天天騎共享單車，可你知道其智能鎖的網(wǎng)絡(luò)制式嗎？
2017-07-15 09:05:53 n
相比蜂窩網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的制式復(fù)雜而且不斷變化，如何非常好的理清不同物聯(lián)網(wǎng)制式的原理、制式特征以及應(yīng)用場(chǎng)景，本文試圖通過講述智能車鎖的應(yīng)用進(jìn)化進(jìn)行說(shuō)明。
首先，我們看看物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要業(yè)務(wù)是什么。LPWA業(yè)務(wù)的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求廣（深）覆蓋且所涉終端數(shù)量巨大，其典型應(yīng)用包含抄表、環(huán)境監(jiān)控、物流、資產(chǎn)追蹤等，是全球各運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)奪連接的主要市場(chǎng)。
那么，承載LPWA類業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)包括哪些呢。LPWA承載技術(shù)包括：基于2/3/4G的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如GSM、GPRS、LTE；基于LTE優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包含針對(duì)成本進(jìn)行了優(yōu)化的LTE Cat 1、針對(duì)成本與功耗進(jìn)行了優(yōu)化的LTE Cat 0及eMTC技術(shù)；基于全新空口設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如NB-IOT；基于非蜂窩承載的技術(shù)，如LoRa、Sigfox等。
最后，我們看看如何針對(duì)智能單車的智能鎖，來(lái)區(qū)分下幾種網(wǎng)絡(luò)制式之間的區(qū)別。
第一代摩拜共享單車，車鎖內(nèi)置的是GSM 模塊，用戶手機(jī)掃描車體二維碼，大約10秒左右，電機(jī)帶動(dòng)和鎖鞘“啪”的一聲，解鎖成功。
GSM 模塊的原理是采用短信解鎖，智能車鎖與插了SIM卡的功能手機(jī)類似，10秒左右的解鎖時(shí)間也正是短信投遞的時(shí)間。
短信解鎖的方式有其優(yōu)勢(shì)，開鎖比較穩(wěn)定，開鎖不需要通過GPRS/3G流量。
但同時(shí)，短信解鎖的方式也有很大的劣勢(shì)，比如鎖需要始終與網(wǎng)絡(luò)保持長(zhǎng)連接的，就是說(shuō)這個(gè)“手機(jī)”始終是開機(jī)的狀態(tài)，時(shí)刻要接收信號(hào)，而目前GSM終端待機(jī)時(shí)長(zhǎng)（不含業(yè)務(wù)）僅20天左右，這之間的耗電就需要通過其他方式轉(zhuǎn)化為電能為其充電。
接下來(lái)共享單車的開鎖速度有了明顯提升，這主要是采用了由服務(wù)器通過GPRS/3G流量開鎖的方式。
GPRS開鎖的好處是等待時(shí)間明顯剪短，從短信開鎖的10秒左右，變成了3秒內(nèi)開鎖，提升了用戶體驗(yàn)。而且隨著網(wǎng)絡(luò)流量?jī)r(jià)格的降低，在頻繁使用過程中要比短信更便宜，獲取的信息量也更大。
GPRS開鎖的劣勢(shì)是，GPRS信號(hào)覆蓋并不是全方位的，一旦有了遮擋或者阻礙物，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)黑點(diǎn)，而且相比其他網(wǎng)絡(luò)制式，GPRS網(wǎng)絡(luò)的死角還相當(dāng)多。
如果采用3G或者4G模塊的話，解決了信號(hào)覆蓋的問題，但是4G通信模塊成本過高，一般需要200元人民幣以上。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家蜂窩通信模塊廠商，但現(xiàn)有蜂窩通信技術(shù)的高功耗、高成本的硬傷，還是不如其他制式更有優(yōu)勢(shì)。
藍(lán)牙開鎖的原理是通過業(yè)務(wù)層校驗(yàn)，手機(jī)下載指令加密包，再將包發(fā)送到藍(lán)牙，從而完成解鎖的。是讓手機(jī)跟車鎖直接交互的一種短距連接方式。
單純的藍(lán)牙解鎖有大量的弊端，首先各家手機(jī)商（這里主要指安卓手機(jī)）藍(lán)牙的芯片版本兼容太差，華為能開的話，魅族和小米不一定，何況市場(chǎng)上數(shù)十種安卓手機(jī)，同樣是華為的在不同的版本都有兼容問題，目前的主要原因是因?yàn)椴少?gòu)的藍(lán)牙芯片差異太大。
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拿小藍(lán)小鳴單車為例，除了IOS系統(tǒng)外，失敗率高達(dá)80%，而且藍(lán)牙的故障率相對(duì)較高。
藍(lán)牙解鎖的優(yōu)點(diǎn)是，可以通過藍(lán)牙輔助流量開鎖。服務(wù)器只需用流量連接用戶手機(jī)，再由手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送開鎖指令到智能鎖。這樣一來(lái)，開鎖功耗大大降低，也不需要依賴鎖中模塊的信號(hào)強(qiáng)度，提高穩(wěn)定性。4G手機(jī)的流量速度也保證了開鎖時(shí)間，開鎖不穩(wěn)定、開鎖時(shí)間慢、耗電等所有問題都可以得以解決。
當(dāng)然藍(lán)牙解鎖的很大問題是，用戶需要手動(dòng)打開藍(lán)牙，并能夠準(zhǔn)確定位對(duì)應(yīng)的車輛才行。
5月23日，國(guó)內(nèi)開啟首個(gè) eMTC/NB-IoT/GSM（LTE Cat M1/NB1和E-GPRS）多模外場(chǎng)測(cè)試，摩拜單車參與了多模LTE IoT外場(chǎng)測(cè)試。
eMTC/NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。
我們先看一下其與上述幾種物聯(lián)網(wǎng)制式相比，顯著的優(yōu)勢(shì)。
一是低功耗：軟件方面可以通過物理層優(yōu)化、新的節(jié)電特性、高層協(xié)議優(yōu)化及操作系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)；硬件實(shí)現(xiàn)低功耗可通過提升集成度、器件性能優(yōu)化、架構(gòu)優(yōu)化等幾種方式。最終的效果是，終端電池壽命理論狀態(tài)將可以達(dá)到10 年。
二是低成本：相較于3G模組20美金成本，多模LTE IoT模組通過規(guī)模商用將使成本減半。目前NB-IoT芯片在—百萬(wàn)左右量產(chǎn)級(jí)別上，價(jià)格為5美元/個(gè)，在千萬(wàn)到億量產(chǎn)級(jí)別上價(jià)格可以下降至1美元/個(gè)。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商模組補(bǔ)貼的政策也將大大降低產(chǎn)品價(jià)格，芯片和模組的成本在短期內(nèi)會(huì)降低，從而替代傳統(tǒng)的GSM、GPRS通訊模組場(chǎng)景，加速應(yīng)用的落地。
三是廣深覆蓋：NB-IoT 覆蓋半徑約是GSM/LTE 的4 倍，eMTC覆蓋半徑約是GSM/LTE 的3 倍。
四是海量終端連接：eMTC/NB-IoT經(jīng)過優(yōu)化，基本可以達(dá)到5 萬(wàn)連接數(shù)/ 小區(qū)。
當(dāng)然，摩拜單車選擇eMTC/NB-IoT制式組網(wǎng)，也有顯著的劣勢(shì)。最直接的表述，就是小馬拉大車。
NB-IoT更多適用于抄表等業(yè)務(wù)。在共享單車上部署NB-IoT有些挑戰(zhàn)，基站的切換與耗電并沒有比2G好很多，也并不優(yōu)于eMTC。其NB-IoT對(duì)數(shù)據(jù)速率支持較差，移動(dòng)性弱，在實(shí)測(cè)環(huán)境中，無(wú)法滿足超過30km/小時(shí)的速度。對(duì)于共享汽車，甚至快遞業(yè)使用，都可能會(huì)產(chǎn)生制約。
考慮網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)性、基站切換、功耗等因素，共享單車更適合于eMTC應(yīng)用，但共享單車沒有對(duì)大帶寬的需求。從帶寬供需角度看，共享單車并不需要1Mbps速率，eMTC看上去似乎也不太適合共享單車的應(yīng)用。
因此，聯(lián)合組網(wǎng)也許是個(gè)不錯(cuò)的方式，未來(lái)有更多的應(yīng)用場(chǎng)景，也將使用到NB-IoT與eMTC互補(bǔ)，甚至需要短距連接互補(bǔ)的方式。綜上所述，通過NB-IoT與eMTC互補(bǔ)+2G與eSIM結(jié)合，才能滿足摩拜的多場(chǎng)景應(yīng)用需求。以上我們對(duì)共享單車智能鎖的網(wǎng)絡(luò)制式有一定了解后，接下來(lái)我們?cè)倭私庀鹿蚕韱诬囍悄苕i的工作原理。
共享單車智能鎖工作原理
現(xiàn)在，共享單車大家每天都在用，大家是否了解其智能鎖的工作原理呢？
手機(jī)掃碼后，共享單車跟服務(wù)器如何通信，服務(wù)器如何下發(fā)指令給共享單車解鎖，這個(gè)過程，網(wǎng)上有很多文章有介紹，本文不做介紹。
本文介紹大家比較關(guān)心的，這個(gè)鎖的機(jī)械裝置到底是怎么工作的。
原則上講，需要驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置是很耗費(fèi)電能的，自行車上的電量并不大，經(jīng)常去充電也不現(xiàn)實(shí)，就算放置有太陽(yáng)能充電，電能還是很寶貴。
智能鎖的電子裝置，要盡可能省電，不要把大量的電能都耗在開關(guān)鎖上。
在機(jī)械裝置方面，如何實(shí)現(xiàn)既能快速開關(guān)鎖，又盡可能省電？
網(wǎng)上找不到相關(guān)文檔。那就自己來(lái)研究。
下面跟大家分享研究所得。
為了方便理解，分別對(duì)車鎖的一些模塊臨時(shí)起了個(gè)名字，可能不符合自行車行業(yè)內(nèi)習(xí)慣，也歡迎自行車行業(yè)內(nèi)人士指正！
智能鎖上的幾個(gè)關(guān)鍵機(jī)械裝置：
（1）鎖舌：鎖舌是一個(gè)半圓圈形狀，用來(lái)鎖住車輪胎。鎖舌上有一個(gè)卡口。跟老式的機(jī)械鎖類似。
（2）卡口：鎖舌上有一個(gè)豁口，用來(lái)卡住鎖舌用。跟卡栓配合使用。卡栓卡在卡口里面，來(lái)保證鎖舌不能移動(dòng)，起到鎖住自行車輪的效果。
（3）卡栓：卡栓，跟一個(gè)彈簧2和一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊連在一起。
（4）彈簧1：跟鎖舌連在一起，拉鎖舌開鎖用。鎖舌的卡口沒有東西卡住時(shí)，利用彈簧1的拉力，把鎖舌拉出來(lái)，鎖舌全部縮回到鎖的內(nèi)部；
（5）彈簧2：在手動(dòng)上鎖后，彈簧2是用來(lái)把卡栓頂入到卡口的。
（6）馬達(dá)以及驅(qū)動(dòng)裝置：馬達(dá)外加周邊齒輪等裝置組成，只在開鎖的瞬間起作用（省電）。馬達(dá)工作時(shí)，通過齒輪，把卡栓從卡口里拉出來(lái)，同時(shí)壓縮住彈簧2 。
下面是抽象出來(lái)的框架示意圖。方便大家理解工作原理。
下面，講解智能鎖的開鎖和上鎖過程。
一、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)。鎖舌穿過自行車輪，車輪被鎖定。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，手工就能把鎖拉開了。
二、開鎖過程：
手機(jī)掃碼后，手機(jī)把共享單車信息發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器給共享單車下解鎖指令。
首先，馬達(dá)開始工作，通過齒輪構(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，鎖舌就從自行車輪中縮回到車鎖內(nèi)部了，共享單車的車輪得到解放，自由了。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。
解鎖成功！
機(jī)械解鎖過程如示意圖所示！
三、上鎖過程：
上鎖是手工上鎖的。省電啊。如果用馬達(dá)把鎖舌拉出來(lái)，那得用大的力量，得耗掉多少的電啊，所以，用人工鎖車的方法，省電。
手工用力拉動(dòng)鎖舌，這個(gè)時(shí)候彈簧1被拉伸。鎖舌穿過自行車輪，進(jìn)入鎖定位置后，鎖舌上的卡口剛好對(duì)著卡栓。通過手工給彈簧1蓄能了，這個(gè)機(jī)械能，在下一次解鎖的時(shí)候用。
卡栓一直被彈簧2頂著，很不爽，發(fā)現(xiàn)另外一端有個(gè)豁口，這下，嗖的一聲，被頂入到卡口中了。這時(shí)候鎖舌就不能動(dòng)了，鎖車完畢。
結(jié)語(yǔ)：
通過摩拜單車智能車鎖的故事我們看到，未來(lái)組網(wǎng)方式并不是非此即彼的選擇，同時(shí)不同垂直行業(yè)，不同應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)制式的選擇還有很長(zhǎng)的路需要摸索。隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并沒有所謂完美的解決方案出現(xiàn)，適用于2G/NB-IoT/eMTC多種連接技術(shù)的多模蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模塊，也許會(huì)成為短期內(nèi)行業(yè)主流。
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