基于物联网技术的电动自行车防盗追踪系统的设计∗

2018-11-28柯钢

计算机与数字工程 2018年11期

柯钢

（东莞职业技术学院计算机工程系东莞 523808）

1 引言

随着社会的发展，人民环保意识的提高，环保价廉、方便快捷的电动自行车成为人们短途出行的常用交通工具。伴随着电动自行车的日益增多，与其相关的被盗问题也日益严重。以往的电动自行车是采用声光电报警的方式来进行防盗，一旦将电动自行车的电源掐断，报警功能就会失效。随着技术的发展，很多电动自行车采用电机锁来进行防盗，电机锁是通过机械结构把电动自行车的电机锁死，电机锁的安装位置一般比较隐蔽，对于用户来说上锁和解锁比较麻烦，而且它也不能解决电动自行车被盗后的追踪问题［1～2］。针对上述问题，本文提出了基于物联网技术的电动自行车防盗追踪系统，通过传感器、BDS定位技术以及GSM通信技术来实时监控电动自行车是否发生人为搬移、盗窃或拆解等问题，一旦发生，及时报警通知用户，并将电动自行车的移动轨迹实时上传至车辆监控管理平台，供用户定位追踪，大大降低了电动自行车的被盗几率，同时还能对被盗自行车进行追踪，提高被追回的几率。

2 关键技术

2.1 BDS技术

BDS（BeiDou Navigation Satellite System）的全称为中国北斗卫星导航系统，它是继美国GPS全球定位系统和俄罗斯GLONASS之后的第三个成熟的全球卫星导航系统，导航星座、地面控制系统和用户导航定位终端组成了北斗卫星导航系统［3］。该系统以导航卫星为基准点，用户终端接收导航卫星传来的信号，根据信号可以计算出用户到导航卫星间的距离，再查询导航卫星在每一个时刻的速度和位置，从而得到用户当前的位置和速度。

2.2 GSM系统

GSM（Global System For Mobile Communication）全称为全球移动通信系统，采用时分多址技术，它由移动台、基站系统、网络交换系统和操作维护系统4个部分组成，并且拥有GPRS数据通信服务和短信息服务。GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线服务技术的简称，它采用分组交换技术，可以让多个用户共享信道资源，大大提高了传输速率［4～5］。短信息服务（Short Message Service，SMS）是GSM系统中提供的一种GSM终端之间，通过短信息中心进行文本信息收发的应用服务。它优势是不需要建立端对端的连接，与其他的业务如通话、数据传输不存在冲突，可以同时进行［6］。

2.3 传感器技术

传感器是一种能把物理量、化学量或生物量转变成便于传输和处理的电信号的测量器件，它通常由传感元件、敏感元件、测量电路和辅助电源四部分组成。根据输入的物理量传感器可以分为：位移传感器、压力传感器、振动传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等。其中，振动传感器是目前广泛应用的一种报警检测传感器，它内部用压电陶瓷片加弹簧重锤结构检测振动信号，并通过LM358等运放放大并输出控制信号［7］。

2.4 百度地图API

百度地图 API（Application Programming Inter⁃face，应用程序接口）是百度公司为开发者免费提供的一套基于百度地图服务的应用程序接口，包括面向网页地图应用的JavaScript API、面向手机应用的Android SDK、IOS SDK、定位SDK等多种版本［8～9］。百度地图JavaScript API全部用Javascript语言编写，可以给用户提供地图基本功能的各种接口。用户在设计过程中只需要在网页代码中插入调用百度API接口的代码，就能在浏览网页时在容器中自动嵌入地图并对其进行操作。

3 系统设计方案

本系统基于物联网技术，通过传感器实时监测电动自行车的运动状态，并且不断地向车辆监控管理平台服务器上传历史GPS位置信息。当电动自行车发生盗窃行为时，电动自行车防盗终端系统做出反应，通过GSM网络给用户发送报警短信，同时用户可以登录车辆监控管理平台，通过GPS数据查询电动自行车的当前位置和运行轨迹等信息。系统主要由防盗终端系统，车辆监控管理平台组成。系统整体架构如图1所示。

防盗终端系统包含传感器、BDS定位模块和GSM通信模块等。防盗终端系统通过BDS定位模块接收到BDS定位信息，解析出车辆的定位信息，再通过GSM通信模块，发送给预先设定的固定IP地址、固定端口号的车辆监控管理平台。当防盗终端系统的传感器检测到车辆发生振动或电瓶掉电时，通过GSM通信模块，给用户发送短信报警。

车辆监控管理平台负责接收防盗终端设备发送过来的定位信息并存入数据库，同时对用户的查询请求进行响应。用户使用浏览器访问车辆监控管理平台，可以查询车辆当前的位置信息和运行轨迹，并且通过调用百度地图API接口将位置信息和运行轨迹标注在百度地图上。

图1 系统整体架构图

4 防盗终端系统硬件设计

防盗终端系统硬件架构包括传感器模块、BDS定位模块、GSM通信模块、中央控制单元四部分，系统中各硬件子系统连接情况如图2所示。

图2 防盗终端系统硬件架构

如图2所示，GSM通信模块、BDS定位模块及传感器模块分别与中央处理单元相连接，当传感器模块检测到车辆发生振动时，中央处理单元通过GSM通信模块及时向用户发送短信报警，并实时上传BDS定位数据。

4.1 北斗定位模块的设计

北斗定位模块用于接收北斗卫星的定位信号，并计算出电动自行车所在的位置。该模块选用北京和芯星通公司研制的GPS/BD双模卫星定位芯片UM220，它具有尺寸小、重量轻、功耗低等特点。UM220模块可以同时支持GPS L1和BD2 B1两个频点，用户可以选择GPS和北斗之一进行定位［10～11］，本模块选择北斗进行定位。

UM220模块主要由RF前端、数字中频滤波、微处理器、存储芯片等组成，其模块结构如图3所示。UM220模块通电完成初始自检后，通过天线接收北斗卫星信号，经放大、过滤等处理后，对其视界内几何位置最佳的4颗卫星进行连续跟踪，计算出信号从卫星到天线的传播时间，解译出北斗卫星所发送的导航电文，最后由串口输出NMEA-0183数据。

图3 UM220模块图

4.2 GSM通信模块的设计

GSM通信模块负责发送报警短信和上传北斗定位信息。该模块采用展讯公司的SC6500D，它能够实现GSM和GPRS功能，提供UART、SIM卡、ADC接口等，支持AT命令集。SC6500D的UART端口为四线制，其中UART1用作GPRS数据传送，UART0用作AT命令传送。当系统需要上传北斗定位信息时，首先对GPRS进行波特率、网关等设置，再通过中央处理单元的串口1发送AT+IP⁃SEND=n，然后将需要发送的信息转换为16机制ASCII码从串口1发送。当系统需要发送报警短信时，系统会利用ATD指令和预存在EEPROM中的用户手机号来给用户发送报警短信［12］。