智能感应车锁的综合安保控制系统设计*

2018-01-15，，，，

单片机与嵌入式系统应用 2018年1期

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(天津理工大学工程训练中心，天津 300384)

引言

据报道，我国电动车和自行车的保有量在2016年分别达到2.5亿辆和3.7亿辆，随着人民生活水平的提高以及交通拥堵的加剧，尤其是最近共享单车的大量普及,这一数字还将继续增加[1],自行车这种健康环保的出行方式越来越被大家所认可。

目前严重制约自行车发展的因素就是:传统机械车锁在安全性和便捷性方面存在明显的弊端[2]。传统的机械车锁是用钥匙手动开锁，浪费时间，而且钥匙也容易被仿制，不能防撬，容易被技术性开锁。然而由于自行车成本低，防盗系统不能像汽车那么完善，被盗后可以迅速倒卖，不利于追查，所以越来越多的自行车被毁坏甚至偷窃。现在市场上存在的智能车锁如小黄车(ofo)、摩拜(mobike)等共享单车使用的车锁,虽然可以通过扫码自动开锁，部分车锁还可以追踪定位[3-4]，但是成本高昂，遭到人为损坏后不能发送实时位置坐标，最重要的是不能自动上锁，容易被有心人利用，开锁后上私锁将共享单车变成私人车辆[5]。因此,必须设计一款成本低、携带方便且能够自动上锁/解锁的智能化车锁，本文提出的智能感应车锁在传统的机械锁和电子锁基础上，拥有更安全、更便捷的特性。该智能锁可以实现自动上锁、解锁功能，具有结构可靠、不易被技术性破坏的特点。

1 智能感应车锁控制系统工作原理

智能感应车锁控制系统主要由微控制器和各种功能的模块组成，车锁控制系统基本构成[6]如图1所示。

图1 感应车锁系统总体设计框图

智能感应车锁控制系统基于STM32F407单片机，利用蓝牙4.0进行短距离通信，实现上锁、解锁功能。其控制过程如下：车主开锁时通过随身携带的手机蓝牙与感应车锁的CC2541蓝牙模块进行匹配，蓝牙模块将控制信号传递给单片机，单片机按照编制好的控制程序发送控制信号给直流电机驱动电路，直流电机正转，带动与电机输出轴相连的涡杆快速转动，涡轮转动通过齿轮组控制环形齿条正向旋转，打开车锁。当车主远离车辆时，手机蓝牙发送上锁信号控制直流电机反转，涡轮、涡杆机构带动环形齿条反向旋转实现闭锁。当该锁关闭时，车锁进入防盗报警状态，此时6轴运动处理模块(陀螺仪加速度计)开启，当检测到锁体受到震动破坏时，车锁的警报器会发出尖锐的警笛并且获取车锁此时GPS模块的定位信息[7]，该定位信息由GSM模块以短信的形式发送给车主，车主可以根据该信息立刻采取相应措施，从而极大提升了自行车的防盗功能。

2 智能感应车锁控制系统的设计

2.1 感应车锁硬件结构设计

由于自行车锁安装的空间有限、工作情况复杂且需要自带电源，所以智能感应车锁控制部分需要具有体积小、抗干扰性强、功耗低的特点。智能感应车锁内部机械结构如图2所示。

图2 车锁锁体示意图

图2为车锁打开环形齿条处于极限位置时的状态，锁体部分采用直流电机驱动涡轮涡杆的方式来实现锁的开闭。根据需要该控制系统电控部分设计思路如下：采用模块化的思路来设计实现各个控制功能，主控制器轮询各个功能模块实现所有控制功能以及数据计算。整个电控系统由控制模块、蓝牙模块、陀螺仪加速度模块、GSM模块、GPS模块、声音报警模块(蜂鸣器)和电源模块共7个模块组成，各个模块相互结合，协调工作，共同实现感应车锁的远距离控制闭、解锁及防盗报警功能。

2.2 感应车锁控制程序编写

该系统的控制器选用STM32F407单片机，它完成了系统工作模式的选择、各模块之间的通信与控制，以及数据信息的传输等。系统总体流程是按照顺序执行的，流程图如图3所示。系统在执行功能程序之前，会进行初始化，将相关的基本硬件(如寄存器、数据单元、计数单元)、中断、DMA、定时循环、外设等进行初始化。之后便顺序执行处于循环之中的功能子程序。即首先判断蓝牙是否配对，之后判断配对是否成功。当配对成功后，判断是否收到控制信号。当收到开锁信号后，车锁便会打开。若收到闭锁信号，则车锁关闭，同时进入防盗报警状态。在此状态下，当检测到车子移动或者强烈振动时，报警模块会进行声音报警，同时GPS模块对车子进行实时定位，并通过GSM模块将位置信息以短信的形式发送给车主[8]。若没有收到控制信号，该程序回到循环的开始。

图3 系统总体流程图

3 智能感应车锁部分功能模块的设计及测试

3.1 电源模块

电源部分主要由太阳能电池板电路、TP4056充电保护电路、锂电池电路组成[9]。感应车锁电源模块电路原理如图4所示。在本电路中，首先太阳能电池板的电压通过LM7805降为5 V，图中C1、C3、C5均为滤波电容，D1为二极管，防止电流回灌，选择的充电保护电路为TP4056电路，通过TP4056充电保护电路，太阳能安全地给锂电池充电，因为锂电池是3.7 V的，然而本系统使用的电源为5 V，故选择升压模块XL6009将3.7 V的电压升压到5 V，为主控板供电，升压电路的电位器可以调节升压值。主控板为5 V供电。

图4 感应车锁电源模块电路图

3.2 陀螺仪加速度计模块

当车锁处于闭合状态，若车子移动或者锁被破坏，系统需要感知该状态并采取进行报警、GPS定位和GSM通信等安全措施。该系统采用陀螺仪加速度计来感知上述状态。当车子移动时，加速度值发生变化，传感器感知加速度变化值并上传到单片机，之后执行报警程序(声音报警、GPS定位、GSM通信)。或者当锁体受到暴力开锁时，角速度值会发生变化，传感器感知该角速度变化值并将该值传至单片机，进而执行报警程序。

陀螺仪加速度计选用MPU6050，它是一种高精度的陀螺仪加速度计，采用先进的数字滤波技术，可以有效降低测量噪声，提高测量精度。该模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块当前姿态，稳定性极高[10]。陀螺仪加速度计工作原理图如图5所示。

3.3 GPS定位模块

当感应车锁的报警触发后，GPS模块会获取自行车(或者电动车)的实时精确位置。系统采用型号为SkyTra-S1216的GPS模块[11]，该模块是一款高性能GPS北斗双模定位模块。它体积小巧、结构紧凑、重量轻、速率快、精度高[12]，而且模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部FLASH，使用方便，可以实现快速精准定位。GPS模块工作原理图如图6所示。

在不同地点进行实测，定位结果如图7所示。

由于在同一经线上纬度差1°，实际距离相差约为111 km；在同一纬线上经度差1°，实际距离相差约为111cosα km(α为地理纬度)。

由图7可知，两个地点的经度相差0.000 32°，根据比例运算可知，相差的距离为27.60 m。同理，纬度相差0.000 16°，距离相差17.76 m。因此，这两个地点的距离为32.82 m。而实际上两地相差的距离为30.79 m，由此可见与实际距离相差2.03 m，误差为6.6%左右。该误差主要取决于GPS模块的精度。