基于nRF24L01車輛集中管理及防盜系統的設計

孫春志，吳晨光，徐 瑩

(商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南　商丘 476000 )

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基于nRF24L01車輛集中管理及防盜系統的設計

孫春志，吳晨光，徐 瑩

(商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南商丘 476000 )

摘要：針對當前各個大學校園及各城市街區車輛亂擺亂放的現象和盜竊事件的發生，介紹了一種車輛智能管理與防盜裝置，詳細講述了裝置的基本原理與實現方式，以及硬件功能電路的設計方法及思想.裝置包括MCU主控、AC/DC模塊電源、DC/DC模塊電源、RFID-RC522射頻卡模塊、nRF24L01無線通信模塊、LCD1602顯示器等.本裝置采用NORDIC生產的nRF24L01無線通信模塊，來實現主機與從機之間信息的遠距離無線傳輸，同時裝置采用STC公司的STC12C5A60S2單片機作為裝置的主控芯片，實現對車輛的集中智能化有序管理和對車輛的實時監控，以達到車輛智能化管理和防盜.通過實驗證明，本裝置不僅準確性好，而且成本低、功能可擴展性強，具有良好的市場前景.

關鍵詞：MCU；模塊電源；射頻卡；無線通信； LCD1602顯示器

0引言

隨著人們生活水平的不斷提高，以及當代科學的不斷發展，相應的各種車輛防盜報警系統也逐步的應用于生活中.現如今，國內對車輛集中管理及防盜系統的研究已經相對成熟,既開關式防盜報警器和振動式報警系統之后，我國對空間移動報警系統方面的研究也已經有所成就.但是,這些系統因其高成本，結構復雜等原因，其應用范圍受到了一定的限制.本著科技服務于人類的原則，車輛集中管理及防盜報警裝置有著便捷化操作、人性化設計、反應特別靈敏等特點,在保證裝置穩定可靠運行的基礎上，給人們的生活帶來最大化的便利.

1系統整體方案的設計

圖1　整體方案設計原理框圖

整個裝置以STC12C5A60S2單片機為主控芯片，分為主機和從機兩個部分.主機主要負責車輛的監管，首先，射頻卡模塊讀取IC卡的信息，并將讀取的信息通過串口傳送給單片機，然后，單片機對讀取的射頻卡信息進行校驗，校驗成功后，單片機發送控制信號，并且驅動繼電器動作，控制相應的車鎖以實現對車輛的存放[1].本裝置采用自動化控制的電子鎖取代了傳統的鎖具.主機對車輛監管的同時也將車輛的信息通過無線傳輸實時發送給從機.當車輛發生丟失時，主機便通過無線模塊向從機發送報警信息，從機接收來自主機的信號并作相應的處理，同時應用LCD液晶顯示屏準確顯示相關車輛信息， LCD液晶屏可以顯示整個系統的工作狀態以及當前天氣的實時溫度.其整體原理框圖如圖1所示.

2系統硬件電路的設計

2.1主控部分

裝置采用STC12C5A60S2系列單片機.STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8-12倍[2].內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S)，針對電機控制，強干擾場合[3].STC12C5A系列單片機幾乎包含數據采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統.STC12C5A60S2芯片引腳如圖2所示.

2.2電源電路設計

在電源電路的選取上，由于模塊電源具有隔離作用，抗干擾能力強，自帶保護功能，便于集成等優點，因此，本裝置采用模塊電源供電[4].圖3是本裝置的各個電源模塊主電路圖，設計要求需要將AC220 V交流電源轉化成DC12 V電源，為電子鎖供電，然后將DC12 V轉換成DC5 V電源和將DC5 V轉換成DC3.3 V電源，直流5 V和直流3.3 V電源電路原理圖如圖4和圖5所示.分別為主控電路、繼電器電路、無線模塊和射頻卡模塊電路供電[5].其中MCUDC5 V主控電路電源轉換電路使用7805穩壓芯片.7805穩壓芯片前后都需要加上電解電容和普通電容，作用是消除低頻和高頻干擾波.在穩壓芯片前面加入電源指示燈，更直觀判斷電源是否正常接入電路[6].在實際應用中，由于電壓轉換產生很強的熱量，調試硬件電路時由于7805芯片不能及時散熱導致在通電一段時間后7805穩壓芯片被燒毀，通過查閱資料，在7805穩壓芯片前面加入散熱電阻，電阻大小為68R/2W，可以很好的解決這一難題.

圖2　STC12C5A60S2管腳圖　　　　　　　　　　　　　　圖3　DC12V模塊電源電路

圖4　DC5V模塊電源電路　　　　　　　　　　　　　　　圖5　DC3.3V模塊電源電路

2.3射頻卡模塊電路設計

本系統設計的射頻卡模塊的電路如圖6所示.系統射頻卡模塊選用的型號是RFID-RC522.卡片的電氣部分是由一個天線和ASIC(IC)組成.卡片的天線是有幾組繞線的線圈，很適于封裝到IS0卡片中.卡片的ASIC由一個高速(106 KB波特率)的RF接口，一個控制單元和一個定容量的EEPROM組成.工作原理為讀寫器電路向IC卡發一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個LC串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到2 V時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接取讀寫器的數據[7].讀寫器接取的數據通過串行口傳送到單片機中，單片機把接收的卡號進行校驗，同時，射頻卡中有快速防沖突機制，能防止卡片之間出現數據干擾，因此，讀寫器可以同時處理多張射頻卡.這提高了應用的并行性，無形中提高了系統工作速度.

2.4無線模塊電路的設計

本裝置采用nRF24L01無線傳輸模塊，nRF24L01(或nRF24L01P)是一款工作在2.4～2.5 GHz 的世界通用ISM 頻段的單片無線收發器芯片.無線收發器包括：頻率發生器、增強型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器調制器、解調器[8].輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置.它具有極低的電流消耗，當工作在發射模式下發射功率為0 dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式時為13.5 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低.其電路圖如圖7所示：

圖6　射頻卡模塊電路原理圖　　　　　　　　　　　　圖7　nRF24L01無線傳輸模塊電路

2.5LCD顯示電路的設計

圖8　LCD1602液晶顯示驅動電路

如圖8是本系統的液晶顯示的驅動電路，為LCD1602型號字符液晶顯示器，供電電壓為DC5V.LCD字符液晶顯示器選用顯示容量為16*2個字符，1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，其控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，在電路中連接有10 kΩ的電位器，通過電位器可以調節顯示字符的亮度[9].

由于此處液晶顯示的是實時溫度和狀態信息，所以本系統采用的是LCD1602型號的靜態顯示器[10].液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效[11].要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符.

3系統軟件設計

系統的軟件流程分為系統初始化、數據采集、信息處理3個部分.系統整體軟件流程如圖9所示：

圖9　系統軟件流程圖

4結語

經過一系列的實地測試，車輛智能集中管理及防盜裝置能夠較好的實現車輛的智能化管理，改善了過去車輛亂擺亂放的現象，當車輛盜竊事件發生時，裝置主機能夠及時的發送向從機發送信息并報警，從機接受到信號后能準確的做出反應并在LCD顯示屏上詳細的顯示車輛丟失信息，裝置高質量的工作效率和靈敏的反應度為車輛的安全提供了可靠的保障.

參考文獻：

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[11]吳曉峰.射頻識別技術[M].北京: 電子工業出版社, 2006.

[責任編輯：徐明忠]

Design of centralized management and security system of vehicle based on nRF24L01

SUN Chunzhi,WU Chenguang,XU Ying

(School of Physics and Electrical information Engineering, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000，China)

Abstract:In the university campus and the city block vehicles chaotic pendulum misplacing phenomenon and theft, this paper introduced an intelligent vehicle management with an anti-theft device, a detailed account of the basic principle of the device and realization method, and function of the hardware circuit design methods and thoughts.The device includes MCU master control, AC/DC module power supply, DC/DC module power supply, RFID-RC522 radio frequency card module, nRF24L01 wireless communication module, LCD1602 display, etc.NRF24L01 wireless communication module is used to realize the remote wireless transmission between the host and the host computer, and NORDIC STC12C5A60S2 STC is used as the main control chip.The system realizes the centralized intelligent management and real-time monitoring of vehicles.

Key words:MCU ;power supply module ; radio frequency card ;wireless communication;LCD1602 display

中圖分類號：TN918.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3600(2016)03-0029-04

作者簡介:孫春志(1986-)，男，河南商丘人，商丘師范學院助教，碩士，主要從事電子與通信工程的研究.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11173018)

收稿日期：2015-08-11;修回日期：2015-09-11