基于手機APP 的貨車油箱防盜系統設計

張益原，楊少星，郭龍輝，孫慧心，付留原

（黃河科技學院，河南鄭州，450063）

0 引言

隨著物流行業的快速發展，貨車在運輸業起著至關重要的作用，由于貨車運輸過程中油箱外置，導致一些不法分子在貨車車主停靠休息時，惡意破壞油箱盜取汽油。尤其是長途貨車被盜的情況更為嚴重，大量貨車司機晚上為了防止汽油被盜，睡在油箱旁邊成為普遍現象。在這個網絡信息發達的時代，我們結合需求設計了一款具有低成本、可靠性高的智能油箱防盜系統，為貨車車主解決此問題。

1 系統總體設計

本系統的硬件電路設計主要由STM32 主控系統、加速度檢測電路、震動檢測電路、報警電路、WiFi 電路等組成，原理框圖如圖1 所示。其工作原理是通過加速度傳感器檢測貨車是否停止，當檢測到貨車停車后立即通電，再經震動傳感器檢測油箱外殼是否有持續震動或劇烈震動，當檢測到油箱遭有持續震動或劇烈震動時，蜂鳴器和手機APP 同時報警，告知車主。可通過手機APP 實時查看監控畫面，也可通過云端查看回放，為警方提供證據。

圖1 系統硬件框圖

2 硬件電路設計

2.1 STM32 主控系統

圖2 為STM32F103C8T6 單片機的最小系統。與51 系列單片機相比，STM32F103C8T6 中單獨設計的結構內核和強大的外圍設備使其具備了低損耗、低功率、效率高的特點，其結構：基本輸入輸出口、定時器、串行通信口、外部中斷口、備份數據、看門狗（獨立窗口）、傳輸數據、單芯片內閃存編程、將讀取數據寫入外部SRAM、外部單芯片控制等[1]，結構簡單、使用工具方便、功能強大。其核心：ARM32 位Cortex-M3CPU，最大運算頻段為72MHz 或1.25DMIPS/MHz，并具有片內集成的32-512KB 閃存和6-64KB SRAM內存，擁有超強的儲存功能，在休眠、停機和待機模式下，通過VBAT 為RTC 和備份的輔助寄存器提供電源[2]。在STM32MPU 中的主要供電方式包括：VDD 引腳為主要的電源引腳，可為所有芯片的數字電路進行供電，供應電壓為2.0～3.6V。自動化變頻器、復位系統、RC 振蕩器和鎖相環等的模擬單元，則由VSSA 和VDDA 供應2.0～3.6V 電壓，要注意VDDA 和VSS 在選擇ADC 時需要依次連接到VDD和VSS，且VDD 不得低于2.4V。當VDD 關閉時，就需要將電源（通過內部電源開關）通向RTC、外部的32MHz 振蕩器電路和備份輔助寄存器。綜上所述，STM32 具有運行速度快、功耗低等特性，因此選擇STM32 系列單片機作為主控處理器，控制核心電路。

圖2 STM32 單片機最小系統

2.2 加速度檢測電路

圖3 為加速度檢測電路，在整個系統中，加速度電路是系統運行關鍵的第一步，只有測的貨車整體加速度為零時，系統的第一道開關才被打開，致使震動電路通電，ADXL345開始工作。本設計采用ADXL345 加速度電路，該電路為多晶硅表面微加工結構，置于晶圓頂部，目的是在加速度時提供阻力。由于加速度使慣性質量偏轉和差分電容不均勻化，且傳感器輸出的振幅和加速度成正比，因此利用相敏解調確定加速度的振幅和極性，得到貨車的加速度[3]。它不但能夠檢測靜態加速度，還能夠檢測汽車運動和撞擊所產生的動態加速度，動靜結合，使得ADXL345 加速度模組可更為精確的檢測貨車行與停時的加速度。

圖3 加速度檢測電路

2.3 震動檢測電路

圖4 為震動檢測電路，本設計中選用的SW-18015P 震動感應器，是油箱防盜系統中最關鍵的模塊，SW-18015P是密封彈簧式、無方向性的振動傳感器接觸開關，無論在任意方位、任一角度，都可以觸動此開關。無論犯罪分子在任何方位、任何形式去盜取汽油，只要震動就會觸發開關，發出警報。利用程序編程對開關設定，當開關在靜態、無觸碰的狀況時，SW-18015P 即為開路或OFF 狀態，當受外力作用觸碰超過設定的電流閾值時，導電引腳便會瞬間導通，使SW-18015P 開關呈瞬間ON 狀態。該模組電源引腳的連接方式如下：VCC 為外接3.3V 或5V 供電（可以直接與單片機的3.3V 或者5V 相連），GND 外接電源負極，DO 為小板的數字量輸出端口(0 或1)。通過SW-18015P 震動傳感器精確安全地檢測油箱的震動情況，以此作為判斷油箱安全重要的依據。如若油箱受到震動的頻率超過閾值，報警裝置將立即啟動，同時會通過無線模組將油箱情況發送至手機APP，發出警報提示車主。

圖4 震動檢測電路

2.4 蜂鳴器報警電路

圖5 中為鳴聲器報警電路，該電路由一個2k 電阻、一個NPN三極管和一只鳴聲器所構成，結構簡單，為此系統提供警示的功能。該模塊通過晶體三極管來控制電壓的通斷，實現開關的作用。將三極管的基極與1k 電阻相連接，從而限制基極的電流；將晶體三極管的集電極連接到蜂鳴器的一端，再將蜂鳴器的另一端連接到VCC，使三極管的發射極直接接地[4]。當I/O 端口為低電量時,電流從晶體三極管集電極到發射極上流過，此時晶體三極管保持著工作狀態，電路為通路，蜂鳴器能夠正常工作，并產生警報。當I/O 端口為高電量，由于電壓不能通過晶體的集電極流入發射極，因此晶體三極管不能保持工作狀態，電路處在斷開狀態，蜂鳴器不能正常工作，也無法發出報警。

圖5 蜂鳴器報警電路

2.5 WiFi 電路

圖6 為WiFi 電路，作為硬件電路與手機APP 建立聯系的主要樞紐，本設計中采用了ESP8266-01S 串口WiFi 模塊，該電路是一個低功率的UART-WiFi 透傳模組，能夠直接將使用者的物理設備連接在WiFi 和無線網絡上，以便完成與網絡及局域網之間的通訊，從而實現網絡功能[5]，其中最重要的一步就是TCP/IP 傳輸層協議的接入，使通訊各方都要實施TCP/IP 協定，實施后，僅需要其中任何一方的目標IP位置和端口號就可以相互連接，而連接一經成立即可實現雙方同時收發信號進行通信。

圖6 WiFi 模塊

2.6 攝像模塊

圖7 為攝像模塊部分電路圖，攝像模塊在系統中起著記錄油箱安全情況的作用，攝像模塊硬件由鏡頭、圖像傳感器、數字信號處理芯片、圖像解析度/分辨率、SENSOR[6]，經過一系列轉換，生成攝像畫面，并通過WiFi 將實時畫面傳輸至手機。結合本項目，當油箱受到安全威脅發出警報時，可以通過手機APP 實時查看油箱的安全情況。

圖7 攝像模塊

2.7 手機APP

首先用APP 建立一個TCP 服務器，在協議類型處選擇TCP Server 協議，本機IP 地址一般會默認自動填入本機IP，也可以自己修改IP，并將端口號設置成小于65536 的一個沒有使用的端口號，再通過ESP8266-01S 建立關傳輸系，打開手機WiFi，點擊連接。通過程序的編譯指定特定數字表示命令語句，然后在APP 的輸入框中輸入特定的數字，點擊發送，硬件便可收到來自APP 的指令信息并執行，同時手機APP 接收并顯示反饋信息。

硬件所測數據通過ESP8266-01S 將數據傳輸至手機APP，如圖8 所示。首先要對無線傳輸模塊中AP 模式下的服務進行配置，然后手機作為TCP 客戶端與無線傳輸模塊進行連接，當震動傳感器工作時，電路整體處于工作狀態，通過單片機設定的程序控制無線傳輸模組將警報數據至手機APP，提醒貨車車主，查看油箱的安全狀況。

圖8 手機APP

3 系統軟件設計

本設計通過ADXL345 傳感器檢測模組檢測車輛是否停止，再通過SW-18015P 震動傳感器檢測油箱是否震動，如果車輛停止時且油箱震動，在設定時間內沒有手動取消報警功能，那么系統將會認為油箱被盜，將會嚴格按照程序的要求執行接下來的指令，蜂鳴器發生警報，同時通過ESP8266-01S 模組將被盜信息傳輸至車主手機，以此來實現報警功能。其中主程序流程圖如圖9 所示。

圖9 主程序 流程圖

圖10 為ADXL345 傳感器檢測模組軟件設計，初始化并配置加速度傳感器模組，由三軸加速度計采樣，讀取加速度數據并處理，判斷加速度是否為零，若加速度不為零，繼續循環，若加速度為零，數據輸出。

圖10 加速度傳感器流程圖

圖11 為SW-18015P 震動傳感器檢測模組軟件設計，初始化并配置震動傳感器模組，由SW-18015P 開關采樣，讀取采樣數據，判斷是否超過設定閾值，若不超過閾值，繼續循環，若超過閾值，數據輸出。

圖11 震動傳感器流程圖

4 系統的調試

系統測試最關鍵的步驟是對軟硬件結合的整體測試，經過測試，查漏補缺，以便修改或改進方案，在測試的過程中一定要保持軟硬件正常工作，逐一測試硬件各個接口的電位，均無問題之后，開始調試程序和APP 是否成功連接。確保整個控制系統的總體功能良好后，再對整個系統進行綜合調試[7]。對系統整體能力進行測試時，主要對以下四個方面進行檢測：當油箱受到持續震動和劇烈震動時，蜂鳴器是否會發出警報；手機APP 是否會接收到被盜信息；手機APP 是否可以實時查看油箱畫面；手機APP 能否控制整個系統如表1 所示。

表1 監測數據

5 結論

針對貨車運輸過程中油箱外置，導致一些不法分子在貨車車主停靠休息時，惡意破壞油箱盜取汽油問題，將該系統設計在油箱蓋內，以實現保護油箱安全的設計目的。油箱外殼有持續震動和強烈震動時，報警裝置和手機同時報警，通知車主，同時攝像頭記錄偷油者的犯罪過程。本系統解決了貨車停止時，系統自動啟動問題、攝像頭畫面的儲存問題、油箱發生震動自動報警問題、手機APP 如何接收報警信息和實時查看監控畫面問題。本系統造價低且系統穩定，預計能在油箱行業中得到廣泛地運用。