摩拜单车mobike不为人知的背后

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最近一周,如果你生活在北京,一定已经注意到了身边很多长相前卫的自行车——亮橙色的车轮、看不见链条的银色车身——这就是号称首个“无桩公共自行车”的摩拜单车。进驻北京仅仅一周,即便不算风靡整个北京城,摩拜单车也着实已经风靡宇宙中心五道口了。用户只要下载App,交押金,租车还车位置随意,彻底摆脱了公租车固定存取车点的局限性。

我在摩拜进京第二天,就体验了整个流程。然而,让我一言不合写下本文的,是一篇新闻报道中这样一句话:“……技术实现手段也不难:在电动车锁里加上传感器、GPS、3G网络和芯片。”

作为一个搞技术的工程师,一项你曾经认为技术不可行的idea,不仅被别人如此漂亮地实现了,还被小白媒体评为“技术实现手段不难”,着实让人大跌眼镜。那么就让我们看看这里究竟有什么黑科技。

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首先,摩拜必须解决地第一个问题是——定位。

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在清华大学地校园里有无数自行车,每当晚自习结束,在密密麻麻地自行车海里找到自己的那一辆,实在不是容易事情。无论是出于自己找车的需求,还是为了帮仰慕的女神找自行车(或者是为了跟踪定位仰慕的女神),在我混迹于学校的这几年时间中,据我所知,就有6组个人或团队试图解决“找车难”问题(其中包括我在内)。最终也未见一件像样的解决方案。

难点只有一个——功耗。说通俗了,就是电池续航。

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想象一下,你和女神说:“宝贝儿,给你个小装置,装在自行车上,从今往后只要掏出手机,就能看到自行车的位置了,不过这个小装置每天都要拿回寝室充电哟!”

女神一定说“哇大牛你真厉害!” 其实心想:“你个死geek,还不如我在车上多贴两个Hello Kitty标志找起来方便。”

这里先跑个题。大伙一定都在各大谍战电影中看过这样的情节。某大间谍在一号敌人的身上塞了一个小钮扣,或者直接在人体内注射一枚追踪器,之后就能用电脑全球跟踪目标的位置了。

现实生活中,这东西是什么样子呢?就是下面这样。

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(传送门:https://www.ifixit.com/Teardown/Tracking+Device+Teardown/5250)

这是货真价实的FBI为了跟踪准备请去喝茶的贵客的座驾,所用的装备。不过年头比较古老,貌似是2010年前的。其中最显眼的就是那4节一号电池。那不是普通电池,而是锂亚硫酰氯电池(简称锂亚电池)。这是一种不可充电的能量密度极高的锂电池,一节有13000mAh,相当于iPad2电池能量的近2倍。同时,锂亚电池“保质期”极长,最长可达20年。

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锂亚电池的缺点是放电电流非常小(换句话说,内阻特别大)。所以通常要配以一颗超级电容一并使用。如果你拆过车子里的ETC,就会发现它就是这样的原理。此外就是,这种电池贼贵(反正FBI不考虑成本)。

跑题了。所以说谍战片里的“跟踪纽扣”,在实际技术中,就是个“跟踪棒槌”。差距这么大,原因就在于,要维持长时间使用,必须要有足够的电能。

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回到摩拜单车。一些简单的观察可以大致推断其工作原理。

首先,开锁时只要扫码,不需要对自行车做任何物理操作。这意味着,自行车的电子部分是持续工作的,不需要人工触发唤醒。我测试了几次开锁的延时,大约都在6-9秒左右,这时间远远短于GSM搜索注册网络的时间,因此可以推断它是一直连接在手机网络上的(换句话说,就是手机一直是“开机”的)。

一个更有趣的猜测是,虽然和服务器同步位置信息,几乎肯定会用2G/3G流量。但是,为了省电,开锁应该并不是使用GPRS或3G流量来控制的,因为那样必须要求单车时刻接通流量、并和服务器保持连接。从6-9秒的延时,恰好是短信投递的时间,我推测服务器是通过给自行车发短信(对,最传统的短信)开锁的。

给自行车发个短信就可以开锁,第一次听说哈!

下面咱们更加量化分析一下,究竟通过GSM+GPS的方式,跟踪一辆自行车,需要多少能量。(小白可以跳过这一节,直达下一个分割线)

首先,我们可以暂时不考虑GPS的功耗。这是因为,在摩拜的应用里,我们并不需要实时跟踪位置,只要一段时间更新一个点就可以了(有点像观察美团外卖送餐员的位置)。这个更新时间可能长达30秒-1分钟。此外,当自行车已经锁住归还后,GPS的更新速度可以进一步降低(例如10分钟更新一次)。而目前采用AGPS技术,锁定时间可以控制在2秒之内,因此GPS绝大部分时间都在休眠,平均功耗很低。

那么GSM模块的功耗如何?首先,看看马云爸爸家里的东西。

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可以看到,这款纯基站定位(图中说用GPS是虚假宣传)的小东西,单节锂电池驱动,正常工作的平均电流大约在400mAh / 48h = 8.3mA。

再看看这款再SparkFun上的GSM/GPRS模块:

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可见,其正常工作的平均功耗是7mA。这是纯模块,不含外围电路。

事实上,还有个大家更熟悉的估计方法。一台Nokia板砖功能机,使用1020mAh的BL-5C电池,在几乎不操作的情况大约可以待机4-5天。这样也可以大致算出,手机待机的功耗大约在9mA。

综上所属,GSM模块待机的功耗大约是7-10mA。如果加上GPS模块的平均功耗,那么10mA是个比较合理的估计。这里还忽略了开锁的功耗,以及蜂鸣器响声的功耗,因为那些相对其它几项,是很低频率的,平摊下来功耗很小。

#### 10mA:这就是目前我们对摩拜单车总平均功耗的估计。

下面的问题就是,我们要装多大的电池呢?

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从摩拜锁机构的尺寸来看,并不能装下很大的电池(除非装车座管里)。事实上,咱们假设摩拜是土豪,装了满满的锂亚电池,足足有30000mAh。那么它可以工作多久?

30000mAh / 10mA = 3000h = 4个月

不给力呀!

咱们的自行车可是按照4年免维护设计的呀!看来纯靠电池是根本不行的。

出路只有一条:发电!(术语叫Energy Harvesting)

如果可以发电,那么电池的容量本身并不很关键。应该考虑的是,正常使用中,发电量是否大于用电量,即能量能否进出平衡。而电池本身,只是能量的缓冲区。更大的电池,可以让系统承受更不稳定的发电量(比如一辆自行车一周没人骑,也不会耗尽电池)。

鉴于全车并没有太阳能板(这是一个很好的选择,因为太阳能本身受地域影响,并且脏了不好维护),发电几乎肯定是靠车轮的转动,也就是下面这种高级货:

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这是一种装在自行车轮子轴承中的发电机,从数据看,在稳定骑行过程中,可以发出6V/3W的电能,即在6V下大约500mA的输出。考虑电池充电电路的损耗,估计在实际给自行车中的电池充电时,充电电流应该在250mA左右。

充放电比例是:250mA / 10mA = 25。即,系统只要有1/26的时间处于充电状态,就能达到能量进出平衡。换句话讲,每辆摩拜单车,平均每天至少要骑行约50分钟,才能达到能量平衡,从而可以持续工作下去。请注意,实际租用车子过程中,会有很多时间并不是平稳骑行、有效充电的时间,例如等红绿灯。因此,实际租用时间可能需要60分钟以上,才能达到平衡。

#### 60分钟:每辆摩拜单车平均每天至少租用这么久,才能保证能量平衡。

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这可不是件容易事情!打开摩拜App看看你家门口那辆车是不是一天没动了?

摩拜团队必须精确控制自行车部署的密度和位置。密度低了体验差,导致用户积累慢。密度高了,单个车的平均每天使用时间低于1小时,则无法达到能量平衡,最终导致车辆维护成本飙升。

因此,摩拜必须对自己的用户需求量、分布等进行精确的分析,才能达到最优的用户体验和增长速度,以及让自行车队持久免维护。我想这就是这个项目最核心的技术吧!

(以上数字纯评经验和公开材料,误差正负50%都是合理的)

 

 

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