進(jìn)行為期8個(gè)月的學(xué)術(shù)訪(fǎng)問(wèn)。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的：

自行車(chē)作為傳統(tǒng)的交通工具，曾經(jīng)一段時(shí)間隨著摩托車(chē)，汽車(chē)的普及而逐漸淡出了人們的視線(xiàn)。但是，最近幾年時(shí)間，隨著健康理念逐漸深入人心，自行車(chē)不再單獨(dú)具有通勤的功能，而且是越來(lái)越時(shí)尚的鍛煉健身方式。據(jù)分析，騎自行車(chē)主要具有以下幾點(diǎn)好處：（1）能預(yù)防大腦老化，提高神經(jīng)系統(tǒng)的敏捷性。（2）能提高心肺功能，鍛煉下肢肌力和增強(qiáng)全身耐力。（3）能減肥。騎自行車(chē)時(shí)，由于周期性的有氧運(yùn)動(dòng)，使鍛煉者消耗較多的熱量，可收到顯著的減肥效果。

特別是2016年，共享單車(chē)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，讓全國(guó)人民體驗(yàn)了騎自行車(chē)所帶來(lái)的便利和健康。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)的快速發(fā)展，自行車(chē)的相關(guān)騎行裝備特別是自行車(chē)鎖逐漸實(shí)現(xiàn)了智能化和信息化。例如，摩拜和ofo小黃車(chē)的共享單車(chē)之所以能夠正常地運(yùn)營(yíng)和管理，全部依靠其設(shè)計(jì)的智能化馬蹄鎖（自行車(chē)鎖一般分為兩種：鏈條鎖，馬蹄鎖）。該馬蹄鎖集成了定位，報(bào)警，無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖等功能，可與管理后臺(tái)實(shí)時(shí)通信。但是，該鎖的功能設(shè)計(jì)僅停留在商業(yè)運(yùn)營(yíng)層面，以確保能夠正常地管理自行車(chē)以及正確地收取用戶(hù)騎行費(fèi)用。對(duì)與運(yùn)動(dòng)健康相關(guān)的用戶(hù)體驗(yàn)并沒(méi)有給予太多考慮，僅有的考慮體現(xiàn)在客戶(hù)端程序中的卡路里數(shù)據(jù)和基于GPS信號(hào)定位的里程數(shù)據(jù)。

因此，本項(xiàng)目擬對(duì)智能化馬蹄鎖進(jìn)行相對(duì)全面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，將實(shí)時(shí)測(cè)速功能，里程計(jì)數(shù)，無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖，GPS定位，防盜報(bào)警等功能進(jìn)行綜合集成，實(shí)現(xiàn)自行車(chē)鎖的智能化管理，最終以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)智能測(cè)速自行車(chē)馬蹄鎖原型以及開(kāi)發(fā)完成相關(guān)的手機(jī)客戶(hù)端和服務(wù)管理后臺(tái)系統(tǒng)為項(xiàng)目研究的主要目的。

項(xiàng)目研究的內(nèi)容：

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)智能測(cè)速自行車(chē)馬蹄鎖及其相關(guān)的手機(jī)客戶(hù)端和后臺(tái)管理系統(tǒng)的主要功能如下：

1）無(wú)線(xiàn)鎖車(chē)，開(kāi)鎖功能，遠(yuǎn)程鎖車(chē)開(kāi)鎖功能，配備無(wú)線(xiàn)遙控鑰匙；

2）集成自行車(chē)測(cè)速功能，自行車(chē)?yán)锍探y(tǒng)計(jì)功能，配備碼表顯示盤(pán)；

3）集成防盜報(bào)警功能，GPS追蹤定位功能；

4）集成低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸接口，可實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)到附近的手機(jī)客戶(hù)端和碼表顯示盤(pán)；

5）手機(jī)客戶(hù)端可傳輸接收的數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程服務(wù)器，也可與周?chē)亩鄠€(gè)手機(jī)客戶(hù)端建立騎行數(shù)據(jù)共享，方便團(tuán)體騎行；也可通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端進(jìn)行鎖車(chē)，開(kāi)鎖，解除報(bào)警等操作；

6）后臺(tái)集成數(shù)據(jù)分析管理功能，統(tǒng)計(jì)各種自行車(chē)?yán)锍讨笜?biāo)，速度指標(biāo)，位置數(shù)據(jù)，報(bào)警數(shù)據(jù)等。

項(xiàng)目擬要解決的主要問(wèn)題：

1）解決了用戶(hù)開(kāi)鎖方式多樣化的問(wèn)題，防止開(kāi)鎖方式單一化：有以下途徑可以開(kāi)鎖：服務(wù)器遠(yuǎn)程開(kāi)鎖，手機(jī)客戶(hù)端開(kāi)鎖，無(wú)線(xiàn)遙控鑰匙開(kāi)鎖。

2）解決了還需要單獨(dú)安裝測(cè)速器的問(wèn)題：測(cè)速元件與智能化馬蹄鎖集成，安裝了馬蹄鎖即安裝了測(cè)速元件。碼表顯示盤(pán)安裝簡(jiǎn)單方便。碼表顯示盤(pán)與馬蹄鎖之間無(wú)線(xiàn)通信。

3）解決了用戶(hù)如何實(shí)時(shí)知道運(yùn)動(dòng)消耗數(shù)據(jù)的問(wèn)題：利用低功耗藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到手機(jī)客戶(hù)端和卡路里數(shù)據(jù)便攜式碼表，用戶(hù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)知道自己騎行活動(dòng)耗了多少熱量，有利于提高用戶(hù)的騎行體驗(yàn)獲得感。

4）解決了防盜問(wèn)題以及被盜后如何追蹤自行車(chē)下落的問(wèn)題：集成的防盜報(bào)警功能以及GPS追蹤定位功能可以降低自行車(chē)的被盜概率，同時(shí)可以實(shí)時(shí)追蹤自行車(chē)的方位，有助于尋找被盜自行車(chē)。

5）解決了多個(gè)用戶(hù)組團(tuán)騎行問(wèn)題：通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端，可實(shí)現(xiàn)多人組團(tuán)騎行，選出領(lǐng)隊(duì)帶領(lǐng)往前面騎行，以標(biāo)識(shí)出每個(gè)隊(duì)員應(yīng)該騎行的路徑方向。同時(shí)，可觀察后面騎行隊(duì)員的距離，速度等指標(biāo)，以協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)的騎行節(jié)奏。

6）通過(guò)利用手機(jī)客戶(hù)端傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)給后臺(tái)系統(tǒng)，利用GPS系統(tǒng)將定位數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)系統(tǒng)等多途徑，解決了騎行數(shù)據(jù)搜集問(wèn)題，為后期進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，甚至進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

目前，自行車(chē)鎖在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上種類(lèi)非常多，特別是在我國(guó)，由于自行車(chē)數(shù)量龐大，且國(guó)人熱愛(ài)騎自行車(chē)，因此，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和IT技術(shù)進(jìn)步，智能化的自行車(chē)鎖逐漸流行起來(lái)。國(guó)內(nèi)外智能化自行車(chē)鎖主要分為以下幾大類(lèi)：

1）集成報(bào)警功能的自行車(chē)鎖

這類(lèi)鎖常見(jiàn)的有碟剎鎖，碟剎鎖以鎖住摩托車(chē)和自行車(chē)的碟剎盤(pán)以卡住車(chē)輪旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)鎖車(chē)。如圖1所示。

(a)鎖車(chē)方式                  (b)樣式

圖1 集成報(bào)警功能的碟剎鎖

碟剎鎖以鑰匙開(kāi)鎖方式居多，部分碟剎鎖集成了報(bào)警功能，當(dāng)不法分子碰觸或故意破壞碟剎鎖時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警響聲，以警示不法分子。常見(jiàn)的品牌有：INBIKE電動(dòng)車(chē)自行車(chē)碟剎鎖，臺(tái)灣真圖碟剎鎖。除了報(bào)警功能外，碟剎鎖集成的其它智能化功能很少。

除了碟剎鎖，還可見(jiàn)報(bào)警功能于鏈條鎖和U型鎖，比如DF智能山地車(chē)報(bào)警鎖屬于U型鎖，該鎖在鎖柱內(nèi)部集成了報(bào)警器，利用手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制該報(bào)警器是否工作，如圖2(a)所示。鏈條鎖的報(bào)警功能也集成在鎖頭，比如飛馳自行車(chē)鏈條鎖，在鎖頭集成了鎖芯，可更換的紐扣電池槽，報(bào)警控制旋鈕等組件，以控制鏈條鎖的工作狀態(tài)，如圖2(b)所示。

(a)U型鎖報(bào)警器             (b)鏈條鎖報(bào)警器

圖2 U型鎖和鏈條鎖報(bào)警裝置

除了以上三種鎖集成了報(bào)警功能外，還有一些鎖也集成了報(bào)警功能，但是它們集成的功能要更加豐富，將在后面逐漸提到。

2）無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖功能的自行車(chē)鎖

僅集成了無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖功能與報(bào)警功能的自行車(chē)鎖以鏈條鎖或鋼圈鎖類(lèi)型居多。Nokelock智能鋼圈鎖集成了藍(lán)牙開(kāi)鎖功能，通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端注冊(cè)并綁定包裝盒內(nèi)二維碼的方式，指定該鎖被特定用戶(hù)使用，然后通過(guò)掃碼或者手機(jī)客戶(hù)端的開(kāi)鎖功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖，但是該鎖沒(méi)有集成報(bào)警功能。該鎖如圖3(a)所示。

Solebe鎖樂(lè)貝鋼圈鎖和鏈條鎖兩個(gè)類(lèi)型均集成了手機(jī)客戶(hù)端無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙開(kāi)鎖功能，此外還集成了防盜報(bào)警功能。該鎖無(wú)需機(jī)械鑰匙，按上鎖鍵等待幾秒可自動(dòng)上鎖。手機(jī)客戶(hù)端可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)解鎖功能，報(bào)警系統(tǒng)可感應(yīng)震動(dòng)，剪斷，擰扯等動(dòng)作并進(jìn)行報(bào)警。手機(jī)客戶(hù)端可解除報(bào)警。該鎖如圖3(b)所示。

(a) Nokelock智能鋼圈鎖           (b) Solebe鎖樂(lè)貝

圖3 無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖功能的自行車(chē)鎖

無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖功能已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了智能化車(chē)鎖，但是由于智能化手段比較單一，除了開(kāi)鎖就是報(bào)警，因此，需要進(jìn)一步豐富車(chē)鎖所集成的功能，以給用戶(hù)提供更多的智能化體驗(yàn)。

3）智能化多功能自行車(chē)鎖

智能化多功能自行車(chē)鎖以馬蹄鎖最為常見(jiàn)，集成的功能一般有：GPS定位，安卓客戶(hù)端無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖，防盜報(bào)警，掃碼開(kāi)鎖等。比如，Nokelock智能馬蹄鎖可以發(fā)出蜂鳴報(bào)警，可通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和遠(yuǎn)程雙保險(xiǎn)開(kāi)鎖，可以回傳自行車(chē)位置信息，方便定位自行車(chē)位置。此外，在手機(jī)APP端，可以授權(quán)哪些好友可以打開(kāi)該馬蹄鎖，可以顯示馬蹄鎖當(dāng)前的實(shí)時(shí)電量，方便更換電池或充電。該鎖圖片如圖4(a)所示。

(a) Nokelock馬蹄鎖          (b) ZT馬蹄鎖          (c) 濼平馬蹄鎖

圖4 智能化馬蹄鎖

除了Nokelock馬蹄鎖外，還有ZT馬蹄鎖（如圖4(b)所示），該鎖集成了手機(jī)APP無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙開(kāi)鎖，一人控制多個(gè)鎖，授權(quán)好友開(kāi)鎖等功能。具有類(lèi)似功能的還有濼平智能化馬蹄鎖（如圖4(c)所示）。

除了上述三種馬蹄鎖以外，目前國(guó)內(nèi)廣泛流行的共享單車(chē)均大量采用馬蹄鎖，以最著名的摩拜和ofo小黃車(chē)為例，摩拜單車(chē)的自行車(chē)鎖包括了遠(yuǎn)程開(kāi)鎖和定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的則是車(chē)鎖內(nèi)的嵌入式芯片、GPS以及SIM模塊。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)手機(jī)APP掃一下單車(chē)上的二維碼，手機(jī)即向服務(wù)器發(fā)送指令并申請(qǐng)開(kāi)鎖，服務(wù)器收到指令后與相應(yīng)的車(chē)輛進(jìn)行通信和驗(yàn)證，發(fā)送開(kāi)鎖指令，單車(chē)內(nèi)置模塊收到指令后進(jìn)行開(kāi)鎖，這就是遠(yuǎn)程開(kāi)鎖的工作原理。至于定位系統(tǒng)，則是智能鎖里面安裝了GPS模塊，當(dāng)我們需要用車(chē)時(shí)，打開(kāi)APP，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)定位，地圖上就會(huì)出現(xiàn)附近的單車(chē)，點(diǎn)擊想要的單車(chē)，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)地規(guī)劃出最佳的路徑。更人性化的是，為了提前安排好出行，摩拜單車(chē)還有預(yù)約的功能，點(diǎn)擊“預(yù)約用車(chē)”，在APP上就會(huì)出現(xiàn)預(yù)約的車(chē)輛編碼及保留時(shí)間，保留時(shí)間為15分鐘，在靠近單車(chē)時(shí)點(diǎn)擊“尋車(chē)鈴”，便會(huì)有響聲，引導(dǎo)你找到已經(jīng)預(yù)約的單車(chē)。這樣一套智能的定位解鎖程序，是摩拜單車(chē)最突出的亮點(diǎn)和核心技術(shù)。

相比于摩拜單車(chē)的智能鎖，ofo單車(chē)的機(jī)械鎖相對(duì)就簡(jiǎn)單一點(diǎn)，同樣是從APP里面來(lái)開(kāi)鎖，但是ofo是需要你輸入想要租借的車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)后，后臺(tái)系統(tǒng)發(fā)給你該車(chē)的密碼，然后你撥動(dòng)鎖上面的密碼鍵，按下圓形的按鈕，即可成功開(kāi)鎖。除此之外，ofo的單車(chē)還需要手動(dòng)鎖車(chē)，當(dāng)用完車(chē)輛時(shí)，必須鎖車(chē)并再次撥動(dòng)密碼盤(pán)將其打亂，否則下個(gè)騎行人就不用輸密碼了。對(duì)比與摩拜單車(chē)的智能鎖，ofo的機(jī)械鎖的工作原理會(huì)簡(jiǎn)單很多，單車(chē)也并未與服務(wù)器和手機(jī)取得智能的聯(lián)系，造成無(wú)法查找定位，但是這種鎖的成本會(huì)比摩拜單車(chē)的智能鎖低很多。

雖然上述智能化馬蹄鎖集成了較多的功能，但是仍然有一些功能需要集成，比如與用戶(hù)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的功能，因?yàn)槟壳懊癖娺x擇自行車(chē)出行更多的考慮是如何得到健康的身體，具體到量化指標(biāo)就是消耗量多少熱量，自行車(chē)速度多少，里程多少等等，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)提高用戶(hù)騎行過(guò)程中的體驗(yàn)感。而實(shí)現(xiàn)該體驗(yàn)最直接的設(shè)備就是碼表。

碼表一般用于自行車(chē)行駛速度的測(cè)量，大多數(shù)碼表是由安裝于前車(chē)圈鋼條上的感應(yīng)磁鐵、前叉上的感應(yīng)器、順著連接線(xiàn)、置于握把上面的碼表座和座上面的碼表組成。碼表的工作原理是：車(chē)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)感應(yīng)器捕捉到感應(yīng)磁鐵帶來(lái)的信息，通過(guò)傳感線(xiàn)傳輸至碼表，主機(jī)碼表對(duì)此進(jìn)行處理后計(jì)算出時(shí)速、里程等信息。隨著無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的發(fā)展，碼表必然也將實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸，減少安裝工作量。

本項(xiàng)目在綜合考慮當(dāng)前智能化馬蹄鎖的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合碼表的特點(diǎn)，提出將智能化馬蹄鎖集成碼表測(cè)速功能的設(shè)計(jì)方案，將碼表的測(cè)速元件集成到馬蹄鎖內(nèi)，通過(guò)藍(lán)牙模塊將速度，里程等數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱a表顯示盤(pán)。騎行數(shù)據(jù)還可傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶(hù)端以及遠(yuǎn)程服務(wù)器端，在手機(jī)端可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，組建多人騎行模式，在服務(wù)器端可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析管理。自行車(chē)數(shù)據(jù)，比如位置，報(bào)警等信息可實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶(hù)端和服務(wù)器端?？傊?，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的智能化馬蹄鎖以集成用戶(hù)運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)功能為主要目標(biāo)，同時(shí)采用多種手段實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖，數(shù)據(jù)采集和管理，報(bào)警等功能。

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

課題組成員長(zhǎng)期學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)和編程開(kāi)發(fā)，已經(jīng)熟練掌握了C，C++，匯編，單片機(jī)等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和技術(shù)。小組成員之間長(zhǎng)期合作，目前為止已經(jīng)參加了科技立項(xiàng)和實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，并參與過(guò)相關(guān)競(jìng)賽活動(dòng)，詳細(xì)如下：

1：參與過(guò)1項(xiàng)學(xué)校的科技立項(xiàng)，主要從事單片機(jī)方面的程序設(shè)計(jì)任務(wù)，目前已順利結(jié)題。

2：參與過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+‘中共長(zhǎng)沙黨史’建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)”，主要參與手機(jī)客戶(hù)端相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)任務(wù)。為本項(xiàng)目的手機(jī)客戶(hù)端以及后臺(tái)開(kāi)發(fā)提供了較好的技術(shù)儲(chǔ)備。

3：已經(jīng)研究和掌握了智能馬蹄鎖的工作原理，提出了初步的設(shè)計(jì)思路。

4：已經(jīng)掌握了碼表的工作原理，掌握了如何將測(cè)速元件與單片機(jī)電路集成。

5：掌握了低功耗無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作原理，掌握了如何在單片機(jī)外圍電路上集成藍(lán)牙模塊。

6：掌握GPS模塊的工作原理，設(shè)計(jì)了如何傳送GPS數(shù)據(jù)到服務(wù)器和手機(jī)APP端的初步方案。

7：熟悉手機(jī)APP軟件開(kāi)發(fā)，熟悉后臺(tái)服務(wù)器管理程序開(kāi)發(fā)。

8：熟悉了無(wú)線(xiàn)遙控鑰匙的工作原理。

9：熟悉了碼表數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)酱a表盤(pán)的工作原理。

10：其它相關(guān)技術(shù)和模塊的學(xué)習(xí)正在有序進(jìn)行中。比如，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)2本《Altium Designer 16電路設(shè)計(jì)與仿真從入門(mén)到精通》，為電路板的綜合設(shè)計(jì)提前打好基礎(chǔ)。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

本項(xiàng)目以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)智能測(cè)速自行車(chē)馬蹄鎖為主要目標(biāo)，同時(shí)完成手機(jī)客戶(hù)端和服務(wù)器后臺(tái)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目的創(chuàng)新和特色主要有：

1：將自行車(chē)馬蹄鎖與無(wú)線(xiàn)測(cè)速功能相結(jié)合，將測(cè)速元件集成到車(chē)鎖。測(cè)速的數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)方式傳輸?shù)酱a表盤(pán)顯示；

2：車(chē)鎖集成了無(wú)線(xiàn)遙控鑰匙開(kāi)鎖，手機(jī)客戶(hù)端開(kāi)鎖等多種開(kāi)鎖方式；

3：車(chē)鎖手機(jī)客戶(hù)端集成了組團(tuán)騎行功能，共享隊(duì)員之間的騎行數(shù)據(jù)，方便管理所有騎行隊(duì)員的狀態(tài)，適合于團(tuán)隊(duì)出行；

4：提供報(bào)警和GPS定位功能，可有效降低自行車(chē)的被盜概率以及提高被盜自行車(chē)的找回概率；

5：智能馬蹄鎖的所有非GPS數(shù)據(jù)以藍(lán)牙方式傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶(hù)端，并借助手機(jī)客戶(hù)端將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)。在馬蹄鎖----手機(jī)客戶(hù)端----遠(yuǎn)程服務(wù)器三者間建立起一條數(shù)據(jù)鏈。

項(xiàng)目的技術(shù)路線(xiàn)及預(yù)期成果

一：技術(shù)路線(xiàn)

針對(duì)核心部件的開(kāi)發(fā)，擬從如下幾個(gè)方面介紹課題實(shí)施過(guò)程中需要解決的一系列問(wèn)題時(shí)可能采用的技術(shù)措施。

第一步：設(shè)計(jì)智能自行車(chē)鎖

智能馬蹄鎖已經(jīng)在共享單車(chē)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，比如摩拜，ofo等，其工作原理可參考圖5。

圖5 智能車(chē)鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1）鎖定狀態(tài)

鎖定狀態(tài)下，彈簧1處于放松狀態(tài)，卡栓頂在鎖舌的卡口中，鎖舌不能移動(dòng)。鎖舌穿過(guò)自行車(chē)輪，車(chē)輪被鎖定。馬達(dá)模塊處于關(guān)閉狀態(tài)。彈簧2處于壓縮狀態(tài)，頂著卡栓不動(dòng)。卡栓松動(dòng)話(huà)，手工就能把鎖拉開(kāi)了。

2）開(kāi)鎖過(guò)程

按智能鑰匙開(kāi)鎖功能后，可以給共享單車(chē)下解鎖指令。首先，馬達(dá)開(kāi)始工作，通過(guò)齒輪構(gòu)成的傳動(dòng)裝置，把卡栓往上拉，拉離那個(gè)卡口。同時(shí)卡栓壓縮了彈簧2。鎖舌的卡口上，沒(méi)有了卡栓的阻攔，彈簧1對(duì)鎖舌的拉力，會(huì)把鎖舌快速拉回來(lái)。嗖的一聲，鎖舌就從自行車(chē)輪中縮回到車(chē)鎖內(nèi)部了，解鎖成功。鎖舌上的卡口的位置移動(dòng)到別的地方，卡栓不能影響鎖舌。卡栓一端被彈簧2頂著，另一端被鎖舌頂著。馬達(dá)不需要去控制卡栓了，馬達(dá)關(guān)閉。

3）上鎖過(guò)程

    手工用力拉動(dòng)鎖舌，這個(gè)時(shí)候彈簧1被拉伸。鎖舌穿過(guò)自行車(chē)輪，進(jìn)入鎖定位置后，鎖舌上的卡口剛好對(duì)著卡栓。通過(guò)手工給彈簧1蓄能了，這個(gè)機(jī)械能，在下一次解鎖的時(shí)候用。

在馬蹄鎖的開(kāi)鎖和上鎖過(guò)程中，最核心的原件是電機(jī)部件，如何控制單片機(jī)發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向和逆向旋轉(zhuǎn)是整個(gè)鎖正常工作的核心。經(jīng)過(guò)上圖的過(guò)程開(kāi)鎖，解鎖過(guò)程，可知智能車(chē)鎖的設(shè)計(jì)已經(jīng)具備成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可供本課題參考。

第二步：在馬蹄鎖上集成測(cè)速元件功能

測(cè)速元件以51單片機(jī)為處理核心，用傳感器將車(chē)輪的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為電脈沖，進(jìn)行處理后送入單片機(jī)。里程及速度的測(cè)量，是經(jīng)過(guò) MCS-51的定時(shí)/計(jì)數(shù)器測(cè)出總的脈沖數(shù)和每轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)的計(jì)算得出。

圖6 某某共享單車(chē)智能車(chē)鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由于在自行車(chē)鎖上需要安裝單片機(jī)，如圖6某共享單車(chē)智能車(chē)鎖所示?？梢詫y(cè)速元件的單片機(jī)與智能車(chē)鎖單片機(jī)共用。測(cè)速的基本原理如下：

假定輪圈的周長(zhǎng)為 L，在輪圈上安裝 m個(gè)永久磁鐵，則測(cè)得的里程值最大誤差為 L/m。經(jīng)綜合分析，本設(shè)計(jì)中取 m=1。當(dāng)輪子每轉(zhuǎn)一圈，通過(guò)開(kāi)關(guān)型霍爾元件傳感器采集到一個(gè)脈沖信號(hào)，并從引腳 P3.2 中斷 0端輸入，傳感器每獲取一個(gè)脈沖信號(hào)即對(duì)系統(tǒng)提供一次計(jì)數(shù)中斷。 每次中斷代表車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，中斷數(shù) n輪圈的周長(zhǎng)為 L的乘積為里程值。計(jì)數(shù)器 T1計(jì)算每轉(zhuǎn)一圈所用的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出即時(shí)速度 v。當(dāng)里程鍵按下時(shí)，里程指示燈亮，LED切換顯示當(dāng)前里程，與當(dāng)速度鍵按下時(shí)，速度指示燈亮， LED切換顯示當(dāng)前速度。

第三步：外圍電路集成低功耗藍(lán)牙和GPS等通信模塊

低功耗藍(lán)牙模塊如TELESKY HC-05或者Risym HC-05等產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛使用，且已經(jīng)有很多案例提供了相關(guān)的集成方案。在軟件方面，手機(jī)藍(lán)牙模塊可通過(guò)客戶(hù)端配置調(diào)用后，與車(chē)鎖藍(lán)牙建立配對(duì)連接；碼表盤(pán)的藍(lán)牙接收端可與車(chē)鎖藍(lán)牙同樣建立配對(duì)連接，實(shí)現(xiàn)速度和里程等數(shù)據(jù)的接收。因此，基于低功耗藍(lán)牙模塊的應(yīng)用比較成熟，本課題可以比較順利完成藍(lán)牙模塊的集成功能。

GPS模塊如NEO-6M UBLOX 衛(wèi)星定位模塊價(jià)格便宜，且容易與C51單片機(jī)集成，具有成熟的測(cè)試軟件和開(kāi)發(fā)套件。GPS數(shù)據(jù)將通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器后臺(tái)系統(tǒng)。GPRS需要配備SIM卡，但是由于數(shù)據(jù)量很小，因此幾乎不會(huì)產(chǎn)生額外的開(kāi)銷(xiāo)。因此，GPS模塊的集成也將如藍(lán)牙模塊一樣順利完成。

第四步：集成遙控鑰匙和報(bào)警功能

報(bào)警功能可以采用震動(dòng)傳感器，通過(guò)單片機(jī)接收震動(dòng)信號(hào)，然后啟動(dòng)報(bào)警動(dòng)作。當(dāng)取消報(bào)警的時(shí)候，可以用遙控鑰匙按下解除報(bào)警的按鈕。報(bào)警電路設(shè)計(jì)可參考下圖7。該圖用于產(chǎn)生連續(xù)的方波信號(hào)并輸出到揚(yáng)聲器，給人聽(tīng)到以連續(xù)的鳴笛聲。

圖7 報(bào)警信號(hào)發(fā)生電路

遙控鑰匙主要用于近距離控制自行車(chē)開(kāi)鎖，鎖車(chē)的功能，此外還可以取消意外報(bào)警。遙控鑰匙本質(zhì)上是基于單片機(jī)的紅外遙控器。

紅外傳輸利用載波對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制從而減少信號(hào)傳輸過(guò)程中的光波干擾,提高數(shù)據(jù)傳輸效率。由單片機(jī)定時(shí)器T0產(chǎn)生周期性的矩形脈沖,即每隔一段時(shí)間，定時(shí)器T0產(chǎn)生中斷輸出一個(gè)相反的信號(hào)使輸出端產(chǎn)生周期38KHz脈沖信號(hào)。再由單片機(jī)將鍵盤(pán)信息及系統(tǒng)識(shí)別碼等數(shù)據(jù)調(diào)制在紅外載波上經(jīng)紅外發(fā)射頭發(fā)射出去。接收方由紅外一體化接收頭實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的放大解調(diào)并還原為數(shù)據(jù)流，經(jīng)由單片機(jī)解碼后對(duì)相關(guān)IO口進(jìn)行操作。遙控鑰匙工作原理如圖8所示。

圖8 遙控鑰匙工作原理框圖

第五步：開(kāi)發(fā)手機(jī)APP和服務(wù)器端程序

手機(jī)APP端程序主要接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令給車(chē)鎖。手機(jī)APP的功能主要有：查看里程數(shù)據(jù)，查看速度數(shù)據(jù)，騎行數(shù)據(jù)共享，騎行組隊(duì)，歷史騎行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，卡路里消耗，自行車(chē)解鎖，自行車(chē)加鎖，自行車(chē)定位，報(bào)警提示等操作。

服務(wù)器端程序功能主要有：接收自行車(chē)的騎行數(shù)據(jù)，報(bào)警數(shù)據(jù)，定位數(shù)據(jù)等，歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。

第六步：系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)將自行車(chē)鎖安裝到實(shí)際單車(chē)上，進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，驗(yàn)證智能車(chē)鎖的各種功能是否完整，性能指標(biāo)情況如何等。通過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試，驗(yàn)證該車(chē)鎖正常工作環(huán)境。通過(guò)測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步提出改進(jìn)措施，以期設(shè)計(jì)出一款可以推向市場(chǎng)的智能車(chē)鎖產(chǎn)品。

二：預(yù)期成果

本課題的預(yù)期成果如下：

1：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)智能自行車(chē)鎖原型以及安卓客戶(hù)端和服務(wù)器系統(tǒng)

2：申請(qǐng)專(zhuān)利1項(xiàng)，申請(qǐng)軟件著作權(quán)1項(xiàng)

3：參加省級(jí)及以上比賽并獲得獎(jiǎng)勵(lì)1項(xiàng)

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫(xiě)）

2018年-2019年

1：學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，熟悉各種模塊工作原理

2：研究并設(shè)計(jì)智能馬蹄鎖及其內(nèi)部控制電路

3：集成測(cè)速功能和報(bào)警功能

4：集成低功耗藍(lán)牙模塊和GPS模塊，實(shí)現(xiàn)與APP和服務(wù)器通信

5：設(shè)計(jì)總體電路結(jié)構(gòu)

6：開(kāi)發(fā)手機(jī)客戶(hù)端和服務(wù)器后臺(tái)系統(tǒng)

2019年-2020年

1：完善手機(jī)客戶(hù)端和服務(wù)器后臺(tái)系統(tǒng)

2：實(shí)現(xiàn)遙控鑰匙：集成無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖，解除報(bào)警，啟動(dòng)報(bào)警功能

3：測(cè)試系統(tǒng)并持續(xù)改進(jìn)

4：申報(bào)專(zhuān)利和軟件著作權(quán)，參加比賽

5：撰寫(xiě)項(xiàng)目總結(jié)材料

指導(dǎo)教師意見(jiàn)

本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款智能化無(wú)線(xiàn)智能測(cè)速自行車(chē)馬蹄鎖，該鎖集成了多項(xiàng)功能，比如報(bào)警，霍爾元件測(cè)速，無(wú)線(xiàn)碼表盤(pán)顯示，藍(lán)牙通信，GPS定位和數(shù)據(jù)傳輸，手機(jī)客戶(hù)端控制和管理功能，遙控鑰匙，服務(wù)器后臺(tái)管理系統(tǒng)等。

學(xué)生團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)比較豐富，有過(guò)比賽和參加實(shí)際項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，且項(xiàng)目前期積累比較豐富，有利于順利完成本課題的開(kāi)發(fā)。因此，推薦本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立項(xiàng)。

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