导读:撬开一把智能锁容易,造一把智能锁很难; 造一把智能锁容易,造一架暖心的单车很难! 如今,共享单车已经成为许多人出行中必不可少的一部分。师爷每天上班不想挤地铁的时候,往往就会找一辆共享单车,掏出手机扫扫码骑上就走,随到随停。但其实师爷每天骑着车都无暇看路的,满脑子都在想,这个智能锁啥原理啊,能不能偷偷拆开看一看呢? 智能锁大拆解 师爷虽不敢以身试险,但“艺高人胆大”的大有人在,一起来看下大神们是怎么撬开智能锁的: 这是一款基于 蓝牙技术 的共享单车智能锁 如照片所示,智能车锁正面是一个常见的二维码,整个锁体被紧密的外壳所包围,拆下大大小小的背盖,即可看到车锁的内部结构。 上图的电机不知道在哪里?掀开盖子与电路板,它正瑟瑟发抖地躲在里面... 整个智能锁的功能实现都靠着这块小小的控制电路板,可以看到上面分布着限位开关、按键(空置)、电源、外接电源(接电容)、电机、蜂鸣器(平常我们开关锁时哔哔叫的那个)等接口,连接/控制着大大小小的器件。 在这里值得一提的是,为何电路板的外接电源接口上接个大电容呢,师爷猜测是为了在电池电量耗尽之前,通过电容保存的一点电量以供智能锁正常锁闭。 这块电路板的控制器采用的是TI的CC2541,一款搭载低功耗蓝牙和8051MCU的 SoC芯片 。这块小小的芯片里存放着整个电路的控制逻辑,使智能锁能与我们的手机进行蓝牙通信(看到上图右边那长得像贪食蛇的PCB板载蓝牙天线了吗~),并控制电机、限位开关、蜂鸣器等器件正常工作。至于下面那片小小的AnalogTekAT9110则是非常常见的电机驱动芯片。 拿下电路板,来看看 电机控制部分 :电机通过一系列传动齿轮控制金属杆向上移动解锁。但电机是一个输出装置,它可不知道金属杆向上移动的限度在哪。于是设计者在金属杆的限位点处,放置了相应的限位器,当金属杆向上移动到限位点,触发限位器,限位器就会通过电平变化告诉电路板上的控制器:“啊啊,金属杆到顶啦!”控制器也会很默契地让电机停止转动。 把金属杆抽出来,更容易看到它是如何被操纵以开锁/关锁的。 整个智能锁的拆解就如以上所示。但具体手机是如何与智能锁通信,让其开锁的呢? 事实上,智能锁或者是共享单车厂家,会为所有的锁建立数据库,让每一把锁都具备一个独特的蓝牙配对密码。当我们用微信扫一扫智能锁正面的二维码,即通过移动网络连接至厂家的服务器,获取蓝牙配对密码,即可与智能锁进行蓝牙配对,通信解锁啦。 一家人整整齐齐来一张...... 不过师爷看了这个智能锁的拆解,还是不过瘾,能拆肯定也能造,这智能锁是咋造出来的呢? 智能锁咋造 在探讨共享单车上智能锁要怎样做出来前,应该先弄明白:共享单车是否非要智能锁不可? 车锁三代表 在众多的共享单车中,目前有三个具有带表性的车锁,物联网性质的智能锁,纯工艺的机械锁和蓝牙转接技术的智能锁。 1.物联网性质的智能锁(摩拜单车) 摩拜单车的车锁包括中心控制单元、GPS定位模块、无线移动通信模块、机电锁车装置、电池、动能发电模块、充电管理模块、车载加速度计等,中心控制单元通过无线移动通信模块与后台管理系统进行连接,把从GPS模块获取的位置信息发送给后台管理系统,后台系统标识成功后通过通信模块向中心控制单元发送解锁指令,接收到后台发送的机电锁车装置开、关锁的状态信息后开启机械锁的控制插销开锁成功,当用户使用完成锁车时,会触发电子控制模块的锁车控制开关,然后中央控制器通过无线移动通信模块通知后台管理系统锁车,后台确认成功后结束计费。 其实简单一点理解就是 锁里有一个通信芯片和GPS定位芯片,然后插上一个SIM卡,通过后台向车锁发送消息来解锁,然后通过车锁向后台发送消息来确认位置和完成计费。 2. 纯工艺的机械锁(OFO) OFO这个锁就要简单的多,纯工艺品,通过机械原理控制 ,相信有不少人撸过羊毛,但OFO的车锁也在一直改良,从一开始的所有人都可猜得出到现在应该是难住了一大部分人,OFO车锁就是一个锁芯,然后套上几个有缺口的环,当所有缺口都和锁芯上的卡子对上后锁就开了,由于机械特性的限制,所以OFO车锁的密码是固定的,后其OFO在锁芯里加了个弹簧,估计也难倒了不少撸羊毛的群众,然后又改进了车锁的工艺,又把一大批群众难倒了,这倒是推进了机械锁工艺的增长,也算为实体科技做了一点贡献。 3. 蓝牙转接技术的智能锁(小鸣单车) 小鸣单车车锁采用新一代蓝牙智能锁 ,因为模块单一所以其具有超低功耗的特点。相对于摩拜单车它又借用了用户手机,用户安装APP后进行车身二维友识别后定位用户们置,然后通过用户手机中的APP完成与后台的交互,再由用户手机的蓝牙来完成与车锁的交互,完成开锁和闭锁功能。有一点要求就是用户的手机蓝牙得好用,不好用的话也别怪锁开不了! OFO和摩拜是众多市场争夺竞争者中对受瞩目的一对,他们率先开启了一场“橙黄大战”! 在这场市场占领的竞争中,单纯用机械锁压低单车成本的做法在运营中缺点已经凸显。幻想使用机械锁运营共享单车也在具体的实践中逐渐被证明是不可能的。共享单车上不设置智能锁,从用户体验层面到线下维护成本的层面都没有任何优势。 OFO被大量用户诟病的一点就是单车没有GPS定位 ,用户找车十分麻烦,为了解决这个问题OFO只能大量铺货,我在每个地方都有大量的车,这样车是不难找了,但投放量的增加无疑增加了投放成本;用户还车需要自觉打乱密码盘,使得OFO有将近3成的车被占位私有,一次开锁,终身使用;机械锁为每辆编码单车下发的密码一样,用户记住密码可跳开App解锁,一次开锁,全家使用;平台根本不能监控车辆位置,单车的状态,车辆报废率极高,相应地,维护成本高得吓人。 反观 摩拜单车的智能锁嵌入GPS和独立SIM卡 ,不仅方便用户取用,平台还可能把用车需求量化,进行动态匹配,最重要的是积累了短途大数据。在共享单车竞争的核心点除去投放量外,最有意义的就是用户短途大数据的信息收集,对铺货位置、数量等运营有战略性的意义。 以此来看,共享单车配备一把智能锁还是非常必要的。 下面我们进入正题,造一个搭载GSM+GPS功能的智能锁,有多难? 开锁方式 我们先搞清楚智能锁的核心问题:用户是怎么通过手机扫码开锁的,原理是什么?共享单车上的智能锁从上线之处到现今,开锁的方式已经经历了三次优化。 短信解锁: 我们都体验过共享单车的开锁方式:用手机扫描车上的二维码,APP上出现解锁进度的读条,10秒内就会听到电机带动和锁鞘“啪”的一声,解锁成功。我们可以直接把锁内的GSM模块当成是当年的插了SIM卡的黑白功能手机,10秒内的时间,GSM搜索网络时间没有这么短,更何况在解锁的过程中,我们仅仅是用手机扫码,没有任何激活单车的操作,所以可以肯定锁是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。 一开始以摩拜为代表的共享单车的开锁过程比现在慢多了,每次开锁大概在6~10秒,但极少开锁失败。原因其实是 最开始的共享单车,开锁并不是使用GPRS流量来控制的,而是服务器通过给自行车发短信(对,就是手机短信),响应然后开锁 。6至10秒的延时也正正是短信投递的时间。 短信开锁的方式有其优势:开锁比较稳定,开锁不需要通过GPRS/3G流量,比较省电。省电是非常重要的,前期由于共享出行尚未普及,而单车是需要使用者发电维持的(相信大家都知道摩拜初代用的是轴承不是链条,靠我们骑车来发电),如果某辆车一直没人骑,等到它的电量耗尽变成一辆“僵尸车”,一旦这种情况多起来,线下维护的成本就非常高。 GPRS开锁: 接下来共享单车开锁方式就直接由服务器通过GPRS/3G流量传达指令开锁。不再担心电量的问题,这种变化是可预见的,因为骑车的人多起来了嘛!通过流量直接开锁,开锁速度也大大提升,从原来靠短信,等待时间有时候要30秒、1分钟(短信收发有时候还不止这么久)变成了3秒内开锁,照顾到很多人的用户体验。但问题随之而来:开锁时间,开锁成功率依赖信号,在信号不强的地区开锁也是十分痛苦的。 GPRS+蓝牙开锁: 现在的智能锁采用的开锁方式普遍使用的是流量+蓝牙辅助开锁,开锁不稳定、开锁时间慢、耗电等所有问题得以一次性解决。蓝牙辅助开锁, 原理是使用用户的手机蓝牙通过加密,与锁内的蓝牙配对后开锁。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,这种流量蓝牙“二合一”的开锁方式可谓终极方法。 续航问题 共享单车一开始不被看好,很大程度上是因为其电池的续航问题。 上面提到过,除去开锁,单车需要和后台云服务器建立了TCP/IP长连接,通过心跳包的形式保持通信,与服务器同步定位的信息。显然,定位的问题要用到锁里面GPS模块(最傻的创业者都不会用基站这种方式定位),单单是实时定位就需要GSM+GPS的方式24小时不间断去追踪单车,耗电不少啊。 这就涉及到锁的整体功耗问题了,共享单车上的智能锁一天要用多少电?我们尽量用最最省电的方式去计算。 我们从SparkFun上找了个GSM/GPS模块,通过它显示的参数来预估。这里介绍的参数为平均工作功耗为7mAh,加上周围电路的功耗, 预估10~12mAh基本上就是锁最低的功耗了 。 骑行时,实时的路径追踪可以使用用户的手机上传位置,单车内的GPS只负责跟踪单车,只需要在一段时间内更新某个点(与跟踪美团外卖员位置类似),这个更新时间可以长达30秒到1分钟。而车辆锁上后,后台也可以控制延长心跳时间,10到15分钟才更新一次,目前采用的AGPS技术也可以在2秒内锁定位置,工作时间不多。所以我们先把忽略GPS模块的功耗忽略,只计算GSM模块待机功耗。 这样就有个更简单的方法:我们可以回想下当年诺基亚黑白板砖功能机的时代,1020mAh的电池,在轻度使用的情况下(每天发发短信类似智能锁开锁操作),可以待机5天左右,算下来功耗大概在8~9mAh,算上GPS模块和周围电路,开锁电机,功耗大致应该在10~15mAh。 电池和发电 有了对智能锁功耗的基本认识,自然要考虑到我们要在上面放多大的电池才能维持正常的工作?关于电池的问题,有几点需要考虑到的:电池必须是可充电电池;单车的流动性非常大,不能对一辆辆没电的单车进行收集和人工充电;受限于锁体的大小,体形不能太大;电池的成本不能过高。 市面上最符合上面条件的电池大概就是INR18650电池,单节2500mAh,由于锁有大小的限制,一般的锁体内放4节这样的电池已经是极限了,就是10000mAh。这样的电量,明显最多只能支持单车两个月的使用,意味着共享单车的运营者必须解决另一个问题:怎样给单车充电? 最初的摩拜用的就是骑车发电的方式 ,在转动轮上加上花鼓来发电。所以最开始型号的单车脚踏都特别沉,很难骑。 现在行业里普遍接受的充电方式是太阳能充电,在车篮子上加装太阳能电池板,保证电量的供 应。 太阳能电池板大多采用的是PET和EVA材料,工作电压为6V,工作电流为1A,转换效率可达到18%~24%。通过特殊的封装技术制成标准尺寸为长270mm、宽175mm、厚2.2mm的太阳能电池板,这样的太阳能电池板保证单车的供电是不成问题的。所以,我们在生活中看到的带车筐的共享单车,可不仅是为了方便用户存放东西,更重要是源源不断地为单车供电。 锁体本身 随着共享单车的普及,很多社会问题也呈现出来了,相信很多人都看到过“小学生乱砸乱开共享单车”“共享单车遭到破坏大面积失效”等新闻报道。共享单车被恶意破坏,暴力破坏等原因有很多,在国情下商家对锁体的材料的选取,锁的形状、内部防盗防破坏的设计就十分重要。 锁体除去要选用材料坚固,防水防盗的材料外,还需要在锁中加装传感器,在非正常移动、被人恶意破坏时发出蜂鸣警报 。 还有就是开锁弹簧的老化问题,不止一次我要用车,扫码后已经听到了锁开锁成功的滴滴声,app上也显示已经开锁,可总不见锁鞘弹开。仔细观察才明白,原来是开锁弹簧严重老化,锁是开了,但是弹簧没弹出,要我自己手动把锁鞘拉出来,一不留神还以为这个车子坏了呢。 可见一台共享单车上的智能锁,锁体上需要做的文章也不少。要做共享单车智能锁采用的需是外壳是铝合金材料,比普通的马蹄锁更轻、更牢固。经过上十万次的开锁试验,内置传感器防盗放暴力破坏,蜂鸣报警器还可终端控制方便找车,这些都是初步设计开模的时候就需要考虑的事项。 云平台 如果说智能锁是共享单车联网的核心,那么它背后用于管理运营的云平台则是共享单车的灵魂。 我们上面说到要从零开发一个智能锁需要考虑到的种种麻烦相比较背后管理后端、云平台的搭建都只不过是小儿科。 确实,一个智能锁从开模到供应链配合到生产成品对于小共享单车创业公司来说的确是个问题,但在如此细分的市场竞争的环境下,也根本不需要目标在于运营共享单车的创业者去解决。不信的话各位可以去百度、淘宝搜搜“共享单车锁”“智能马蹄锁”等关键词。这类锁早就有很多智能硬件工厂生产出来,创业者或直接采购或与配套工厂合作都可以很快拿到智能锁。 问题关键的核心在于锁背后的云平台。毕竟只有共享单车的真正本质是有效对接起车与人的需求,构建起车与车的物联网数据,要想实现单车的智能化、自营化,智能锁的开发和生产只是第一步,更重要的是其背后的后端服务器、云平台。 记得共享单车在开始之初,有好几家品牌的服务器都曾经出现过宕机、频繁解锁失败的现象,这也是背后云平台不能承受高并发量,实时性不足这类的问题引起的。 根据艾瑞的《2017年中国共享单车行业研究报告》,中国共享单车市场还远远未达到饱和,相信未来仍有不少创业者进入市场。在创业之初更需要考虑的应该是服务器、云平台的搭建问题。