基于stm32的嵌入式智能自动锁车系统的设计与实现

张沛轩 许钟煌 叶兆恒 苏嘉俊 赵越 叶港峰 杨楚明

本文系佛山科学技术学院学术基金项目“基于stm32的嵌入式智能自动锁车系统的设计与实现” 中期成果。

摘要：现有的自行车锁车操作较为麻烦，安全的链状锁整个锁车流程超过2分钟，而且解锁的过程也需要使用者弯腰、蹲下进行操作，较为不方便。使用者由于锁车不方便，于是短暂离开时不进行锁车操作，是导致自行车被盗的主要原因之一。为解决这一问题，设计了一种基于stm32的自动锁车系统，通过检测车是否停下且使用者不在坐垫时实现车停自动锁车，通过指纹锁自动解锁，极大方便了单车的停放锁车问题，减小了在单车临时停放时被盗的风险，使得新一代单车锁车系统更加合理贴合用户的需求。

关键词：stm32;嵌入式;智能自动锁车系统;设计

中图分类号：TP391.41   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2020）16-0071-01  随着各种智能单车的迅猛发展，蓝牙锁、移动通讯锁等智能单车锁逐步进入了市面，方便了人们的生活。尽管如此，智能单车锁还有很大的提升空間，现有的蓝牙锁、移动通讯不能很好的满足人们快速锁车的需求，操作步骤多，对不擅长使用手机的中老年及儿童不友好。

为解决这一问题，我们参考了《2020年中国自行车锁行业分析》的需求，设计了这种无需联网和手机就可以实现单车自动锁车以及解锁的形式，可以解决更多人的单车自动锁车问题，为城市的绿色出行添一份力，方便了市民日常出行的停单车，也减少了单车被盗的风险，有很好的实用性。

1 单车锁工作原理

1.1传感器工作原理。项目利用坐垫上压力传感器与车轮速度传感器实现对自行车是否停下的检测。

采用的柔性薄膜压力传感器是一种电阻式传感器，输出电阻随着薄膜传感器受到的压力增大而减小。可通过电阻的变化测量受到压力大小。

项目中使用的薄膜传感器电阻变化线性度高。

1.2指纹识别解锁指纹解锁原理。

1）工作流程：通过指纹传感器采集指纹图像，并与原有保存的指纹图像进行特征点匹配，若匹配成功，则启动开锁装置。

2）解锁原理：手指表面皮肤凹凸不平而产生的纹路就是指纹。理想指纹图像是黑白相间的二值图像。但由于指纹通常用按压的方式得到，油墨、纸张、手指状况及皮肤变形等原因都会导致指纹图像不理想。因此，有必要选择合适特征来描述指纹。

通常采用的结构特征有2种层次：

全局特征：描述指纹的全局纹路结构。具体划分为：弓型、箕型、螺旋型。

局部特征：断点、分叉是最常用指纹局部结构特征。

2 硬件设计和软件设计

2.1检测坐垫的压力传感器设计。本项目主要通过LM393双电压比较器集成电路，将薄膜传感器的电阻变化转换为电压变化，当传感器端的电压低于预设阈值时，LM393输出低电平。通过stm32芯片判断相应引脚是否低电平就可判断薄膜传感器是否被按下，从而执行后续操作。

AO引脚的电压计算公式：V_AO=Vcc×R_sensor/（R_2+R_sensor ）

2.2指纹解锁功能设计实现。

1）指纹解锁系统设计。整体系统设计如图3所示。系统整体由stm32主控板与指纹传感器构成。主控板的主控芯片为STM32F103ZET6，可以控制ZFM60指纹传感器的正常工作。同时通过串口与存储器 AT24C02 进行通信，利用存储器存储用户信息，达到断电仍能保存用户信息的作用。

2）指纹解锁系统实现。主控板由STM32F103ZET6主控芯片及电源模块、晶振电路、复位电路、调试电路等构成。电源模块对整个系统供电，晶振电路采用8MHz晶振，调试电路由JTAG下载口和串口1组成，可以通过串口下载以及调试程序，极大地方便了系统开发。

本设计选择的指纹模块型号是ZFM60，指纹模块里面主要是DSP芯片，加上外面的CMOS芯片，CMOS芯片主要是对指纹进行采集，生成指纹特征，录入两次这样的指纹特征就能生成一个指纹模板。

具体的工作过程是：扫描指纹（录入图像）、生成特征、合成模板。当切换到识别模式的时候，指纹模块就会先让CMOS芯片采集一次指纹，然后和FLASH芯片的数据进行对比。看是不是存在，如果存在就能返回是几号指纹。这样我们就能通过单片机或者电脑进行指纹识别与登记。

2.3控制开锁功能的设计实现。本项目采用两个具有自锁功能的涡轮减速电机和和两根铁杆为主要核心进行上锁，选用可充电电池：型号：2000mA 3.7v 航模电池。stm32对电机上电，电机上电后带动铁杆的旋转。铁杆转到90度位置时，电机断电，断后后电机自锁。

3 单车锁功能特点

①通过坐垫的薄膜传感器经过LM393双电压比较器传给STM32F103ZET6主控芯片进行自动锁车。②采用ZFM60型号指纹模块，使用CMOS芯片采集指纹，和FLASH芯片的数据进行对比进行开锁③真正的实现了自动锁车和指纹开锁，极大的方便了新一代锁车系统。

结语：本文总结了基于stm32的嵌入式智能自动锁车系统的设计方案以及实现，该系统的核心是stm32平台下的指纹识别模块和压力传感器模块等器件，该智能锁车与解锁系统易于实现、实用性强，给现有智能单车锁提供了更好的解决方案。

参考文献：

[1]黄喜军，谢金桂，基于STM32 的指纹密码锁设[J]科技视界，2017.

[2]任志国.基于ARM的嵌入式指纹采集与识别系统的研究[M].南京：南京航空航天大学出版社，2010.

[3]刘建航.基于智能解锁的共享单车锁车装置[J]价值工程，2020

注：作者为佛山科学技术学院17级电子信息工程专业学生。