基于stm32的嵌入式智能自動鎖車系統的設計與實現

張沛軒 許鐘煌 葉兆恒 蘇嘉俊 趙越 葉港峰 楊楚明

本文系佛山科學技術學院學術基金項目“基于stm32的嵌入式智能自動鎖車系統的設計與實現” 中期成果。

摘要：現有的自行車鎖車操作較為麻煩，安全的鏈狀鎖整個鎖車流程超過2分鐘，而且解鎖的過程也需要使用者彎腰、蹲下進行操作，較為不方便。使用者由于鎖車不方便，于是短暫離開時不進行鎖車操作，是導致自行車被盜的主要原因之一。為解決這一問題，設計了一種基于stm32的自動鎖車系統，通過檢測車是否停下且使用者不在坐墊時實現車停自動鎖車，通過指紋鎖自動解鎖，極大方便了單車的停放鎖車問題，減小了在單車臨時停放時被盜的風險，使得新一代單車鎖車系統更加合理貼合用戶的需求。

關鍵詞：stm32;嵌入式;智能自動鎖車系統;設計

中圖分類號：TP391.41?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）16-0071-01? 隨著各種智能單車的迅猛發展，藍牙鎖、移動通訊鎖等智能單車鎖逐步進入了市面，方便了人們的生活。盡管如此，智能單車鎖還有很大的提升空間，現有的藍牙鎖、移動通訊不能很好的滿足人們快速鎖車的需求，操作步驟多，對不擅長使用手機的中老年及兒童不友好。

為解決這一問題，我們參考了《2020年中國自行車鎖行業分析》的需求，設計了這種無需聯網和手機就可以實現單車自動鎖車以及解鎖的形式，可以解決更多人的單車自動鎖車問題，為城市的綠色出行添一份力，方便了市民日常出行的停單車，也減少了單車被盜的風險，有很好的實用性。

1 單車鎖工作原理

1.1傳感器工作原理。項目利用坐墊上壓力傳感器與車輪速度傳感器實現對自行車是否停下的檢測。

采用的柔性薄膜壓力傳感器是一種電阻式傳感器，輸出電阻隨著薄膜傳感器受到的壓力增大而減小。可通過電阻的變化測量受到壓力大小。

項目中使用的薄膜傳感器電阻變化線性度高。

1.2指紋識別解鎖指紋解鎖原理。

1）工作流程：通過指紋傳感器采集指紋圖像，并與原有保存的指紋圖像進行特征點匹配，若匹配成功，則啟動開鎖裝置。

2）解鎖原理：手指表面皮膚凹凸不平而產生的紋路就是指紋。理想指紋圖像是黑白相間的二值圖像。但由于指紋通常用按壓的方式得到，油墨、紙張、手指狀況及皮膚變形等原因都會導致指紋圖像不理想。因此，有必要選擇合適特征來描述指紋。

通常采用的結構特征有2種層次：

全局特征：描述指紋的全局紋路結構。具體劃分為：弓型、箕型、螺旋型。

局部特征：斷點、分叉是最常用指紋局部結構特征。

2 硬件設計和軟件設計

2.1檢測坐墊的壓力傳感器設計。本項目主要通過LM393雙電壓比較器集成電路，將薄膜傳感器的電阻變化轉換為電壓變化，當傳感器端的電壓低于預設閾值時，LM393輸出低電平。通過stm32芯片判斷相應引腳是否低電平就可判斷薄膜傳感器是否被按下，從而執行后續操作。

AO引腳的電壓計算公式：V_AO=Vcc×R_sensor/（R_2+R_sensor ）

2.2指紋解鎖功能設計實現。

1）指紋解鎖系統設計。整體系統設計如圖3所示。系統整體由stm32主控板與指紋傳感器構成。主控板的主控芯片為STM32F103ZET6，可以控制ZFM60指紋傳感器的正常工作。同時通過串口與存儲器 AT24C02 進行通信，利用存儲器存儲用戶信息，達到斷電仍能保存用戶信息的作用。

2）指紋解鎖系統實現。主控板由STM32F103ZET6主控芯片及電源模塊、晶振電路、復位電路、調試電路等構成。電源模塊對整個系統供電，晶振電路采用8MHz晶振，調試電路由JTAG下載口和串口1組成，可以通過串口下載以及調試程序，極大地方便了系統開發。

本設計選擇的指紋模塊型號是ZFM60，指紋模塊里面主要是DSP芯片，加上外面的CMOS芯片，CMOS芯片主要是對指紋進行采集，生成指紋特征，錄入兩次這樣的指紋特征就能生成一個指紋模板。

具體的工作過程是：掃描指紋（錄入圖像）、生成特征、合成模板。當切換到識別模式的時候，指紋模塊就會先讓CMOS芯片采集一次指紋，然后和FLASH芯片的數據進行對比。看是不是存在，如果存在就能返回是幾號指紋。這樣我們就能通過單片機或者電腦進行指紋識別與登記。

2.3控制開鎖功能的設計實現。本項目采用兩個具有自鎖功能的渦輪減速電機和和兩根鐵桿為主要核心進行上鎖，選用可充電電池：型號：2000mA 3.7v 航模電池。stm32對電機上電，電機上電后帶動鐵桿的旋轉。鐵桿轉到90度位置時，電機斷電，斷后后電機自鎖。

3 單車鎖功能特點

①通過坐墊的薄膜傳感器經過LM393雙電壓比較器傳給STM32F103ZET6主控芯片進行自動鎖車。②采用ZFM60型號指紋模塊，使用CMOS芯片采集指紋，和FLASH芯片的數據進行對比進行開鎖③真正的實現了自動鎖車和指紋開鎖，極大的方便了新一代鎖車系統。

結語：本文總結了基于stm32的嵌入式智能自動鎖車系統的設計方案以及實現，該系統的核心是stm32平臺下的指紋識別模塊和壓力傳感器模塊等器件，該智能鎖車與解鎖系統易于實現、實用性強，給現有智能單車鎖提供了更好的解決方案。

參考文獻：

[1]黃喜軍，謝金桂，基于STM32 的指紋密碼鎖設[J]科技視界，2017.

[2]任志國.基于ARM的嵌入式指紋采集與識別系統的研究[M].南京：南京航空航天大學出版社，2010.

[3]劉建航.基于智能解鎖的共享單車鎖車裝置[J]價值工程，2020

注：作者為佛山科學技術學院17級電子信息工程專業學生。