自行车智能电子守卫的初步研发<br/>——一套主动防盗的智能系统

自行车智能电子守卫的初步研发
——一套主动防盗的智能系统

2019-05-15

奥秘(创新大赛) 2019年5期

学校：昆三中、昆明明德中学

指导老师：朱杰

学生：柳玉虎郑媛元郑岚旭

本项目荣获第31届全国青少年科技创新大赛青少年科技创新成果竞赛项目二等奖

本项目根据社会调查自行车被盗的情况，提出了针对中高档自行车智能主动防盗系统的研发。根据实验和调查，发现了目前市场上的自行车防盗设备虽然都能起到一定作用，但防盗效果十分有限，不仅容易破解，而且都只能阻碍偷盗者的偷盗行为而不是阻止。我们确定了以攻为守“主动防盗”驱赶偷盗者的设计方向，通过“电子机械锁”、威慑系统、智能中控器三个子系统来实现。其中“电子机械锁”利用静电感应原理，通过钥匙的材料来表达0或1，由锁芯附属电路来检测和识别；威慑系统的心理威慑模块利用电磁感应原理获得高压电并倍压整流，通过高响度的爆响声对偷盗者造成一定的心理威慑；威慑系统的生理威慑模块利用串联谐振变压器得到电压电流可控的高频高压电，由偷盗者碰触时形成的分布电容耦合电路，对偷盗者表皮造成轻微的灼烧，使其放弃偷盗；陀螺仪等传感器和威慑系统等执行器在智能中控器的测控下协同实现主动防盗的设计思路。不仅实现了直接防盗和主动防盗相结合，还实现了从被动防盗向主动防盗的转变；既守卫了自行车，又提高了防盗设备自身的自我保护能力，还简化了用户的操作。

【课题的发现】

随着低碳环保生活理念的深入和人们对健康出行的关注，骑自行车已不仅仅是一种出行方式，还成为了一种生活理念，有着广泛的社会人群。然而，随之而来的就是自行车被偷盗案件时常发生，尤其是针对中高档自行车的偷盗。

在修车铺师傅、学校老师和几位专业人士的指导下，我组深入研究了自行车构造以及目前主流的防盗方式，并分析比对了市场现有主要防盗产品的长处和不足。研究发现：现有的机械结构锁防盗设备，结构简单且过于传统，在小偷眼里仅是摆设；而现有电子防盗设备，智能化有余，但防盗方式单一、自保不足，易被破解拆除。此外，目前的防盗设备无论是机械锁还是智能设备，都仅仅只能阻碍偷盗而不能主动防盗。因此，只有采用事前主动防盗的方式，依次通过语音警告、火花放电声音威慑、等离子体灼烧等方式，迫使偷盗者知难而退，才能真正起到防盗的效果。

确定了设计思路之后，我们找到了相关的国家标准，并参考国家标准把思路转化为具体设计，根据设计建立三维模型并通过3D打印机打印后安装电路进行测试。

通过社会调查发现，自行车被盗案件时常发生，尤其是针对中高档自行车的偷盗；小偷使用铝箔、钢丝、万能钥匙等工具在不破坏锁芯的情况下仍可快速开锁。即使是电子锁，由于内部的电子部分和机械部分相对独立，原理和传统机械锁并没有本质区别，仍可分别破解。并且，现有自行车防盗设备均只能阻碍偷盗者而不能阻止之。

通过分别对电子机械锁、威慑系统、智能中控器三个子系统进行设计研究，实现直接防盗和主动防盗相结合的创新点，最大限度地降低被盗风险。

【探索与实验】

一、课题概述

本课题范围为自行车防盗设计，研究在适用于自行车的设计范围内对新型锁具、测控系统、威慑系统进行设计和研发，涉及锁芯（包含配套钥匙）设计和电路设计。锁具的基本原理是把钥匙做成一个电容点阵组，锁芯通过相关电路来识别由钥匙材料差异产生的容抗差来识别钥匙；威慑系统包含语音警告、高压火花的声光心理威慑和可控高压电弧的生理威慑；智能中控器以AVR单片机或51单片机为核心，辅以GPS和GPRS等模块，实现智能测控、辅助寻车。

本项目创新要点：a.改革机械锁原理和结构，把机械结构本身作为电路的一部分，通过改变钥匙电容来识别和解锁；b.使用可控高压电系统产生电弧来驱赶偷盗者，实现主动防盗；c.内置式系统，安全美观。查新点：a.锁芯识别钥匙的原理；b.通过电击驱离偷盗者的可行性；c.自行车结构设计。

本课题研究的特点是：革新机械锁的原理和设计，提高了安全性和自我保护性。以攻为守，主动防盗驱赶偷盗者。组合防盗，难以破解。

利用高压电对偷盗者的心理和生理造成威慑，实现主动防盗；在传统机械锁的基础上进行创新，实现机械与电子共同作用直接防盗；中控器和机械锁组成的主系统辅以如GPS、GPRS等子系统，实现直接防盗和主动防盗相结合的创新点。

（图表2.1.1）

二、调查

发放调查问卷100份，回收率87%，有效问卷82份，其中，28人表示曾有丢失自行车的经历或身边的人丢失过（约占34%）。69人认为自行车防盗产品并不能有效防盗（占84%）。72人愿意尝试新型自行车防盗产品（约占88%）。

【探索与实验】

三、实例分析

对市场上几款有代表性的自行车防盗产品进行分析、对比，摘要如下：

设备A：

简介：此类自行车防盗锁为市面上常见的自行车智能防盗报警锁，当锁芯被暴力破坏时就会报警。

优点：价位低，易推广。

不足：①结构和功能过于简单，电量耗尽后便会失效。

②传统开锁方式仍能够在不破坏锁芯的情况下开锁。

③每次都需要拆装，不便操作。

设备B：

简介：该锁的锁绳为钢索，一旦剪断就会报警。

优点：①非纯机械结构，传统偷车贼不易打开。

②使用密码解锁，方便简单。

不足：①装置过于简单，仅需切开后盖，取出电池即失效。

②用户无法判断电量剩余情况，一旦电池耗尽将无法解锁。

设备C：

简介：此防盗器采用刷卡式解锁，暴力拆除时报警。

优点：刷卡式，既方便用户解锁又能防止小偷破坏。

不足：①装置不能直接防盗，只能报警。

②将电线夹断即失效。

③体积较大，不便安装。

设备D：

简介：此款自行智能防盗装置为目前市场较为智能化的防盗装置。内有GPS定位、震动传感器等，一旦在设防状态检测到异常震动便会将报警信息发送至用户手机上。

优点：①与车身融为一体，隐蔽，不易被发现。

②有定位系统，智能化，能与用户交互。

不足：①装置本身不能直接防盗，只能将异常通过互联网告知用户。

②用户必须全天候实时在线，一旦报警需亲自到现场检查。

③充电口暴露，仅需对充电口施加过高的电击即可破坏内部元件。

四、设计与实测

（一）制定总体计划

1.总体设计思路

以电子机械锁和加速度传感器等作为输入，通过以单片机为核心的中控器根据预设程序分析、处理，选择控制语音、高压脉冲发生器、串联谐振变压器、GMS模块等执行器。其中，高频串联谐振变压器使车身的金属导体带电，从而驱赶偷盗者，实现主动防盗，此主动防盗的方式为我组的特色创意之一。

如框架图2.3.1所示

2.工作原理流程设计

如流程图 2.3.2所示

程序总体设计采用循环结构，在确保自身状态良好之后再进入测控循环，防止自身问题引发的误报或者不报。当身份识别模块传来确认信号时，跳出循环，结束程序，提示并关机。

（二）具体设计的过程

1.事前防盗设计

在未解锁情况下，一是当系统检测到车体被碰撞或持续移动等异常时，系统依次使用语音警告和高压放电的声光效果警示偷盗者，对其造成心理威慑，使其放弃偷盗想法；二是当系统检测到车锁被破坏或自行车被搬运、骑行时，系统直接对偷盗者放电，对触摸车身者造成轻微烫伤和疼痛，迫使其终止偷盗行为。同时，配合周密的程序可避免误伤情况（优先级依次为：语音警告、声音报警+放电威慑、对偷盗者高压电击、定位并通知车主）。

（框架图 2.3.1）

（流程图 2.3.2）

2.事后寻车设计

一旦自行车被强行拖走，防盗系统将在实施高压电击的同时，激活通信模块，通过短信把相关信息发送给车主。电池组理论续航时间可达100小时。

3.身份识别设计

①车主：通过蓝牙，车主将自己的手机、智能手表等设备与系统绑定。由于蓝牙相互配对且MAC地址具有唯一性，所以通过蓝牙绑定可确保身份的唯一性，当车主进入一定范围时即可识别出车主身份；②停车场管理员：通过语音模块，根据程序语音询问，管理员回答指定内容时即可确定管理员身份；③偷盗者：通过人体红外传感器和改进的机械锁内的加速度传感器，当检测到

有人在附近且加速度超过阈值或锁被非正常开启则判定为偷盗者。4.充分的自我保护设计

如左图所示：系统整体藏于自行车内部，车身不仅能直接充当外壳实现防暴力破坏，还能提供电磁屏蔽保护。同时，系统使用高压放电威慑的主动防盗，若直接拆解车辆则会放电电击，使偷盗者几乎无法下手。而必须暴露的部分都设计了较为完备的保护模块。

（设计图 2.4.1）

5.机械车锁改进部分

（照片 2.5.1）

（截图 2.5.2）

（设计图 2.5.3 “电子机械锁”各部分设计示意）

为实现直接防盗与主动防盗相结合的目的，改进后的车锁不仅能够像传统机械锁那样阻碍偷盗者的偷盗行为，更是一个传感器，可以检测解锁的情况并呈递给中控器，从而实现整个系统直接参与防盗，此机械和电子的结合为我组的特色创意之二。此改进方案是革新机械锁识别方式并使用我们设计研制的特殊钥匙解锁，如下图所示：在此设计中：钥匙使用两种不同的材料表达0或1，（图中金色表示导电、黑色表示绝缘）构成32位的点阵，则共有4，294，967，295种不同的组合，几乎不可能破解；将钥匙插入锁芯中转动几圈后，锁芯带动微型发电机转动发电，保证在系统电源电量耗尽的情况下仍能工作。发电机通过稳压电路后再由自激振荡器产生一个1MHz左右的驱动信号控制三极管，由变压器将直流脉冲转变为交流。开路部分上下部触点间的电容十分小，导电的部分大大缩短了平板电容器两极板间的距离，使电容量大幅提高，容抗相比绝缘的部分降低至少一个数量级，从而使单片机处的电平变高。锁芯使用类似于示波器探头的绝缘弹性触点以保证系统自身安全难以被破坏；锁芯有66个触点（32位点阵+1个电源，上下各一组）和35个电刷环，通过电刷固定并与外壳上的电路耦合。其中：下部32个触点通过1根母线连接到锁芯外的1个电刷环上，接高频交流电源、下部的另1个触点单独使用1个电刷环接地；上部的1个触点通过一个电刷环接VCC、上部的其余32个触点各自通过一个电刷环与外壳中的电路耦合。外壳和电刷环间使用类似自行车车轴里的轴承机构，通过钢珠连接电刷环和外壳。外壳中有32组整流滤波电路，这些电路各自输出不同的电平，由单片机分别读取并计算。

由于单片机和相关电路功耗非常低，微型舵机改装后轻转几圈即可完成发电。同时，钥匙手柄中装有震动发电机（强磁铁放在线圈桶内，装在身上走路即可发电），通过稳压电路给超级电容充电，弹开锁舌时需要的瞬时大电流由超级电容提供。

6.电子模块部分

①身份识别模块：钥匙或蓝牙或组。（注：身份识别模块仅做比对，比对成功后把解锁信息传输给中控器，几乎不可能被破解）

②语音警告模块：通过语音警告；

③火花放电警告模块：利用声光效果震慑；

④电弧灼烧模块：自行车被偷盗后，搬运、骑行时，则进行等离子体灼烧，迫使施盗者终止偷盗；

（设计图 2.5.4 “电子机械锁”钥匙结构示意）

⑤定位系统和通信模块：通过GMS系统，利用短信把被盗车辆的位置信息发送给车主；

⑥续航模块：当自行车下坡或车速大于15km/h时，自行车续电模块启动，发电机为电池组充电，既保证行车安全又解决了充电问题。

7.流程设计

车锁锁定后，由车主手动启动系统“设防”模式或2分钟后自动进入“设防”模式→检测各传感器状态→发现异常则按照预设程序进行不同方式的报警：

情况一：当自行车被碰撞、移动时，先进行普通警报音报警，然后用声音警告+火花放电，此阶段以心理威慑为主，使其知难而退，尽量做到不战而屈人之兵；

情况二：当机械锁被破坏，传感器检测不到车锁闭合状态时，或车座受压力或检测到较大位移时，车身对偷盗者实施电弧灼烧，造成轻微烫伤和疼痛，迫使其放弃目标，停止偷盗行为；

情况三：检测到车体有向上的加速度并持续位移时，进行电弧灼烧，同时激活GPS模块，发送信息通知车主并持续定位；

情况四：通过身份识别模块识别出车主身份，或当车锁正常解锁（借车）则自行车防盗系统关闭。或者识别出停车场管理员身份后，系统暂停两分钟，允许一定程度移动。

（图2.7.1）

（四）具体实施过程

1.根据思路进行设计

①电子机械锁部分：绘制设计草图、原理图，根据参考书籍进行计算和仿真测试，根据仿真结果验证思路的可行性并对思路进行修正。机械电子锁的触点相当于图中的电容器，使用半径为1mm的半球时通路电容约为5pF，在如图所示的参数设置时效果最好，测量点电位可在150微秒内达到识别阈值。

②中控器电路部分：把手绘的草图在Altium Designer进行优化并绘制原理图。由于时间有限，此演示模型的功能仅仅是基于震动计数的报警。例如，打开总开关，6秒后进入警戒状态，开始检测传感器状态。由于时间关系这里使用4个开关作为传感器，3个水银开关可以检测当前自行车的放置情况，另一个是震动开关。

（图2.7.2 在面包板上测试）

此外，主板还可以用于连接各集成模块，相应功能的电路与其分控制器集成在一块电路板上，每块扩展板都有它自己的控制器，所以理论上可以在主板上无限地增减子系统，以满足各类用户的不同需求。

根据原理图，使用keil进行编程，最后在面包板上对关键部分进行测试，并根据结果对设计经行修改。

（图 2.7.3 手绘高压火花放电装置驱动电路原理示意图）

③威慑系统：

A组——心理威慑

手绘高压火花放电装置驱动电路原理示意图

此电路驱动的脉冲高压发生器为警用电击棍的高压脉冲逆变器，控制好输出电极间距可控制打火频率和爆响幅度。

B组——生理威慑

（截图 2.8.1 使用AutoCAD绘制设计图）

由于涉及到高压电击，为确保安全，首先收集资料。根据中华人民共和国国家标准《GB/T 13870.1-2008》（针对100Hz以下）第五条 “摆脱阈……约5mA的数值适用于所有人”和《GB/T 13870.2-1997》第六条“频率在100KHz以上，电流强度约为数百毫安时，感知由较低频率时特有的刺痛感转变为一种温热感。”、“频率在100KHz以上时，关于心室纤维性颤动阈既无实验数据，也无事故报道。”

综合相关资料分析得出：频率较低时（50～100Hz）10mA电流将产生剧烈疼痛，超过500mA时可能致死；频率较高时（100KHz以上）由于趋肤效应，电流难以伤及内脏，只会对表层皮肤造成灼烧，电流达数百毫安甚至数安培时也不易造成致命危险。再参考医疗领域使用的“高频电刀”的设计，我组设计的谐振频率取800KHz。

④系统整体外观设计：使用AutoCAD 绘制外观三视图

整体设计为细长圆柱体，装于自行车座位下的钢筒内。外壳使用电阻率适中的导电橡胶材质，不仅可以起到电磁屏蔽的作用，一定的弹性还可以起到缓冲作用，充分保护内部电路。美观的同时还具有很强的保护能力。

⑤系统的电磁屏蔽设计

系统安装在自行车内部，系统工作时处于强电磁环境中，参考《GB/T 17799.1-1999》对系统封装外壳的电磁屏蔽设计如下：用双层相对电阻率约为10KΩ/cm(φ1.75mm)的导电橡胶3D打印壁厚为0.4mm图4.10.1中的外壳，用厚度约为0.04mm铝箔紧密包被后用环氧树脂浸润，铝箔与系统接地相接。各组件间的连接线为被上述铝箔紧密包被的φ0.2mm漆包线多绞后用热缩管封装，于自行车内部走线，所有屏蔽层铝箔均与系统接地后，从系统接地处连接自行车身进行总接地。

2.根据设计制作模型

①电子机械锁部分：使用3D设计软件MAYA建立三维模型，并使用3D打印机打印出模型打印件，在打印模型上安装电路。

（截图 2.9.1 用MAYA制作的三维模型）

（照片 2.9.2 使用3D打印机打印模型）

（图 2.9.3 手绘锁内电路原理图）

（照片 2.9.4 在打印的模型上安装电路）

上图所示为锁身的示意模型，锁舌为球形导体，卡簧为两根金属杆。正常情况下锁舌被卡簧锁住，锁舌开关闭合，分控器MCU向中控器输出安全信号；一旦暴力破坏，如扭曲、拉扯等，都会造成球形锁舌错位，锁舌开关断开，则MCU停止输出安全信号，中控器判定为锁身被破坏。

②中控器部分：使用油性记号笔在覆铜板上绘制出布线，之后使用微型电钻打孔，再使用PCB腐蚀剂对覆铜板腐蚀，然后焊接元件，最后上电测试。

③威慑系统高压模块：根据计算得到的参数，手工自制电感器和电容器。

（照片 2.10.1 线路板手工布线）

（照片 2.10.2 电路板打孔）

（照片 2.10.3 氢氧化钠煮板洗去记号笔）

（照片 2.10.4 ）

（照片 2.11.1）

（照片 2.11.2）

3.对模型进行实验测试

①电子机械锁部分：通过电容计测量钥匙上的电容，导通部分平均电容约为4.43pF、开路部分平均电容小于电容计量程，大约为0.08pF。用尼龙材料、电压12V，在1MHz的频率时，在钥匙插入200mS内可识别出钥匙。插拔30次成功识别30次，识别率100%。在未解锁时强行打开100%输出报警信号。

②中控器及程序：多次重启，在3种情景测试10次，没有误判，程序执行正确率100%。实现原理主要是通过计数计时器中断和外部中断进行比较，达到预设条件时读取传感器状况，根据预设的情况进行特定的报警。

③威慑系统A组——高压火花心理威慑模块：人类会本能地对电弧以及放电时尖锐的噪音感到恐惧。通过刺耳的电弧放电，可对偷盗者造成心理威慑，使其放弃偷盗动机，做到“不战而屈人之兵”。

③威慑系统B组——灼烧生理威慑模块：如右图所示，在600KHz、空载最大电压约120KV、拉弧耗电功率50W时，拉弧长度可达8厘米。此装置不仅可使车身带电，还能使其周围一定范围内的金属导体带电，偷盗者只要碰触到车身的关键部位就会遭受灼烧，产生强烈的灼烧刺痛，这样的灼烧足以迫使其放弃偷盗行为。即使戴着绝缘手套仍然能产生灼烧。

（照片2.12.1）

（照片2.12.2）

（照片2.13.1 灼烧效果）

（照片2.13.2 隔空的金属带电并产生电弧）

参照GB/T 13870.2-1997和百度百科“安全电流”词条，对平均身高/体重为180cm/ 62KG的3男和176cm/50KG的2女进行测试，根据受试者感受绘制下表。

（图表2.14.1）

实测证明，只会烧灼表层皮肤，造成灼烧和疼痛。通过严格的保护模块，并调整谐振程度和频率，用手靠近电极便会引出电弧，但对身体几乎没有损伤，只会造成剧烈的刺痛。

【总结和分析】

一、研究的成效与思考

（一）目前取得的成果

目前已初步制作出测试原型，对原型进行测试：电子机械锁部分解锁时间在200毫秒以内、识别率100%；中控器部分工作稳定，演示程序正确率100%，并且对用户开放，用户可自行下载其他程序或固件；威慑系统中高压火花声光心理威慑模块产生爆破音可达60分贝（特别情况下可超过70分贝）；威慑系统中的电弧生理威慑模块产生的电弧可以击穿8层一次性医用丁腈手套，单次100毫秒放电可在皮肤表面灼烧出芝麻粒大小的疤痕，疼痛程度适中，类似于针扎。

各项指标均达到设计要求，安全性可控。

（二）特色

①将钥匙和锁芯的机械结构本身作为电路的一部分，充分使电子和机械相结合，大幅提高防盗性能、简化锁芯制造工艺；②将接近时产生的分布电容作为电路的一部分，偷盗者只要接触到车身的金属部分即可闭合回路，产生电弧，在偷盗者皮肤表面造成可控的灼烧和轻微的刺痛，迫使其放弃偷盗行为，使之无法继续行动；③通过智能中控器连接“电子机械锁”和威慑系统，实现直接防盗和主动防盗相结合，提高防盗效率，最大限度地提升防盗效果、减小被盗风险。

（三）产品试用报告

①功耗情况：在低集成度下，守卫模式待机功耗约为500mW；心理威慑30秒的平均功率约为3W；生理威慑20秒的平均功率约为20W；解锁时锁芯识别钥匙的功耗约为100mW；弹开卡簧的瞬时功率约45W。

②防盗效果：“电子机械锁”直接参与防盗，不仅能阻碍偷盗者，还能作为一个传感器，将相关数据呈递给中控器；主动防盗中，通过生理威慑可直接阻止偷盗者的行为，使偷盗者无法继续作案。

③安全性：电池使用移动电源中的18650锂电池，此类电池较为安全稳定；串联谐振变压器对人体的损伤小于GB/T 7964-2008中电子围栏对人体的损伤。

④科学性：本设计核心原理为交流电能够通过电容器，在本设计中，钥匙、人体都等效为电容器，使用电子技术产生适宜的交流电即可形成回路。

⑤创新性：本课在锁具和防盗方式两个方面分别创新出“电子机械锁”和放电威慑的“主动防盗”两个创新，并提出直接防盗和主动防盗相结合的创新点。根据查新，没有找到与上述创新相似的文献。

⑥实用性：本系统实现了从传统的被动防盗向主动防盗的创新，直接防盗和主动防盗相结合，最大限度地降低被盗风险，保护财产安全，有较高的实用价值。此外，本系统还能作为物联网的一个节点，具有较大的发展空间。

⑦可行性：目前已基本制出测试模型，当前技术和工具足够进行批量生产。量产成本预算约为600至1200元人民币，远小于中高档自行车的价值。

根据内测用户的反馈和评估绘制下列图表：