基于STM32單片機的智能山地車安防系統*

張函侖,周 韻,楊 坤,汪越宇,趙 寧

(東南大學電子科學與工程學院,南京 211189)

基于STM32單片機的智能山地車安防系統*

張函侖,周 韻,楊 坤,汪越宇,趙 寧*

(東南大學電子科學與工程學院,南京 211189)

為了實現山地車的防盜及找回,以及針對人們為了解決山地車在野外運動時的安全問題,提出了一種基于STM32的智能山地車安防系統。系統通過對硬件、軟件的設計建立了以STM32微處理器為控制核心、SIM5320E為數據傳輸模塊和OV7725為圖像傳感模塊的山地車安防系統。實現了山地車所在位置和現場圖像的遠程傳輸,并有軟件顯示運動軌跡和上位機再現圖像等功能。結果表明,本山地車安防系統運行穩定,軌跡信息精確,回傳圖像清晰。

山地車安防系統;軌跡顯示;圖像傳輸;Android;百度鷹眼;socket

在越來越提倡綠色、低碳生活的當今社會,山地車這種交通工具在人們的出行方式占著越來越大的比重。同時,騎行這樣一種休閑方式也受著人們越來越高的關注。但是在陌生環境中,尤其是人煙稀少的野外,人們的出行常常伴隨著迷路的風險,再加上電子設備的待機能力不夠,人們在野外迷路后可能會產生生命危險。與此同時,出于人們便于使用、便于搬運的需求,如今山地車質量越來越輕,這使車輛的盜竊問題日益惡化,在防范意識薄弱的大學校園尤其嚴重。大量自行車被盜去,并在黑市上出售,學生貪便宜再從黑市上買回,然后再次被盜,如此循環往復,這對學生帶來了巨大的經濟損失[1]。

為了解決上述問題,研制了基于STM32F103VET6的智能山地車安防系統。意法半導體推出的基于ARM Cortex-M3內核的低成本、高性能微處理器STM32F103VET6,是低功耗的嵌入式處理器[2]。Cortex-M3內核的控制器具有72 MHz的主頻,程序指令存儲和數據存儲分開,精確的串口中斷響應可以快速地發送指令給SIM模塊,從而縮短時間損耗。

1 方案設計

山地車安防系統架構如圖1所示,主要由5個部分構成,分別為:MCU模塊、SIM5320E通信模塊、攝像頭模塊、Android監控軟件和服務器上位機。

圖1 系統架構圖

在本系統中,山地車的移動距離超過規定距離150 m時,系統啟動報警,向用戶發送短信提醒山地車的被盜,用戶可以登錄手機上的Android APP來監控山地車的位置信息并尋找到自己的山地車。用戶在戶外騎行時,其家長可以向SIM模塊發送短信來獲取此時用戶周圍的位置信息以及周邊環境的圖像信息。家長通過手機上的安卓程序來獲取位置信息,圖像信息則通過位于服務器上的上位機來獲取,而且用戶還可以把自己的位置信息發給家長。實現信息的相互性。

2 硬件設計

基于STM32的智能山地車安防系統的硬件由MCU模塊,攝像頭模塊以及SIM模塊組成。它們之間硬件連接框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖

2.1 MCU模塊

STM32F1系列芯片是意法半導體公司設計的常用的32 bit MCU,Cortex-M3內核,運算速度快,RAM和FLASH容量也比較大。價格便宜,很容易買到。

在本系統中選用STM32F103VET6芯片作為MCU,該款單片機有基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M內核,CPU工作頻率可達72 MHz,同時具有一流的外設:1 μs的雙12 bit ADC、5個4 Mbit/s的UART、3個18 Mbit/s的SPI、7通道的DMA控制器、80個可用的GPIO口和1個USB 2.0接口。在功耗和集成度方面也有不俗的表現。并且具有強大且豐富的庫函數、簡單的結構、易用的工具以及強大的功能。在存儲方面,它有64 kbyte RAM,512 kbyte Flash,能滿足存儲圖像并傳輸的功能,符合要求。

2.2 SIM模塊

在本系統中SIM模塊是整個系統的重要組成部分,它的選擇至關重要,因為本系統需要GPS定位,所以還要考慮GPS定位的精準度的問題。

在本系統中,選擇SIM5320E為本系統的SIM模塊的主控芯片,SIM5320E是芯訊通公司推出的一款高性價比的WCDMA/HSDPA的芯片。它有可以支持UMTS/HSDPA 900 MHz/2 100 MHz和GSM/GPRS/EDGE 850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz,并且最高下行傳輸速率可以達到3.6 Mbit/s,最高上行傳輸速率可以達到384 kbit/s,能夠滿足系統傳輸圖片的要求。同時SIM5320E還內置了GPS/AGPS定位芯片,其定位精度<2.5 m CEP。

2.3 攝像頭模塊

本系統選用OV7725攝像頭。OV7725是美國OminVision公司生產的一種光傳感器,它有標準的SCCB接口輸出,支持RAW RGB、RGB(GRB 4∶2∶2,RGB565/555/444)和YCbCr(4∶2∶2),支持VGA和QVGA大小圖片。

而本攝像頭模塊有30 W像素、640像素×480像素、M12鏡頭、F2.0光圈,95°視角等特性。因為STM32F103VET6的工作頻率為72 MHz不能夠跟上OV7725的傳輸速率,所以設計了在OV7725傳感器后再加上FIFO存儲器,能夠讓STM32F103VET6順利的采集到圖像。

3 軟件設計

本系統的軟件設計是實現功能的根本,本軟件設計主要分為3個部分,分別是MCU軟件設計、Android APP的開發和服務器上位機的開發。

3.1 MCU軟件設計

MCU的軟件設計以控制SIM模塊和處理攝像頭數據為根本,采用循環運行的策略進行設計。MCU軟件細分的實現在STM32F103內部實現,軟件細分的控制流程如圖3所示。其中GPS信息處理以及攝像頭圖像處理為其中的難點。

圖3 MCU軟件流程圖

3.1.1 GPS信息處理

在本智能山地車安防系統中,GPS信息的獲取與處理是一個非常重要的工作,整個系統的工作有一半圍繞它來進行的。所以對于GPS信息的準確性以及精度要求很高。

SIM模塊通過串口通信和STM32來進行通信,它們的之間通信的格式為:波特率為115 200,數據為8位,一位停止位,無奇偶校驗位。通過AT指令來獲取SIM5320E的GPS數據時,獲得GPS信息的格式如下:

+CGPSINFO:[],[N/S],[],[],[],[],[],[]

當然它并不是系統需要的信息的格式。而且它的GPS信息是度分秒的格式且是字符型,還需要將分秒轉化成小數,才是系統需要的信息。利用了STM32強大的數據處理能力,將經緯度信息強制類型轉化成double型,再轉化成小數后,最后在強制類型轉化成字符型[3-4]。

3.1.2 攝像頭圖像處理

攝像頭的圖像處理也是很關鍵的,在本系統中攝像頭模塊采用OV7725攝像頭和FIFO相連接的構成的。

攝像頭數據主要包括場信號數據、時鐘數據和D0-D7的圖像信息數據。在檢測到場中斷的情況下,系統從FIFO中讀出一個數據類型為uint_16的RGB565數據。但是STM32庫函數中UART發送函數一次只能傳輸一個uint_8類型的數據,同時上位機不好直接識別uint_8類型的數據,需要將一個uint_16的RGB565數據轉換成4個char類型的數據。核心代碼如下:

VSYNC_Init( );//場信號線初始化

Ov7725_vsync=0;

if(Ov7725_vsync==2)

{

FIFO_PREPARE;

for(i=0;i<120;i++)

{

for(j=0;j<120;j++)

{

READ_FIFO_PIXEL(Camera_Data);//讀取RGB565數據到Camera_Data

change_int_16(a1,a2,a3,a4,Camera_Data);//Camera_Data轉化成4個char類型數據

}

}

Ov7725_vsync=0;

}

3.2 Android APP軟件設計

Android是源于Linux,使用了Linux內核的操作系統,是Google公司在2007年公布的手機操作系統[5]。Android的運行環境為虛擬機技術——Dalvik,在執行的時候每一個應用程序都有一個虛擬機實例。Android APP通常用Java語言編寫,經過編譯后會生成一個APK包,目前Android APP的開發工具主要有eclipse和Android Studio[6-7]。

百度地圖API是一套應用程序接口,通過地圖服務應用接口將平臺和地理信息數據捆綁,將地圖邏輯進行封裝,以一種直觀的方式提供給用戶,從地圖服務和開發兩個層面降低了地理信息系統的應用門檻。包括JavaScript API、Web 服務[8]。

AndroidAPP的開發基于百度地圖API的鷹眼軌跡服務。軟件運用了鷹眼軌跡中的Android SDK,它是一套基于Android 2.1及以上版本設備的應用程序接口,可以通過該接口實現軌跡追蹤[9]。安卓程序的結構框圖如圖4所示。

在PasswordActivity的輸入用戶名和密碼進入MainActivity,最后通queryHistoryTrack方法來實現軌跡的顯示。

圖4 Android APP的結構框圖

圖5 上位機構成結構框圖

3.3 服務器上位機的軟件設計

軟件通過Visual Studio的MFC編程方式實現,是一個基于對話框的項目[10]。通過socket實現網絡信息的交互[11],其詳細的結構框圖如圖5所示。

先通過gethostname( )函數獲得主機名,再通過gethostbyname( )函數獲得主機結構,繼而訪問其成員得到綁定本機IP地址。之后在線程函數server_thd( )中,先獲取活動主窗口指針,然后獲取已填入的用戶自建端口號,如未填則提醒“請輸入端口號”。之后創建socket,創建監聽,之后綁定端口并開始監聽[12]。當接收到連接請求后,連接。當res≠-1,開始接收數據。

如果接收到的數據為“begin”,開始接收圖像數據。圖像數據為120×120像素點,接收格式為一行30個像素,轉換成字符為120個字符,共480行。存入二維數組之后用change( )函數將字符所對應ASCⅡ碼轉換為16進制對應數,并存入一個新short型數組,之后將二維數組轉為一位數組,方便重新整理數據。將一維數組中的數據通過移位拼接,重新形成一個像素點所對應的16位二進制數。

之后通過類成員函數readRGB( ),通過左右移得到RGB565所對應的RGB值并存入RGB類成員中[13]。再由changeRGB( )對RGB信息進行補償

最后由窗口句柄,通過繪制CDC類中像素點繪制SetPixel( )函數,在指定位置根據類中信息繪制圖像。核心代碼如下:

gethostname(name,sizeof(name));//獲得主機名

pHost=gethostbyname(name);//獲得主機結構

IP=inet_ntoa(*(structin_addr*)pHost->h_addr_list[0]);//獲取主機ip地址

showmsg_edit->SetWindowText("綁定IP地址:"+IP);

void RGB565::readRGB(short a);

void RGB565::changeRGB(RGB565 a);

SetPixel( );

4 實驗與結果分析

本系統的功能主要分為3部分,分別為防盜、回傳圖像信息和回傳位置信息給指定手機。

4.1 防盜實驗

實驗中,將本系統放到山地車上進行實驗,設定山地車在按鍵按下后距離原點150 m,即為山地車被盜。用手機察看是否接受到被盜的短信,以及Android app上山地車的軌跡信息。經測試后系統自動給車主發送的短信如圖6所示,Android app的界面信息如圖7所示。觀察實驗結果,在實驗中山地車的基本軌跡信息如圖7所示,在誤差允許范圍內符合基本要求。

4.2 回傳圖像信息實驗

在實驗中,為了方便將本系統放在作者書桌上進行實驗。上位機位于作者電腦上,上位機的監聽端口設置為:12345。按下K2鍵,等待系統將圖像信息傳輸到服務器的上位機上。上位機的截圖信息如圖8所示。另外,為了方便對比,圖9為MCU自帶的液晶上顯示的圖像信息。通過對比發現,上位機能基本上還原基本的圖像信息,能滿足辨別周圍信息的要求。

圖6 短信信息

圖7 Android app界面

圖8 上位機接受圖片

圖9 系統液晶顯示圖像

4.3 回傳位置信息實驗

實驗中,將本系統放到山地車上進行實驗。利用手機給SIM5320E發送指定的短信和接受系統返回的百度地圖API短信鏈接。手機發送“GPS”給SIM5320E后,接受到的短信回復如圖10所示。

圖10 接受位置信息截圖

統計100次查詢指令操作的耗時長度(由發送短信時間、指令判斷時間、GPS信息獲取時間,返回百度地圖API鏈接短信時間3部分組成)。經測試,從發出查詢短信到系統返回位置信息的時間平均耗時為25.28 s,其中最短的查詢時間為20 s,如表1所示。實驗結果驗證了系統工作的可靠性和實時性。

表1 測試響應時間

5 結束語

為了應對目前山地車丟失以及戶外安全問題,在進行模塊化設計的基礎上,提出了一種基于STM32F103為核心的智能山地車安防系統。本實驗表明,該系統彌補了現有防盜系統不能及時提醒車主山地車被盜的局限性,而且Android APP上能時刻追蹤山地車的GPS信息,讓人更加的清楚明了,以及可以主動獲取山地車周圍的圖像信息,讓系統具有及時準確和直觀方面等特點。

[1] 田光偉,馬玉琪,鄭衛剛. 基于“一卡通”的校園自行車防盜管理系統[J]. 電子世界,2013,17:22.

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[3] 簡潔. 電動自行車防盜監控系統及應用程序設計[D]. 北京:電子科技大學,2015.

[4] 徐云. 低成本電動自行車防盜跟蹤監控模塊設計[D]. 北京:電子科技大學,2015.

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[6] 孫明星,孫嬌. Android智能穿戴設備開發從入門到精通[M]. 北京:中國鐵道出版社,2014:29-47.

[7] 鄭偉. 基于Android的百度地圖車輛定位系統設計與實現[D]. 呼和浩特:內蒙古大學,2014.

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[11] 王志偉,錢承山,李俊. 基于無線傳感網絡的智能移動監控系統設計[J]. 電子器件,2013,36(6):876-880.

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[13] 楊光耀. 基于FPGA的圖像采集及處理系統設計[D]. 呼和浩特:內蒙古大學,2014.

Smart Security and Protection System of the Mountain Bike Based on STM32 Microprocessor*

ZHANGHanlun,ZHOUYun,YANGKun,WANGYueyu,ZHAONing*

(College of Electronic Science and Engineering,Southeast Uinversity,Nanjing 211189,China)

In order to achieve mountain bike’s anti-theft and recovered,and the problems for the people to solve security problems in outdoor sports of mountain bike,the proposed intelligent security system of mountain bike is based on STM32. Through the system hardware and software design the STM32 microprocessor was established as control core,SIM5320E as data transmission module and OV7725 as image sensor module of the MTB security system. The remote transmission of the location of the mountain bike and its scene images,and the software and PC can display trajectory reproducing images and other functions. The results show that the mountain bike security system is stable,trajectory information is precise,the returning image is clear.

MTB security systems;track display;image transmission;Android;Baidu Hawkeye;socket

項目來源:江蘇高校品牌專業建設工程項目(PPZY2015B136)

2016-04-25 修改日期:2016-05-17

U484

A

1005-9490(2017)03-0676-06

C:6140;6430H

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.032