摩拜单车的节能黑科技

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。

首先，摩拜必须解决地第一个问题是——定位。

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。

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。

然而，现实生活可没那么酷炫，现实中是下面这样。

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。

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，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。

回到摩拜单车。究竟要多少电？

别急，通过一些简单的观察，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。

给自行车发短信开锁，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。

 

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：

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？

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：

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。

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！

（以上数字都靠经验和公开材料，误差正负50%都是合理的）