摘 要

随着近两年的发展，共享单车已经走进我们的生活，成为了我们日常几乎不可缺少的交通工具之一，为我们“最后一公里”的出行提供了极大的便利。但是，现在市场上的共享单车也存在着一些不足之处有待改进，一方面是目前的扫码开锁方式速度较慢，用户往往需要等待七到八秒时间；另一方面是扫码开锁的方式安全性较低，我们经常能看到共享单车二维码被涂改的情况发生。为了改善这两个不足之处，本文创新性地提出了基于NFC的开锁方式，设计出了以单片机为主控芯片的共享单车NFC智能锁，并为其设计了配套的Android客户端程序，使得用户使用NFC手机触碰共享单车NFC智能锁即可完成开锁，快捷而又方便。

本设计主要完成以下几个方面的工作：了解共享单车NFC智能锁系统的各个需求并进行方案设计、设计并完善共享单车NFC智能锁的硬件连接、设计并完善共享单车NFC智能锁端的程序以及设计并完善NFC手机客户端程序。

关键词：共享单车；NFC；智能锁；单片机；Android

Abstract

With the development in the last two years, the shared bicycle has come into our life, and it has become one of the most indispensable means of transportation in our daily life, which provides great convenience for our "last mile" trip. However, there are still some shortcomings to be improved on the shared bicycle in the market now. On the one hand, scanning QR Code to unlock the bicycle is slow, and the users often need to wait seven to eight seconds; on the other hand, the security of scanning QR Code to unlock the bicycle is low, and we can often see that the QR Code of the shared bicycle is obliterated. In order to improve the two shortcomings, this paper innovatively proposed the way of unlocking the shared bicycle based on NFC, designed a NFC-based intelligent lock for the shared bicycle, and designed a supporting Android client program for it, so that users can use NFC mobile phone to touch the NFC-based intelligent lock to unlock, which can be quickly and conveniently.

This design mainly completes the following aspects: understand the needs of the NFC-based intelligent lock system for the shared bicycle and design the plan, design and improve the hardware connection of the NFC-based intelligent lock, design and improve the program of the NFC-based intelligent lock, and design and improve the client program of the NFC mobile phone.

Keywords: Shared bicycle, NFC, Intelligent lock, Single Chip Micyoco, Android

目 录

1 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 主要研究内容 2

1.4 拟采用的技术方案 2

1.5 本文的组织结构 4

2 开发工具及原理介绍 6

2.1 开发工具 6

2.1.1 Keil简介 6

2.1.2 Android Studio简介 6

2.1.3 STC89C52RC简介 6

2.2 NFC原理介绍 7

3 系统的需求分析与总体设计 9

3.1 共享单车NFC智能锁的需求分析 9

3.2 设计方案的对比 11

3.3 总体设计图 12

4 硬件设计 15

4.1 总体硬件框图 15

4.2 主控模块 15

4.3 NFC模块 16

4.4 定位模块 20

4.5 无线通信模块 21

4.6 电源模块 21

4.7 电磁锁模块 21

5 软件设计 23

5.1 共享单车NFC智能锁端软件设计 23

5.2 NFC手机端软件设计 23

6 功能测试 25

7 总结 26

参考文献 27

致 谢 28

1 绪论

1.1 目的及意义

自2016年底以来，共享单车行业已经得到了迅猛的发展，积累了广泛的用户群体。共享单车为人们提供了 “最后一公里”的出行方案，如今已经成为了人们出行必不可少的交通工具。

“单车”之所以可以“共享”，关键就在于它的车锁。共享单车诞生之初，ofo公司使用的还是机械车锁解决方案，每辆单车上配有独特的车牌号及二维码，用户通过手机App输入车牌号或扫描二维码来与云端服务器通信，获取该辆单车的固定密码，在机械车锁上输入密码，即可完成开锁。这种车锁有着非常大的弊端，首先，由于机械锁上没有定位系统，所以单车的丢失无法监控；其次，机械车锁非常容易被破解，安全性极低；再者，用户可以通过建立数据库，存储单车的固定密码，等到数据库足够庞大时，不需要通过手机App就可以自己开锁了。后来，ofo公司对机械车锁进行了升级，推出了四位动态密码解锁的电子车锁，安全性大大提高。而摩拜公司推出的智能车锁，则在便利性和安全性上更胜一筹，它也是通过车牌号和二维码来匹配车辆，但它不需要用户输入密码，而是由云端服务器直接向单车发送开锁指令，单车收到指令后自动开锁，而且这种智能车锁配备了GPS定位系统，因此云端服务器可时刻监控车辆位置。

但是，现在市场上的共享单车智能车锁解决方案依然存在许多不足。第一，输入车牌号或者扫描二维码的方式都耗时较长，用户通常需要花费时间等待，体验不佳；第二，夜晚用车时，用户必须打开手机的手电筒功能进行照明，才能输入车牌号或扫描二维码，又增加了用户的操作复杂度；第三，如果车辆上的车牌号和二维码受到污损或遭人恶意损坏，那么该车辆将无法再投入使用。但是NFC智能车锁就能很好地解决这些问题，NFC是一种近距离非接触式的无线通信方式，它工作在13.56兆赫兹的频率上，通信范围只有20厘米以内（大多数产品的通信范围实际上小于10厘米）。如果一个电子设备具有NFC功能，那么它可以通过近距离触碰来进行信息的传送和完成某些功能。共享单车配备NFC智能锁后，用户通过NFC手机触碰NFC智能锁，即可完成开锁，方便快捷，稳定性高 ^[1] 。

1.2 国内外研究现状分析

共享单车是中国所独有的创新产物。中国互联网络信息中心在2018年1月31日发布了第四十一次《中国互联网络发展状况统计报告》。报告指出，截至2017年12月，共享单车用户规模突破2亿，并渗透到21个海外国家。目前，市面上的共享单车的车锁都是采用扫码开锁的方式，并未涉及NFC方式。但NFC技术目前已发展得较为成熟，随着智能手机逐步普及， NFC功能也被更多地应用在了手机上，特别是像华为、小米、一加、苹果、三星这样的主流品牌，他们所生产的手机大部分都具有NFC功能。目前，NFC技术已经广泛地应用于移动支付领域，比如Apple Pay、Samsung Pay、华为Pay、小米Pay等都是NFC技术的应用。另外，NFC技术还被用于手机之间传送数据，比如谷歌公司推出的Android Beam功能。在中国，NFC技术还被广泛地应用于公共交通领域，比如华为和小米的手机就可以通过刷手机乘坐地铁和公交，十分地方便。所以，如果能够将NFC技术应用于共享单车的车锁上，将会大大便利人们的出行。

1.3 主要研究内容

本次的研究内容主要为设计一款共享单车NFC智能锁，用户使用NFC手机触碰该智能锁，即可完成身份验证并开启车锁。为了设计和验证其功能，还需要为它的通信对象——NFC手机和云端服务器设计相对应的软件算法。本次设计的对象为共享单车智能锁的电子部分(包括共享单车NFC智能锁的电路设计、NFC手机上的软件算法设计和云端服务器的软件算法设计)，而机械部分不在研究范围之内。共享单车NFC智能锁应具有操作便利、安全防盗和低功耗等特性。

1.4 拟采用的技术方案

(1)查阅相关资料，对比NFC的三种工作模式(读写器模式、卡模拟模式和点对点模式)的优缺点，确定共享单车NFC智能锁与NFC手机进行通信时手机端的NFC工作模式。若是选择卡模拟模式或点对点模式，则智能锁中要安装NFC控制器，读取手机的卡模拟信号或与手机进行点对点通信；若是选择读写器模式，则智能锁中要嵌入NFC标签，标签中的信息可被手机读取^[2]。

(2)共享单车NFC智能锁采用单片机STC89C52RC为主控芯片，包含电源模块、NFC模块、无线通信模块和电子车锁模块。共享单车NFC智能锁工作时，电源模块负责给整个电路供电，NFC模块负责与用户的NFC手机进行通信，无线通信模块负责与云端服务器进行通信，NFC模块、无线通信模块和电子车锁模块由主控芯片控制，其工作原理图如图1.1所示。

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