智能感應車鎖的綜合安保控制系統設計*

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(天津理工大學 工程訓練中心，天津 300384)

引 言

據報道，我國電動車和自行車的保有量在2016年分別達到2.5億輛和3.7億輛，隨著人民生活水平的提高以及交通擁堵的加劇，尤其是最近共享單車的大量普及,這一數字還將繼續增加[1],自行車這種健康環保的出行方式越來越被大家所認可。

目前嚴重制約自行車發展的因素就是:傳統機械車鎖在安全性和便捷性方面存在明顯的弊端[2]。傳統的機械車鎖是用鑰匙手動開鎖，浪費時間，而且鑰匙也容易被仿制，不能防撬，容易被技術性開鎖。然而由于自行車成本低，防盜系統不能像汽車那么完善，被盜后可以迅速倒賣，不利于追查，所以越來越多的自行車被毀壞甚至偷竊。現在市場上存在的智能車鎖如小黃車(ofo)、摩拜(mobike)等共享單車使用的車鎖,雖然可以通過掃碼自動開鎖，部分車鎖還可以追蹤定位[3-4]，但是成本高昂，遭到人為損壞后不能發送實時位置坐標，最重要的是不能自動上鎖，容易被有心人利用，開鎖后上私鎖將共享單車變成私人車輛[5]。因此,必須設計一款成本低、攜帶方便且能夠自動上鎖/解鎖的智能化車鎖，本文提出的智能感應車鎖在傳統的機械鎖和電子鎖基礎上，擁有更安全、更便捷的特性。該智能鎖可以實現自動上鎖、解鎖功能，具有結構可靠、不易被技術性破壞的特點。

1 智能感應車鎖控制系統工作原理

智能感應車鎖控制系統主要由微控制器和各種功能的模塊組成，車鎖控制系統基本構成[6]如圖1所示。

圖1 感應車鎖系統總體設計框圖

智能感應車鎖控制系統基于STM32F407單片機，利用藍牙4.0進行短距離通信，實現上鎖、解鎖功能。其控制過程如下：車主開鎖時通過隨身攜帶的手機藍牙與感應車鎖的CC2541藍牙模塊進行匹配，藍牙模塊將控制信號傳遞給單片機，單片機按照編制好的控制程序發送控制信號給直流電機驅動電路，直流電機正轉，帶動與電機輸出軸相連的渦桿快速轉動，渦輪轉動通過齒輪組控制環形齒條正向旋轉，打開車鎖。當車主遠離車輛時，手機藍牙發送上鎖信號控制直流電機反轉，渦輪、渦桿機構帶動環形齒條反向旋轉實現閉鎖。當該鎖關閉時，車鎖進入防盜報警狀態，此時6軸運動處理模塊(陀螺儀加速度計)開啟，當檢測到鎖體受到震動破壞時，車鎖的警報器會發出尖銳的警笛并且獲取車鎖此時GPS模塊的定位信息[7]，該定位信息由GSM模塊以短信的形式發送給車主，車主可以根據該信息立刻采取相應措施，從而極大提升了自行車的防盜功能。

2 智能感應車鎖控制系統的設計

2.1 感應車鎖硬件結構設計

由于自行車鎖安裝的空間有限、工作情況復雜且需要自帶電源，所以智能感應車鎖控制部分需要具有體積小、抗干擾性強、功耗低的特點。智能感應車鎖內部機械結構如圖2所示。

圖2 車鎖鎖體示意圖

圖2為車鎖打開環形齒條處于極限位置時的狀態，鎖體部分采用直流電機驅動渦輪渦桿的方式來實現鎖的開閉。根據需要該控制系統電控部分設計思路如下：采用模塊化的思路來設計實現各個控制功能，主控制器輪詢各個功能模塊實現所有控制功能以及數據計算。整個電控系統由控制模塊、藍牙模塊、陀螺儀加速度模塊、GSM模塊、GPS模塊、聲音報警模塊(蜂鳴器)和電源模塊共7個模塊組成，各個模塊相互結合，協調工作，共同實現感應車鎖的遠距離控制閉、解鎖及防盜報警功能。

2.2 感應車鎖控制程序編寫

該系統的控制器選用STM32F407單片機，它完成了系統工作模式的選擇、各模塊之間的通信與控制，以及數據信息的傳輸等。系統總體流程是按照順序執行的，流程圖如圖3所示。系統在執行功能程序之前，會進行初始化，將相關的基本硬件(如寄存器、數據單元、計數單元)、中斷、DMA、定時循環、外設等進行初始化。之后便順序執行處于循環之中的功能子程序。即首先判斷藍牙是否配對，之后判斷配對是否成功。當配對成功后，判斷是否收到控制信號。當收到開鎖信號后，車鎖便會打開。若收到閉鎖信號，則車鎖關閉，同時進入防盜報警狀態。在此狀態下，當檢測到車子移動或者強烈振動時，報警模塊會進行聲音報警，同時GPS模塊對車子進行實時定位，并通過GSM模塊將位置信息以短信的形式發送給車主[8]。若沒有收到控制信號，該程序回到循環的開始。

圖3 系統總體流程圖

3 智能感應車鎖部分功能模塊的設計及測試

3.1 電源模塊

電源部分主要由太陽能電池板電路、TP4056充電保護電路、鋰電池電路組成[9]。感應車鎖電源模塊電路原理如圖4所示。在本電路中，首先太陽能電池板的電壓通過LM7805降為5 V，圖中C1、C3、C5均為濾波電容，D1為二極管，防止電流回灌，選擇的充電保護電路為TP4056電路，通過TP4056充電保護電路，太陽能安全地給鋰電池充電，因為鋰電池是3.7 V的，然而本系統使用的電源為5 V，故選擇升壓模塊XL6009將3.7 V的電壓升壓到5 V，為主控板供電，升壓電路的電位器可以調節升壓值。主控板為5 V供電。

圖4 感應車鎖電源模塊電路圖

3.2 陀螺儀加速度計模塊

當車鎖處于閉合狀態，若車子移動或者鎖被破壞，系統需要感知該狀態并采取進行報警、GPS定位和GSM通信等安全措施。該系統采用陀螺儀加速度計來感知上述狀態。當車子移動時，加速度值發生變化，傳感器感知加速度變化值并上傳到單片機，之后執行報警程序(聲音報警、GPS定位、GSM通信)。或者當鎖體受到暴力開鎖時，角速度值會發生變化，傳感器感知該角速度變化值并將該值傳至單片機，進而執行報警程序。

陀螺儀加速度計選用MPU6050，它是一種高精度的陀螺儀加速度計，采用先進的數字濾波技術，可以有效降低測量噪聲，提高測量精度。該模塊內部集成了姿態解算器，配合動態卡爾曼濾波算法，能夠在動態環境下準確輸出模塊當前姿態，穩定性極高[10]。陀螺儀加速度計工作原理圖如圖5所示。

3.3 GPS定位模塊

當感應車鎖的報警觸發后，GPS模塊會獲取自行車(或者電動車)的實時精確位置。系統采用型號為SkyTra-S1216的GPS模塊[11]，該模塊是一款高性能GPS北斗雙模定位模塊。它體積小巧、結構緊湊、重量輕、速率快、精度高[12]，而且模塊可通過串口進行各種參數設置，并可保存在內部FLASH，使用方便，可以實現快速精準定位。GPS模塊工作原理圖如圖6所示。

在不同地點進行實測，定位結果如圖7所示。

由于在同一經線上緯度差1°，實際距離相差約為111 km；在同一緯線上經度差1°，實際距離相差約為111cosα km(α為地理緯度)。

由圖7可知，兩個地點的經度相差0.000 32°，根據比例運算可知，相差的距離為27.60 m。同理，緯度相差0.000 16°，距離相差17.76 m。因此，這兩個地點的距離為32.82 m。而實際上兩地相差的距離為30.79 m，由此可見與實際距離相差2.03 m，誤差為6.6%左右。該誤差主要取決于GPS模塊的精度。

圖5 陀螺儀加速度計工作原理圖

圖6 GPS模塊工作原理圖

圖7 不同地點定位結果(液晶屏顯示)

結 語

[1] 王倍菲.城市公共自行車租賃系統規劃研究[D].西安:西安建筑科技大學,2015.

[2] 馬姣.公共自行車租賃業務管理系統設計與實現[D].重慶:重慶郵電大學,2016.

[3] 吳滿金.公共自行車系統自然租賃需求預測與多目標調度方法[D].杭州:浙江工業大學,2015.

[4] 白璐.中小城市公共自行車租賃系統實施問題研究[J].邊疆經濟與文化,2013(5):13-14.

[5] 任淵杰.公共自行車租賃管理系統的設計與實現[D].上海:復旦大學,2012.

[6] 楊忠良,韓迪,黃愉佳,等.一卡通自行車存車系統設計與實現[J].數據通信,2012(5):42-45.

[7] 萬云霞,龐鑠,付群健,等.智能防盜車鎖跟蹤系統設計[J].傳感器與微系統,2016,35(5):100-102,106.

[8] 曹會平,葉明,吳哲.基于GPS和GSM智能車鎖控制單元的研究[J].儀器儀表用戶,2012,19(1):1-4.

[9] 朱憲忠,許斌,周一航,等.太陽能手機充電器的電路設計[J].電子世界,2012(21):134-135.

[10] 張露.基于捷聯慣導的采煤機位姿解算算法研究[D].西安:西安科技大學,2014.

[11] 白如玉,蘇新彥,遲殿玉.基于北斗搜尋救助定位系統的定位終端設計[J].科技創新與應用,2015(32):48.

[12] 李偉成,彭松,郭亮,等.基于STM32系列開發板的一種高性能GPS模塊應用開發與研究[J].電子技術,2015,44(11):11-14.