基于智能终端的共享单车电子围栏系统

刘虎 陈伟

摘要 本文首先对智能终端的功能和共享单车电子围栏的需求进行了阐述，在此基础上，对共享单车电子围栏存在的问题进行了分析，通过不同技术的比较，得出了智能终端在共享单车电子围栏中的优势，提出了智能终端与地标结合，并采用软U盾和安全密钥技术的共享单车电子围栏解决方案，通过测试和分析，得出了该方案是可行的。

【关键词】智能终端 地标 电子围栏 共享单车 软U盾 安全密钥

1 引言

随着经济不断发展，人们出行，特别是上下班高峰时候，对便捷的近距离交通的诉求也越来越高，为了解决人们在近距离的交通拥堵问题，最近一年多推出了基于移动智能终端的共享单车（自行车）的方案，这种共享单车的方案虽然解决了上班族从地铁或者公交站到目的地之间的交通问题，但也带来了一个比较难解决的问题：共享单车乱停放的情况非常普遍，特别是在上下班高峰时间的地铁站附近，有些单车随意放在人行道上，有些单车直接停放在慢行道上，甚至有些单车会出现在大桥慢行道的上下坡道上，给道路交通带来很大的安全隐患，城市管理也面临比较大的挑战。共享单车是与智能终端的扫码和移动通信技术结合完成租借服务和扣费，而移动智能终端基本都具备的蓝牙功能，如果能够参与到租借单车的服务中，结合地标蓝牙，则会构成一个精准度比较高的电子围栏，从而为解决乱停乱放共享单车提供技术支持，有效提高了共享单车的监管。

2 现状

截止2017年5月，市场上约有1000多万的单车数量，投放量也是放量增长。共享单车应当在规范中发展、在发展中规范。为了便于管理，有些地方设置了电子围栏，但这些电子围栏基本上是“形同虚设”，所有试验均以失败告终一一单车与那白线之间，似乎毫无关联。目前市面上推出的电子围栏技术的共享单车大体分为两类，一种以蓝牙搭配GPS，例如摩拜：另一种则使用了北斗导航卫星定位技术，例如ofo。“这两种方式各有利弊”，由于技术限制，卫星在定位车辆时暂时无法做到百分百准确，此外定位还会受实际环境影响，需要适当借助地面增强系统才能更准确地定位。而该技术的优势是兼容性强，目前市面上绝大多数共享单车，均可直接接入系统。蓝牙+GPS的体系，理论上定位会相对准确，可达到亚米级，即控制在1米内，但需要配备地面发射器，“有时铺设发射器需要施工排线加装道钉，还要定期更换电池”，这些都要花费建设成本和维护费用。一般情况下，按照电子围栏的长短，道钉至少要安装四个，一年的费用需上万元。还有一些是采用竖立杆子的方式，不仅需要取电，而且影响市容。另外，也有尝试使用RFID的，但RFID存在供电和竖立杆子的问题。

由于现有的电子围栏存在上述种种问题，本文基于智能终端的功能和电子围栏的需求，提出了一种新型的基于移动智能终端的，与软U盾和安全密钥结合的电子围栏技术，不仅围栏精度高，准确可靠，安全便捷，用户当场就可以确定是否停在规定的位置，地标采用定向天线和功率控制，有效降低成本。

3 技术概述

本文提出的基于移动智能终端的，与软U盾和安全密钥结合的电子围栏技术，结构框图如图1。

其中，车载无线标识可与锁具集成在一起，低功耗定向标识采用定向天线，且根据实际需要调整发射功率和发射周期;车载无线标识和低功耗定向标识发送蓝牙数字签名，在借车人的智能终端完成数字签名验签，且通过借车人的智能终端的app转发给后台系统进行二次确认和记录。流程如下：

（1）车载蓝牙标识模块编号与车辆编号信息绑定，并在后台建立数据库，确保车载蓝牙模块编号信息与车辆编号信息一一对应;

（2）在指定的停车点位埋设蓝牙地标模块，蓝牙地标模块可以设置在地面或者地表下，例如设置在人行道地砖内，采用电池供电。每个停车点位的蓝牙检测模块的编号不同，这个编号与点位编号一一对应;

（3）用户在实名注册的时候，完成软U盾和安全密钥的下载，该软U盾是用于保管安全密钥的，而安全密钥则是用于签名验签的，采用CPK （Combined Public Key）非对称密钥，该密钥的优点是在使用过程中仅需要标识交换，不需要进行密钥交换，而且具有海量（10⁴⁸个）的有效公私钥对;

（4）在借车的时候，手机端通过输入单车的编号或者扫描单车的二维码，将上述单车信息发给后台，通过后台获取对应车辆的车载蓝牙编号;用车人停车落锁后，在手机端APP上点还车，手机端通过手机蓝牙先获取刚落锁的车辆的绑定的蓝牙编号， （通过这种方式，确保单车和人在一起），然后读取地面用于检测的蓝牙编号，这样确保借车人，所借用的共享单车，停放在指定的停车点位的时候才能够成功还车;

（5）为防止信息被复制或者篡改，上述两个编号信息是通过CPK公私钥对进行数字签名的，手机获取上述两个编号信息后，通过手机软U盾中的CPK安全密鑰对进行数字签名验签：

（6）通过手机端的数字签名验签后，将两个标识编号由手机发给后台，后台系统根据停车点位的标号以及车载蓝牙的标号判断单车是否在指定位置还车;

（7）还车的时候，如果在规定的时间，手机没有获取上述两个编号标识信息，无论是哪一个信息没有获取，都无法给后台发送两个有效的编号标识，或者获取的编号标识信息与后台设置和记录的编号标识信息不匹配，则停车监管平台通过单车运营平台给用户提示信息，比如“请在指定区域停放，否则计费仍然继续”;

（8）如果在指定点位还车，则停车监管平台通过单车运营平台给用户提示“还车成功，停止计费”。

（9）在手机端无网络的情况下，可以支持在手机端使用内嵌的软U盾和CPK安全密钥与地标，车载蓝牙标识进行数字签名验签，完成离线判断。

4 应用

实际使用中，将地标埋设在地砖中，地砖内置工程塑料盒以及可拆卸密封盖子，便于更换电池。地砖实物图如图2。

假设地砖中的地标功率覆盖分为是3米，则单个地砖的覆盖范围如图3。

可根据市政停车位规划和停车需求，灵活调整，多地标链接方式如图4。

用公式可估算出覆盖范围是：

L=（n-l）xi

（1）

其中L是停车位总长度，n是地标个数，i是两个地标之间的距离，可通过调整功率调整覆盖范围），如覆盖范围小于i，则只需一个地标。

地标采用18650，3.7v，2600mah，按照每间隔6秒发送一次标识信息，则需要支持的工作总时间是：24*3600*365/6= 5256000秒，假设发送一次占用500us，电流是10MA，需要电池量为5256000/（（ 2600/10*3600）/0.5）_ 2.8节，考虑到其他功率消耗，用4节电池够用一年。

图5是实际应用中成功还车和没有成功还车的截图。

地标电子围栏施工方式如下：

（1）外观设计是行道砖;

（2）行道砖采用水泥外壳，坚固可靠;

（3）行道砖内预先设置地标信息发生器;

（4）施工时，只需对行道砖进行替换。5结束语

本文提出的基于智能终端的电子围栏系统的特点和优势如下：

（1）安装简单方便，与停车周边环境融合，不影响市容;

（2）低功耗，電池供电，可持续使用2～3年：

（3）覆盖范围可根据需要灵活调节，更适合多点位部署;

（4）可埋设在行道砖中，易于施工;

（5）定位比GPS精准，误差小;

（6）接口简单，可与各个厂商对接兼容：

（7）准确获取停车点位共享单车数量信息;

（8）停车点位，不需要北斗或者GPS;

（9）在暂时无移动信号的情况下，依然可定位到电子围栏。

结合软U盾和安全密钥技术，通过实际测试和分析，这种基于智能终端的共享单车电子围栏系统方案是可行的，不仅围栏精度高，准确可靠，安全便捷，用户当场就可以确定是否停在规定的位置，而且地标采用定向天线和功率控制，有效降低成本。同时在技术防范的基础上，结合人员防范，则会达到更好的管理效果。

参考文献

[1]《2017年中国共享单车行业发展概况分析》，2017.http：//www.chyxx.com/industry/201711/584805.html.

[2]《靠电子围栏圈共享单车？记者亲测：多为摆设效果堪忧>，2017. http：//www.sohu. com/a/192936213_114760.

[3]《一种验证方法》，林锦吾，刘虎，专利申请号：201610971327.2，2 016.

[4]《CPK密码体制与网际安全》南湘浩，2008年，国防工业出版社出版.ISBN9787118059397.