天天骑共享单车,可你知道其智能锁的网络制式吗?

2017-07-15 09:05:53 来源:n

相比蜂窝网络,物联网的制式复杂而且不断变化,如何非常好的理清不同物联网制式的原理、制式特征以及应用场景,本文试图通过讲述智能车锁的应用进化进行说明。

首先,我们看看物联网应用的主要业务是什么。LPWA业务的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求广(深)覆盖且所涉终端数量巨大,其典型应用包含抄表、环境监控、物流、资产追踪等,是全球各运营商争夺连接的主要市场。

那么,承载LPWA类业务的物联网通信技术包括哪些呢。LPWA承载技术包括:基于2/3/4G的物联网技术,如GSM、GPRS、LTE;基于LTE优化的物联网技术,包含针对成本进行了优化的LTE Cat 1、针对成本与功耗进行了优化的LTE Cat 0及eMTC技术;基于全新空口设计的物联网技术,如NB-IOT;基于非蜂窝承载的技术,如LoRa、Sigfox等。

最后,我们看看如何针对智能单车的智能锁,来区分下几种网络制式之间的区别。


第一代摩拜共享单车,车锁内置的是GSM 模块,用户手机扫描车体二维码,大约10秒左右,电机带动和锁鞘“啪”的一声,解锁成功。

GSM 模块的原理是采用短信解锁,智能车锁与插了SIM卡的功能手机类似,10秒左右的解锁时间也正是短信投递的时间。

短信解锁的方式有其优势,开锁比较稳定,开锁不需要通过GPRS/3G流量。

但同时,短信解锁的方式也有很大的劣势,比如锁需要始终与网络保持长连接的,就是说这个“手机”始终是开机的状态,时刻要接收信号,而目前GSM终端待机时长(不含业务)仅20天左右,这之间的耗电就需要通过其他方式转化为电能为其充电。


接下来共享单车的开锁速度有了明显提升,这主要是采用了由服务器通过GPRS/3G流量开锁的方式。

GPRS开锁的好处是等待时间明显剪短,从短信开锁的10秒左右,变成了3秒内开锁,提升了用户体验。而且随着网络流量价格的降低,在频繁使用过程中要比短信更便宜,获取的信息量也更大。

GPRS开锁的劣势是,GPRS信号覆盖并不是全方位的,一旦有了遮挡或者阻碍物,就会产生信号黑点,而且相比其他网络制式,GPRS网络的死角还相当多。

如果采用3G或者4G模块的话,解决了信号覆盖的问题,但是4G通信模块成本过高,一般需要200元人民币以上。随着物联网的兴起,虽然国内已经有多家蜂窝通信模块厂商,但现有蜂窝通信技术的高功耗、高成本的硬伤,还是不如其他制式更有优势。

蓝牙开锁的原理是通过业务层校验,手机下载指令加密包,再将包发送到蓝牙,从而完成解锁的。是让手机跟车锁直接交互的一种短距连接方式。

单纯的蓝牙解锁有大量的弊端,首先各家手机商(这里主要指安卓手机)蓝牙的芯片版本兼容太差,华为能开的话,魅族和小米不一定,何况市场上数十种安卓手机,同样是华为的在不同的版本都有兼容问题,目前的主要原因是因为采购的蓝牙芯片差异太大。

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拿小蓝小鸣单车为例,除了IOS系统外,失败率高达80%,而且蓝牙的故障率相对较高。

蓝牙解锁的优点是,可以通过蓝牙辅助流量开锁。服务器只需用流量连接用户手机,再由手机蓝牙发送开锁指令到智能锁。这样一来,开锁功耗大大降低,也不需要依赖锁中模块的信号强度,提高稳定性。4G手机的流量速度也保证了开锁时间,开锁不稳定、开锁时间慢、耗电等所有问题都可以得以解决。

当然蓝牙解锁的很大问题是,用户需要手动打开蓝牙,并能够准确定位对应的车辆才行。


 

5月23日,国内开启首个 eMTC/NB-IoT/GSM(LTE Cat M1/NB1和E-GPRS)多模外场测试,摩拜单车参与了多模LTE IoT外场测试

eMTC/NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。

我们先看一下其与上述几种物联网制式相比,显著的优势。

一是低功耗:软件方面可以通过物理层优化、新的节电特性、高层协议优化及操作系统优化实现;硬件实现低功耗可通过提升集成度、器件性能优化、架构优化等几种方式。最终的效果是,终端电池寿命理论状态将可以达到10 年。

二是低成本:相较于3G模组20美金成本,多模LTE IoT模组通过规模商用将使成本减半。目前NB-IoT芯片在—百万左右量产级别上,价格为5美元/个,在千万到亿量产级别上价格可以下降至1美元/个。同时,运营商模组补贴的政策也将大大降低产品价格,芯片和模组的成本在短期内会降低,从而替代传统的GSM、GPRS通讯模组场景,加速应用的落地。

三是广深覆盖:NB-IoT 覆盖半径约是GSM/LTE 的4 倍,eMTC覆盖半径约是GSM/LTE 的3 倍。

四是海量终端连接:eMTC/NB-IoT经过优化,基本可以达到5 万连接数/ 小区。

当然,摩拜单车选择eMTC/NB-IoT制式组网,也有显著的劣势。最直接的表述,就是小马拉大车。

NB-IoT更多适用于抄表等业务。在共享单车上部署NB-IoT有些挑战,基站的切换与耗电并没有比2G好很多,也并不优于eMTC。其NB-IoT对数据速率支持较差,移动性弱,在实测环境中,无法满足超过30km/小时的速度。对于共享汽车,甚至快递业使用,都可能会产生制约。

考虑网络的延时性、基站切换、功耗等因素,共享单车更适合于eMTC应用,但共享单车没有对大带宽的需求。从带宽供需角度看,共享单车并不需要1Mbps速率,eMTC看上去似乎也不太适合共享单车的应用。

因此,联合组网也许是个不错的方式,未来有更多的应用场景,也将使用到NB-IoT与eMTC互补,甚至需要短距连接互补的方式。综上所述,通过NB-IoT与eMTC互补+2G与eSIM结合,才能满足摩拜的多场景应用需求。以上我们对共享单车智能锁的网络制式有一定了解后,接下来我们再了解下共享单车智能锁的工作原理。

共享单车智能锁工作原理

现在,共享单车大家每天都在用,大家是否了解其智能锁的工作原理呢?
 

共享单车智能锁工作原理
 

手机扫码后,共享单车跟服务器如何通信,服务器如何下发指令给共享单车解锁,这个过程,网上有很多文章有介绍,本文不做介绍。
 

本文介绍大家比较关心的,这个锁的机械装置到底是怎么工作的。
 

原则上讲,需要驱动机械装置是很耗费电能的,自行车上的电量并不大,经常去充电也不现实,就算放置有太阳能充电,电能还是很宝贵。
 

智能锁的电子装置,要尽可能省电,不要把大量的电能都耗在开关锁上。
 

在机械装置方面,如何实现既能快速开关锁,又尽可能省电?
 

网上找不到相关文档。那就自己来研究。


下面跟大家分享研究所得。
 

共享单车智能锁工作原理


为了方便理解,分别对车锁的一些模块临时起了个名字,可能不符合自行车行业内习惯,也欢迎自行车行业内人士指正!
 

智能锁上的几个关键机械装置:

(1)锁舌:锁舌是一个半圆圈形状,用来锁住车轮胎。锁舌上有一个卡口。跟老式的机械锁类似。

(2)卡口:锁舌上有一个豁口,用来卡住锁舌用。跟卡栓配合使用。卡栓卡在卡口里面,来保证锁舌不能移动,起到锁住自行车轮的效果。

(3)卡栓:卡栓,跟一个弹簧2和一个马达驱动模块连在一起。

(4)弹簧1:跟锁舌连在一起,拉锁舌开锁用。锁舌的卡口没有东西卡住时,利用弹簧1的拉力,把锁舌拉出来,锁舌全部缩回到锁的内部;

(5)弹簧2:在手动上锁后,弹簧2是用来把卡栓顶入到卡口的。

(6)马达以及驱动装置:马达外加周边齿轮等装置组成,只在开锁的瞬间起作用(省电)。马达工作时,通过齿轮,把卡栓从卡口里拉出来,同时压缩住弹簧2 。
 

下面是抽象出来的框架示意图。方便大家理解工作原理。
 

共享单车智能锁工作原理


下面,讲解智能锁的开锁和上锁过程。
 

一、锁定状态

锁定状态下,弹簧1处于放松状态,卡栓顶在锁舌的卡口中,锁舌不能移动。锁舌穿过自行车轮,车轮被锁定。马达模块处于关闭状态。

弹簧2处于压缩状态,顶着卡栓不动。卡栓松动话,手工就能把锁拉开了。
 

二、开锁过程:

手机扫码后,手机把共享单车信息发给服务器,服务器给共享单车下解锁指令。

首先,马达开始工作,通过齿轮构成的传动装置,把卡栓往上拉,拉离那个卡口。同时卡栓压缩了弹簧2。

锁舌的卡口上,没有了卡栓的阻拦,弹簧1对锁舌的拉力,会把锁舌快速拉回来。嗖的一声,锁舌就从自行车轮中缩回到车锁内部了,共享单车的车轮得到解放,自由了。解锁成功。

锁舌上的卡口的位置移动到别的地方,卡栓不能影响锁舌。

卡栓一端被弹簧2顶着,另一端被锁舌顶着。马达不需要去控制卡栓了,马达关闭。

解锁成功!

机械解锁过程如示意图所示!

共享单车智能锁工作原理


三、上锁过程:

上锁是手工上锁的。省电啊。如果用马达把锁舌拉出来,那得用大的力量,得耗掉多少的电啊,所以,用人工锁车的方法,省电。
 

手工用力拉动锁舌,这个时候弹簧1被拉伸。锁舌穿过自行车轮,进入锁定位置后,锁舌上的卡口刚好对着卡栓。通过手工给弹簧1蓄能了,这个机械能,在下一次解锁的时候用。

卡栓一直被弹簧2顶着,很不爽,发现另外一端有个豁口,这下,嗖的一声,被顶入到卡口中了。这时候锁舌就不能动了,锁车完毕。
 

共享单车智能锁工作原理
 


结语:

通过摩拜单车智能车锁的故事我们看到,未来组网方式并不是非此即彼的选择,同时不同垂直行业,不同应用场景下,对网络制式的选择还有很长的路需要摸索。随着产业的发展,并没有所谓完美的解决方案出现,适用于2G/NB-IoT/eMTC多种连接技术的多模蜂窝物联网模块,也许会成为短期内行业主流。

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