基于卫星定位的电子围栏系统

朱鹏程 范安康 李旭 卢鑫 中国矿业大学徐海学院

引言

针对初代共享单车这一系列的问题，可以设计电子围栏来限制共享单车的停放。该系统将基于Android Studio 开发一个功能相对完善的共享单车APP，以此达到扫码取车、实时监控和电子围栏等功能，其次通过改善通信方式，使得车锁通信更加稳定，最后使用北斗/GPS 双模卫星定位来有效实现车辆的实时定位与监控，最终实现一个可靠的电子围栏系统。

1 北斗/GPS 双模卫星定位

传统的共享单车定位是采用单个卫星定位，常用卫星大致分为北斗和GPS 两种，北斗是采用三频段定位的卫星系统，相比传统的二频段定位的GPS 卫星，北斗卫星的定位精度更高，但是GPS 卫星的地面监控站比北斗多，所以总体的精度还是GPS 高一些。

该系统采用的双模卫星定位模式，既可以单独使用北斗定位，也可以进行北斗、GPS 双模卫星定位。当其中一个定位系统失效时，可以切换至另一个系统实现精准定位，维持系统的正常运行，并且双模卫星定位的精度高于单点卫星定位的精度，正常民用GPS定位精度为10米左右，有时甚至还会出现几百米的定位漂移，不符合共享单车精准定位的要求，而北斗/GPS 双模定位精度达到2.5CEP，大大提高了单车定位的准确性与稳定性，是本系统实现无源电子围栏的重要技术支持。

2 系统总体结构

本系统是基于卫星定位的电子围栏系统，在整个运行过程中，单车锁、APP 服务平台与服务器三者相互联系，硬件车锁获得的信息上传至服务器，服务器作为车锁与APP 通信的媒介，将信息传输至APP，APP 下达的指令也通过服务器发送给硬件车锁。APP 通过API 接口调用百度地图，作为共享单车APP 的电子地图。图1为该系统结构框图。

图1 系统结构框图

用户使用APP 扫描指定二维码对车辆进行解锁时，APP 发送用户ID 至服务器数据库进行匹配，匹配成功后，服务器通过GPRS 模块对单片机发送开锁指令，SIM 卡为GPRS 模块通信提供网络，单片机通过IO 口驱动电机转动打开车锁。在使用进程中，北斗/GPS 模块通过GPRS 模块实时给服务器发送位置坐标，APP 调用百度地图实时显示用户位置。

2.1 系统硬件设计

单车锁使用STM32 SIM800A 单片机作为硬件核心，搭载GPRS模块、北斗/GPS 双模定位模块和驱动电机，以此来实现车锁的指令传输、实时定位和开关功能。

本系统采用的单片机模块是STM32 SIM800A 单片机，无需再外接GPRS 模块，一定程度的缩小了车锁的体积。在整个系统中，GPRS模块配合SIM 卡进行数据传输。定位模块是ATK1218-BD 模块，比普通单模定位模块拥有更高的定位精度，定位精度可以达到2.5CEP。电机锁采用N20 减速电机对其驱动。N20 电机的力矩大，能够使电机锁的开关更加稳定。

2.2 APP 服务平台

服务平台基于Android Studio 开发共享单车APP。应用百度地图作为APP 的电子地图，用户可以在手机上查看自己的实时位置与电子围栏停车区域位置。该系统基于百度地图Android SDK 开发电子围栏功能，通过使用百度地图中API 中的GeoUtils 库，绘制所需的电子围栏，并且采用了百度地图中骑行导航的API，帮助用户规划骑行路线。用户可以在APP上进行注册与登录，登录成功后，用户可以通过APP对车辆进行扫码骑行，当车辆损坏时，用户可以在APP上进行客服报修。

使用共享单车APP对共享单车锁上对应的二维码进行扫码开锁，车锁上的北斗/GPS 双模定位模块对用户进行实时定位，APP 根据用户使用时长进行计费。图2 为共享单车还车流程图。

图2 还车流程图

用户还车时，APP 获取位置信息，判断车辆是否在电子围栏内部，如果车辆已经在指定电子围栏区域，APP 显示还车成功并计费，如果车辆不在电子围栏内部，将提示还车失败，并实时引导车辆归还至最近的电子围栏区域，直至还车成功。

3 服务器的通信

该系统使用TCP 传输协议实现数据传输，使得通信过程更加安全可靠；使用GPRS 通信发送指令给硬件处理器；使用Socket 通信，完成SIM 模块与IP 地址之间的数据传输。

3.1 TCP/IP 传输协议

本系统采用TCP 传输协议实现数据传输。相比UDP，TCP 可以提供更可靠的服务，UDP 不能保证可靠交付。通过TCP 传输的数据，可以做到数据不丢失，传输信道不出现差错，保证通信过程中传输数据的准确性。

3.2 GPRS 通信

共享单车锁通过GPRS 通信实现车锁与服务器端指令的接收与发送，利用GPRS 无线传输数据，实现了车锁的无线通信。GPRS 具有实时在线、高速传输等优点。最重要的是实现了“永远在线”，当没有数据传送时，也可以一直保持着网络连接，保障了车锁与服务器的通信具有高效性。

3.3 Socket 服务

利用socket 服务监听所需的服务器端口，获得客户端的IP与端口。用户通过APP 扫描二维码，扫码成功后，APP 将二维码对应的序列号发送到系统的服务器端获得序列号，查找服务器数据库中的记录，如果数据库中存在这个序列号记录，就向socket 通道中写入开锁信号。如果不一致，断开socket 连接，等到下一个用户再做匹配。

4 结论

该系统采用自主开发的共享单车APP 和车锁硬件，配合北斗/GPS 双模卫星定位实现整个共享单车正常运行，通过测试，该系统符合共享单车的市场要求，符合当代人低碳环保的理念，解决了传统有桩共享单车占用大量土地地资源的问题，也有效地治理了车俩乱停乱放的现象，为传统共享单车出现的问题提供了一种有效的解决方案。