物聯網安全篇

共享單車核心技術---智能鎖

共享單車所用的智能鎖技術介紹，這個是技術宅經常關心的。要知道一個樣機研發是需要周期的，運營也要一定的時間段。那么最早共享單車運營品牌之一的摩拜單車，傳聞僅僅開發其獨立自主品牌的單車智能鎖就使用了半年時間，那么問題來了，共享單車上的智能鎖，做出來有多難？

共享單車作為資本領域的寵兒，再走以前滴滴和快的成仙之路，主流科技和八卦媒體對共享單車的興趣和報道漸漸多了起來，對于一個從業十多年的技術宅男來說：“技術實現手段也不難：在電動車鎖里加上傳感器、GPS、3G網絡和芯片……”，事實上真的像眾多報道中所描述的如此“簡單”嗎？

在探討共享單車上智能鎖要怎樣做出來前，共享單車是否非要智能鎖不可？這個我們要有個準備的。

在如今市場出現的“百車大戰”中，OFO和摩拜無疑是眾多市場爭奪競爭者中對受矚目的一對。摩拜單車配備了“GPRS開鎖 + GPS定位”的智能鎖，開發和生產成本較高，而OFO走的則是普通自行車密碼鎖，野蠻鋪貨大干快跑的策略。

橙黃大戰也引發了對智能鎖使用的思考

在這場市場占領的競爭中，單純用機械鎖壓低單車成本的做法在運營中缺點已經凸顯。幻想使用機械鎖運營共享單車也在具體的實踐中逐漸被證明是不可能的。共享單車上不設置智能鎖，從用戶體驗層面到線下維護成本的層面都沒有任何優勢。

黃方：OFO

OFO被大量用戶詬病的一點就是單車沒有GPS定位，用戶找車十分麻煩，為了解決這個問題OFO只能大量鋪貨，我在每個地方都有大量的車，這樣車是不難找了，但投放量的增加無疑增加了投放成本；用戶還車需要自覺打亂密碼盤，使得OFO有將近3成的車被占位私有，一次開鎖，終身使用；機械鎖為每輛編碼單車下發的密碼一樣，用戶記住密碼可跳開App解鎖，一次開鎖，全家使用；平臺根本不能監控車輛位置，單車的狀態，車輛報廢率極高，相應地，維護成本高得嚇人。

橙方：摩拜單車

mobike智能鎖嵌入GPS 和獨立SIM卡，不僅方便用戶取用，平臺還可能把用車需求量化，進行動態匹配，最重要的是積累了短途大數據。在共享單車競爭的核心點除去投放量外，最有意義的就是用戶短途大數據的信息收集，對鋪貨位置、數量等運營有戰略性的意義。

進入正題了，做一個搭載GSM+GPS功能的智能鎖，技術門檻有多難？

一、 智能鎖的開鎖方式的演變

首先：搞清楚智能鎖的核心問題：

A、 用戶是怎么通過手機掃碼開鎖的？

B、 智能鎖的原理是什么？

共享單車上的智能鎖從上線之處到現今，開鎖的方式已經經歷了三個階段。

第一階段：短信解鎖：

我們都體驗過共享單車的開鎖方式：

A、用手機掃描車上的二維碼，APP 上出現解鎖進度的讀條，10秒內就會聽到電機帶動和鎖鞘“啪”的一聲，解鎖成功。

B、可以直接把鎖內的 GSM 模塊當成是當年的插了SIM卡的黑白功能手機，10秒內的時間，GSM 搜索網絡時間沒有這么短，更何況在解鎖的過程中，僅僅是用手機掃碼，沒有任何激活單車的操作，所以可以肯定鎖是始終與網絡保持長連接的，就是說這個手機始終是開機的狀態，時刻要接收信號。

以摩拜為代表的共享單車的開鎖過程比現在慢多了，每次開鎖大概在6~10秒，但極少開鎖失敗。筆者很早就注冊使用共享單車，對此深有體會。原因其實是最開始的共享單車，開鎖并不是使用GPRS流量來控制的，而是服務器通過給自行車發短信（對，就是手機短信），響應然后開鎖。6至10秒的延時也正正是短信投遞的時間。

早期的共享單車使用短信開鎖

短信開鎖的方式有其優勢：開鎖比較穩定，開鎖不需要通過GPRS/3G流量，比較省電。省電是非常重要的，前期由于共享出行尚未普及，而單車是需要使用者發電維持的（相信大家都知道摩拜初代用的是軸承不是鏈條，靠我們騎車來發電），如果某輛車一直沒人騎，等到它的電量耗盡變成一輛“僵尸車”，一旦這種情況多起來，線下維護的成本就非常高。

沒想到吧，最開始的共享單車是以短信作為開鎖信號！

第二階段：GPRS開鎖

這種開鎖模式，筆者曾經參與過類似的項目，對于共享單車開鎖方式就直接由服務器通過GPRS/3G流量傳達指令開鎖。不再擔心電量的問題，這種變化是可預見的，因為騎車的人多起來了嘛！通過流量直接開鎖，開鎖速度也大大提升，從原來靠短信，等待時間有時候要30秒、1分鐘（短信收發有時候還不止這么久）變成了3秒內開鎖，照顧到很多人的用戶體驗。但問題隨之而來：開鎖時間，開鎖成功率依賴信號，在信號不強的地區開鎖也是十分痛苦的。信號是個極大的問題，筆者在研發類似產品的時候也遇到過類似的問題。隨著技術的發展，勢必要跟新換代。

第三階段：GPRS + 藍牙開鎖

現在的智能鎖采用的開鎖方式普遍使用的是流量+ 藍牙輔助開鎖，開鎖不穩定、開鎖時間慢、耗電等所有問題得以一次性解決。藍牙輔助開鎖，原理是使用用戶的手機藍牙通過加密，與鎖內的藍牙配對后開鎖。服務器只需用流量連接用戶手機，再由手機藍牙發送開鎖指令到智能鎖。這樣一來，開鎖功耗大大降低，也不需要依賴鎖中模塊的信號強度，提高穩定性。4G手機的流量速度也保證了開鎖時間，這種流量藍牙“二合一”的開鎖方式可謂終極方法。

二、共享單車電池續航問題

共享單車一開始不被看好，很大程度上是因為其電池的續航問題。

上面提到過，除去開鎖，單車需要和后臺云服務器建立了TCP/IP長連接，通過心跳包的形式保持通信，與服務器同步定位的信息。顯然，定位的問題要用到鎖里面GPS 模塊（最傻的創業者都不會用基站這種方式定位），單單是實時定位就需要GSM + GPS的方式24小時不間斷去追蹤單車，耗電不少啊。

這就涉及到鎖的整體功耗問題了，共享單車上的智能鎖一天要用多少電？我們盡量用最最省電的方式去計算。

由于我們不可能把市面上的共享單車拿來拆掉測試，所以要另想辦法。我們從SparkFun 上找了個GSM/GPS 模塊,通過它顯示的參數來預估。

SparkFun 搜索“GSM/GPS”出來的第一個

這里介紹的參數為平均工作功耗為7mAh，加上周圍電路的功耗，預估10~12mAh基本上就是鎖最低的功耗了。

1、單車在運行時，實時的路徑追蹤可以使用用戶的手機上傳位置，單車內的GPS只負責跟蹤單車，只需要在一段時間內更新某個點（與跟蹤美團外賣員位置類似），這個更新時間可以長達30秒到1分鐘。而車輛鎖上后，后臺也可以控制延長心跳時間，10到15分鐘才更新一次，目前采用的 AGPS 技術也可以在2秒內鎖定位置，工作時間不多。所以我們先把忽略GPS模塊的功耗忽略，只計算GSM模塊待機功耗。

2、GSM模塊待機功耗的計算有個更簡單的方法：

可以回想下當年諾基亞黑白板磚功能機的時代，1020mAh的電池，在輕度使用的情況下（每天發發短信類似智能鎖開鎖操作），可以待機5天左右，算下來功耗大概在8~9mAh，算上GPS模塊和周圍電路，開鎖電機，功耗大致應該在10~15mAh。

3、電池和發電

有了對智能鎖功耗的基本認識，自然要考慮到我們要在上面放多大的電池才能維持正常的工作？關于電池的問題，有幾點需要考慮到的：電池必須是可充電電池；單車的流動性非常大，不能對一輛輛沒電的單車進行收集和人工充電；受限于鎖體的大小，體形不能太大；電池的成本不能過高。

在市面上最符合上面條件的電池大概就是INR18650電池，單節2500mAh，由于鎖有大小的限制，一般的鎖體內放4節這樣的電池已經是極限了，就是10000mAh。這樣的電量，明顯最多只能支持單車兩個月的使用，意味著共享單車的運營者必須解決另一個問題：怎樣給單車充電？

最初的摩拜用的就是騎車發電的方式，在轉動輪上加上花鼓來發電。所以最開始型號的單車腳踏都特別沉，很難騎。現在行業里普遍接受的充電方式是太陽能充電，在車籃子上加裝太陽能電池板，保證電量的供應。

4、裝在車籃上的太陽能電池板

太陽能電池板大多采用的是PET和EVA材料，工作電壓為6V，工作電流為1A，轉換效率可達到18%～24%。通過特殊的封裝技術制成標準尺寸為長270mm、寬175mm、厚2.2mm的太陽能電池板，這樣的太陽能電池板保證單車的供電是不成問題的。所以，我們在生活中看到的帶車筐的共享單車，可不僅是為了方便用戶存放東西，更重要是源源不斷地為單車供電。

5、鎖體本身

隨著共享單車的普及，很多社會問題也呈現出來了，相信很多人都看到過“小學生亂砸亂開共享單車”“共享單車遭到破壞大面積失效”等新聞報道。共享單車被惡意破壞，暴力破壞等原因有很多，在國情下商家對鎖體的材料的選取，鎖的形狀、內部防盜防破壞的設計就十分重要。

摩拜智能鎖幾代演變

鎖體除去要選用材料堅固，防水防盜的材料外，還需要在鎖中加裝傳感器，在非正常移動、被人惡意破壞時發出蜂鳴警報。

單車開鎖彈簧的老化問題，掃碼后已經聽到了鎖開鎖成功的滴滴聲，app上也顯示已經開鎖，可總不見鎖鞘彈開。仔細觀察才明白，原來是開鎖彈簧嚴重老化，鎖是開了，但是彈簧沒彈出，要手動把鎖鞘拉出來，一不留神還以為這個車子壞了呢。

可見一臺共享單車上的智能鎖，鎖體上需要做的文章也不少。要做共享單車智能鎖采用的需是外殼是鋁合金材料，比普通的馬蹄鎖更輕、更牢固。經過上十萬次的開鎖試驗，內置傳感器防盜放暴力破壞，蜂鳴報警器還可終端控制方便找車，這些都是初步設計開模的時候就需要考慮的事項。

三、共享單車云平臺

如果說智能鎖是共享單車聯網的核心，那么它背后用于管理運營的云平臺則是共享單車的靈魂。我們上面說到要從零開發一個智能鎖需要考慮到的種種麻煩相比較背后管理后端、云平臺的搭建都只不過是小兒科。

確實，一個智能鎖從開模到供應鏈配合到生產成品對于小共享單車創業公司來說的確是個問題，但在如此細分的市場競爭的環境下，也根本不需要目標在于運營共享單車的創業者去解決。不信的話各位可以去百度、淘寶搜搜“共享單車鎖”“智能馬蹄鎖”等關鍵詞。這類鎖早就有很多智能硬件工廠生產出來，創業者或直接采購或與配套工廠合作都可以很快拿到智能鎖。

問題關鍵的核心在于鎖背后的云平臺。畢竟只有共享單車的真正本質是有效對接起車與人的需求，構建起車與車的物聯網數據，要想實現單車的智能化、自營化，智能鎖的開發和生產只是第一步，更重要的是其背后的后端服務器、云平臺。

摩拜單車云平臺可視化數據

記得共享單車在開始之初，有好幾家品牌的服務器都曾經出現過宕機、頻繁解鎖失敗的現象，這也是背后云平臺不能承受高并發量，實時性不足這類的問題引起的。

根據艾瑞的《2017年中國共享單車行業研究報告》，中國共享單車市場還遠遠未達到飽和，相信未來仍有不少創業者進入市場。在創業之初更需要考慮的應該是服務器、云平臺的搭建問題。如果我是創業者，在預算有限、單車急需盡快投入進入市場的情況下，可以選擇智能硬件商家提供完整的共享單車方案，但絕對需要優先考慮具有物聯網背景公司的共享單車方案，畢竟有實力搭建穩定、高并發的后端云平臺在市場中非常少。