基于共享单车使用现状的一种多功能支架设备研究

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在共享单车运营期间存在一些问题，例如共享单车倾倒，不仅会影响城市容貌，而且还可能导致城市出现交通堵塞。

随着科技和互联网不断发展，人们也逐渐对手机产生了依赖，遇到各类问题首先想到的解决方案均依靠手机。

同时，对共享单车的使用频数和当天天气进行分析可以发现，共享单车的使用受天气变化的影响，阴雨天尤为明显。

针对以上问题，该文设计了1个基于传感技术和互联网技术的多功能支架，设备采取无线通信协议实现顾客在手机App 端操作解锁，设备选用“固体摆”式电感水平仪检测共享单车是否发生倾倒，在该设备底端设有压力按钮以及压力传感器的反馈模块，运用树莓派作为检测模块载体，信息通过基于TCP/IP 协议的HTTP 协议进行传输，最后使用MySQL 数据库来存储共享单车的检测数据和处理结果。

同时，该设备还提供手机支架以及雨伞支架的基础支架功能，设备功能更齐全。

1 设备各功能装置1.1 单车倾倒检测装置
共享单车长时间的不规范停放以及倾倒问题不仅会导致
城市道路的交通阻塞，而且还会影响城市的容貌，为了解决单车倾倒后无人及时解决的问题，该设备提供了单车倾倒检测装置。

随着自动化和电子测量技术的不断发展，倾角传感器从工作原理上可分为“固体摆”式、
“液体摆”式以及“气体摆”3种倾角传感器[1]；而对电子水平仪来说，又分为电容和电感水平仪，电容传感器具有测量范围大、精度高、动态响应时间短以及适应性强等优点[2]，电感式传感器可以测量一些物理量，以便将其转化成为电阻值的测量工具，这些物理量中包
括物体的位移以及它的加速度等[3]。

由于共享单车倾倒并无人扶起一直维持倾倒状态，因此对测量灵敏度要求并不高，结合经济效益选用“固体摆”电感式水平仪进行单车倾倒检测。

检测装置主要由线圈、摆锤构成，在单车发生倾倒后，固体摆受重力的影响发生位置变化，摆锤与检测装置内部的感应线圈相连，感应线圈的电压发生改变。

共享单车检测装置在共享单车不同状态下的示意图如图1所示[4]。

1.2 支架功能装置
在骑行共享单车的过程中，常常存在单手骑车等危险骑行状况，且共享单车经常受到天气的影响，结合顾客使用习惯，亟需研制具有其他亮点功能的新一代设备。

对手机支架固定类型来说，可以分为强力磁吸和卡扣固定2种固定类别。

为了避免发生因磁吸强度减弱而导致消费者手机脱落并损坏，使公司与消费者群体产生纠纷的现象，该文选用卡扣式固定方式。

固定支架有支撑手机底部的支撑件及对手机侧边支撑的夹持件，夹持件设置有左右对称的2个，夹持件包括夹持臂和触发臂，夹持臂与触发臂相连，同一夹持件的夹持臂及触发臂同侧设置且伸出外壳外部，夹持臂的末端设置有夹持部[5]，使支架效果更牢固。

为了解决烈日、下雨期间共享单车的使用次数呈断崖式降低的现象，该设备上有雨伞固定支架。

该固定装置装有固定雨伞的绑缚带和雨伞托板，绑缚带设于智能底座后侧壁上，雨伞托板设于绑缚带下方，且固定在设备底座后侧壁上[4]。

将雨伞伞柄放在雨伞托板上，可避免雨伞下落或左右移动，同时绑缚带可以辅助雨伞固定，缓减一些骑行过程致使伞滑落的冲撞力，使伞牢固地固定在装置上。

1.3 支架减震装置
对共享单车不同城市车辆投放量、不同城市道路情况进行分析可以发现，在道路坑洼、崎岖的地区有一定量的共享单车，但是这些地区难免因路面不平整等其他因素而导致单车颠簸。

为了保护手机不会因受到其他力的冲撞而发生破损，
基于共享单车使用现状的一种多功能
支架设备研究
王家琪1 李耀文2 程正美1
（1.西南交通大学希望学院，四川 成都 610400；2.四川大学，四川 成都 644299）
摘 要：针对共享单车存在的危险骑行、问题反馈不及时、骑行受天气影响较大以及车辆倾倒无法及时扶正等问题，
该文设计了一个基于传感技术和互联网技术的多功能支架，该支架包括物理运用以及通信系统2个部分。

该设备通过电感式水平仪检测共享单车是否倾倒，基于无线通信技术实现顾客在手机上操作设备解锁，信息反馈系统采用嵌入式系统，根据TCP/IP 协议精准、高效地传输信息。

该设备功能设计多样化、操作简单，可以较快地反映每个共享单车的实时状况是否良好。

关键词：共享单车；电感水平仪；无线通信；TCP/IP 协议；嵌入式系统中图分类号：TH 82 文献标志码：A
基金项目：2022年国家级大学生创新训练项目一般项目“基于传感技术与互联网技术的多功能支架”（项目编号
：202214262029）;四川省2022年省级大学生创新创业训练计划项目“基于传感技术与互联网技术的多功能支架”（项目编号：10141）。

图1 单车倾斜检测装置示意图
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在设备上安装减震装置。

装置主要由主压板、主安装板、主减
震块、副压板、副减震块、副安装板、连接缓冲板、连接件、连接弹簧、缓冲弹簧、主缓冲杆和副缓冲杆等组成,在这些零件的有机结合下完成设备的减震工作[6]。

当共享单车发生颠簸时，通过夹块上的弹性空心腔体在一定范围内发生弹性形变，对夹块起到缓冲作用，使更少的冲击力作用到手机上，保证手机的稳定性。

1.4 压力传感装置
根据心理学调查可以发现，很少有消费者愿意在共享单车使用程序上反馈共享单车发生了故障。

为了顺应人类的本性，使企业能尽快收到问题单车的信息反馈，在设备底端设有由压力按钮和压力传感器组成的压力传感装置。

当用户发现该共享单车存在故障时，可在共享单车免费使用时间段内持续按车辆故障反馈按钮5 s 左右，用户通过按压该压力按钮，硅压阻性传感器内含对压力和温度敏感的元件，经过温度补偿和压力校准后精准的输出[7]，可以避免因误触而增加维修人员负担的情况，输出的信息通过系统进行传输。

综合以上4个装置设计该多功能支架，该设备的示意图如
图2所示[4]。

2 嵌入式系统2.1 整体架构
该项目的通信部分架构如下：树莓派作为检测模块载体，
可以连接各种传感器和检测设备，以检测共享单车的各项参数和状态。

树莓派可以采集车辆位置、电池电量以及车辆状态等信息，将这些信息上传至后端服务器，供管理系统使用。

树莓派可以通过Wi-Fi 、4G 等网络方式连接至互联网，与后端服务器进行数据交互。

管理系统主要包括前端和后端2个部分。

前端是管理员操作的界面，可以管理共享单车的信息。

后端负责处理前端发来的请求，与数据库进行交互，并将数据返回给前端。

后端还需
要与树莓派进行通信，以获取共享单车的状态信息。

管理系统的角色应该是系统管理员，对共享单车进行管理和监控。

前端是系统管理员操作的界面，后端是处理管理员请求和获取共享单车状态信息的核心。

而树莓派则是系统的组成部分，可以检测共享单车状态，将检测到的状态信息上传至后端服务器，供管理系统使用。

系统整体架构示意图如图3所示。

2.2 硬件模块
树莓派是一种基于Linux 操作系统的微型电脑，它具有体积小和功耗低的特点。

树莓派的硬件配置包括处理器、内存、存储和各种接口，其中比较常见的型号有树莓派3、树莓派4等。

在设计共享单车检测模块的过程中，可以考虑使用树莓派连接各种传感器和检测设备，通过GPIO 等接口进行数据采集和传输。

例如，可以使用加速度传感器、GPS 模块等设备检测共享单车的位置、速度等参数。

通过树莓派采集相关数据并上传至后端服务器进行数据分析和处理，实现对共享单车进行状态监测和管理的目标。

2.3 通信方式
为了将故障检测的结果上传至服务器，该文引入一种通信协议。

HTTP （Hyper Text Transfer Protocol ）协议是基于TCP/IP 协议的应用层协议，通常用于客户端和服务器之间的数据传输，一个完整会话过程主要包括建立TCP 连接、发送请求、接收应答和关闭TCP 连接4个步骤[8]。

在基于树莓派的共享单车检测模块中，可以使用HTTP 协议来实现树莓派与管理系统之间的数据传输。

在树莓派上运行一个HTTP 客户端程序，向管理系统发送HTTP 请求，以获取共享单车的检测数据或上传共享单车的检测结果。

而管理系统可以运行一个HTTP 服务器程序，接收来自树莓派的HTTP 请求，并将数据存储到数据
库中或者将处理结果返回给树莓派。

在该项目中，使用HTTP 协议来实现树莓派和服务器之间的数据传输。

树莓派上可以
1-固定座；11-夹持座；12-减震座；121-腔体；122-座体；13-紧固块；14-手机托板；2-智能底座；3-电感式
水平仪；31-摆锤；4-球关节；5-绑缚带；51-雨伞托板；6-压力按钮；7-连接件；71-卡块；72-弹性件。

图2 设备正视图与侧视图
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使用Python 编写HTTP 客户端程序，通过发送HTTP 请求和接收HTTP 响应来实现数据交互。

该文采用Python 的request 库来实现HTTP 客户端。

2.4 服务端
在该项目中，服务端采用Express 框架实现，Express 是一个基于Node.js 的Web 应用程序框架，它提供了简洁、灵活的API ，使得开发Web 应用程序变得更容易，可以使用Express 来实现服务端的功能，其步骤如下：1） 接收来自树莓派的HTTP 请求，提取请求中的参数和数据。

2） 对接收到的数据进行处理，例如将数据存储到数据库中或者进行其他的业务处理。

3） 将处理结果返回给树莓派，以便树莓派根据返回结果进行相应的操作。

2.5 数据库
在该项目中，可以使用MySQL 数据库来存储共享单车的
检测数据和处理结果。

MySQL 是一个开源的关系型数据库管理系统，具有高性能、可靠性和安全性等特点。

MySQL 支持多种操作系统和编程语言，可以满足各种不同场景下的需求。

在使用MySQL 数据库前，先创建数据库和表格并进行相关的设置和配置，例如设置表格的字段、数据类型、主键以及索引等，以保证数据的完整性和有效性。

再通过服务端程序连接MySQL 数据库并对数据进行读写操作，例如将共享单车的检测数据存储到数据库中或者从数据库中读取数据进行分析和处理。

为了保障数据库的安全性，还需要采取一些安全性措施，例如设置访问权限、加密数据传输以及备份数据等，以保障数据库和数据的安全性和可靠性。

同时，还需要对数据库进行监控和管理，例如定期备份数据、监控数据库性能等，以保证数据库的稳定性和可靠性。

2.6 管理系统
在该项目中，管理员系统可以使用Vue 框架作为前端技术。

前端是指在浏览器中运行的用户界面部分，主要由HTML 、CSS 和JavaScript 等技术组成，它与服务端进行数据交互，实现了浏览器与用户的交互体验。

在该项目中，前端
可以使用Vue 框架来实现，例如实现数据展示、数据修改以及数据统计等功能，还可以通过Vue 的路由功能实现不同页面之间的跳转和切换。

通过服务端程序和数据库实现数据的交互和处理。

管理员系统可以提供登录、注册等功能，以保障管理员账户的安全性。

管理员可以通过系统查询共享单车的检测数据和处理结果并对数据进行修改、删除等操作。

同时，管理员系统还可以提供数据分析和统计功能，例如统计共享单车的使用情况、故障情况等，以帮助管理员更好地管理共享单车。

3 结语
该设备集多种功能于一体，对消费群体来说，共享单车功能更齐全，出行更方便；对共享单车公司来说，该设备不仅可以创造更多的收益，而且可以引流更多的顾客选择共享单车作为交通工具的首选；同时，各类技术维修人员工作较简单，可以迅速解决各类维修问题。

参考文献
[1]张维胜.倾角传感器原理和发展[J].传感器世界，2002（8）：18-21.
[2]张白莉.电容式传感器的应用和发展[J].忻州师范学院学报，2005（2）：24-26.
[3]李性珂，王辉.电路系统设计中电感式位移传感器的应用[J].网络安全技术与应用，2014，163（7）：35-36.
[4]王家琪，程正美，何坤，等.一种多功能支架：CN218198634U[P].2023-01-03.
[5]潘跃义.手机支架：CN202220623374.9[P].2022-06-14.
[6]韩海敏.一种用于机械设备的改进型减震装置的设计[J].机械工程与自动化，2022，233（4）：113-114.
[7]沙占友，马洪涛，葛家怡.基于网络的智能精密压力传感器原理与应用[J].半导体技术，2003（7）：38-40，42.
[8]李康，陈清华，卢金星.HTTP 协议研究综述[J].信息系统工程，2021，329（5）：126-129.
图3 系统整体架构示意图
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