，，，，

(天津理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300384)

引 言

據(jù)報(bào)道，我國電動(dòng)車和自行車的保有量在2016年分別達(dá)到2.5億輛和3.7億輛，隨著人民生活水平的提高以及交通擁堵的加劇，尤其是最近共享單車的大量普及,這一數(shù)字還將繼續(xù)增加[1],自行車這種健康環(huán)保的出行方式越來越被大家所認(rèn)可。

目前嚴(yán)重制約自行車發(fā)展的因素就是:傳統(tǒng)機(jī)械車鎖在安全性和便捷性方面存在明顯的弊端[2]。傳統(tǒng)的機(jī)械車鎖是用鑰匙手動(dòng)開鎖，浪費(fèi)時(shí)間，而且鑰匙也容易被仿制，不能防撬，容易被技術(shù)性開鎖。然而由于自行車成本低，防盜系統(tǒng)不能像汽車那么完善，被盜后可以迅速倒賣，不利于追查，所以越來越多的自行車被毀壞甚至偷竊?，F(xiàn)在市場上存在的智能車鎖如小黃車(ofo)、摩拜(mobike)等共享單車使用的車鎖,雖然可以通過掃碼自動(dòng)開鎖，部分車鎖還可以追蹤定位[3-4]，但是成本高昂，遭到人為損壞后不能發(fā)送實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，最重要的是不能自動(dòng)上鎖，容易被有心人利用，開鎖后上私鎖將共享單車變成私人車輛[5]。因此,必須設(shè)計(jì)一款成本低、攜帶方便且能夠自動(dòng)上鎖/解鎖的智能化車鎖，本文提出的智能感應(yīng)車鎖在傳統(tǒng)的機(jī)械鎖和電子鎖基礎(chǔ)上，擁有更安全、更便捷的特性。該智能鎖可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖、解鎖功能，具有結(jié)構(gòu)可靠、不易被技術(shù)性破壞的特點(diǎn)。

1 智能感應(yīng)車鎖控制系統(tǒng)工作原理

智能感應(yīng)車鎖控制系統(tǒng)主要由微控制器和各種功能的模塊組成，車鎖控制系統(tǒng)基本構(gòu)成[6]如圖1所示。

圖1 感應(yīng)車鎖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

智能感應(yīng)車鎖控制系統(tǒng)基于STM32F407單片機(jī)，利用藍(lán)牙4.0進(jìn)行短距離通信，實(shí)現(xiàn)上鎖、解鎖功能。其控制過程如下：車主開鎖時(shí)通過隨身攜帶的手機(jī)藍(lán)牙與感應(yīng)車鎖的CC2541藍(lán)牙模塊進(jìn)行匹配，藍(lán)牙模塊將控制信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)按照編制好的控制程序發(fā)送控制信號(hào)給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與電機(jī)輸出軸相連的渦桿快速轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪組控制環(huán)形齒條正向旋轉(zhuǎn)，打開車鎖。當(dāng)車主遠(yuǎn)離車輛時(shí)，手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送上鎖信號(hào)控制直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，渦輪、渦桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)環(huán)形齒條反向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閉鎖。當(dāng)該鎖關(guān)閉時(shí)，車鎖進(jìn)入防盜報(bào)警狀態(tài)，此時(shí)6軸運(yùn)動(dòng)處理模塊(陀螺儀加速度計(jì))開啟，當(dāng)檢測到鎖體受到震動(dòng)破壞時(shí)，車鎖的警報(bào)器會(huì)發(fā)出尖銳的警笛并且獲取車鎖此時(shí)GPS模塊的定位信息[7]，該定位信息由GSM模塊以短信的形式發(fā)送給車主，車主可以根據(jù)該信息立刻采取相應(yīng)措施，從而極大提升了自行車的防盜功能。

2 智能感應(yīng)車鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 感應(yīng)車鎖硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于自行車鎖安裝的空間有限、工作情況復(fù)雜且需要自帶電源，所以智能感應(yīng)車鎖控制部分需要具有體積小、抗干擾性強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)。智能感應(yīng)車鎖內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車鎖鎖體示意圖

圖2為車鎖打開環(huán)形齒條處于極限位置時(shí)的狀態(tài)，鎖體部分采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪渦桿的方式來實(shí)現(xiàn)鎖的開閉。根據(jù)需要該控制系統(tǒng)電控部分設(shè)計(jì)思路如下：采用模塊化的思路來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制功能，主控制器輪詢各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)所有控制功能以及數(shù)據(jù)計(jì)算。整個(gè)電控系統(tǒng)由控制模塊、藍(lán)牙模塊、陀螺儀加速度模塊、GSM模塊、GPS模塊、聲音報(bào)警模塊(蜂鳴器)和電源模塊共7個(gè)模塊組成，各個(gè)模塊相互結(jié)合，協(xié)調(diào)工作，共同實(shí)現(xiàn)感應(yīng)車鎖的遠(yuǎn)距離控制閉、解鎖及防盜報(bào)警功能。

2.2 感應(yīng)車鎖控制程序編寫

該系統(tǒng)的控制器選用STM32F407單片機(jī)，它完成了系統(tǒng)工作模式的選擇、各模塊之間的通信與控制，以及數(shù)據(jù)信息的傳輸?shù)?。系統(tǒng)總體流程是按照順序執(zhí)行的，流程圖如圖3所示。系統(tǒng)在執(zhí)行功能程序之前，會(huì)進(jìn)行初始化，將相關(guān)的基本硬件(如寄存器、數(shù)據(jù)單元、計(jì)數(shù)單元)、中斷、DMA、定時(shí)循環(huán)、外設(shè)等進(jìn)行初始化。之后便順序執(zhí)行處于循環(huán)之中的功能子程序。即首先判斷藍(lán)牙是否配對，之后判斷配對是否成功。當(dāng)配對成功后，判斷是否收到控制信號(hào)。當(dāng)收到開鎖信號(hào)后，車鎖便會(huì)打開。若收到閉鎖信號(hào)，則車鎖關(guān)閉，同時(shí)進(jìn)入防盜報(bào)警狀態(tài)。在此狀態(tài)下，當(dāng)檢測到車子移動(dòng)或者強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，報(bào)警模塊會(huì)進(jìn)行聲音報(bào)警，同時(shí)GPS模塊對車子進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并通過GSM模塊將位置信息以短信的形式發(fā)送給車主[8]。若沒有收到控制信號(hào)，該程序回到循環(huán)的開始。

圖3 系統(tǒng)總體流程圖

3 智能感應(yīng)車鎖部分功能模塊的設(shè)計(jì)及測試

3.1 電源模塊

電源部分主要由太陽能電池板電路、TP4056充電保護(hù)電路、鋰電池電路組成[9]。感應(yīng)車鎖電源模塊電路原理如圖4所示。在本電路中，首先太陽能電池板的電壓通過LM7805降為5 V，圖中C1、C3、C5均為濾波電容，D1為二極管，防止電流回灌，選擇的充電保護(hù)電路為TP4056電路，通過TP4056充電保護(hù)電路，太陽能安全地給鋰電池充電，因?yàn)殇囯姵厥?.7 V的，然而本系統(tǒng)使用的電源為5 V，故選擇升壓模塊XL6009將3.7 V的電壓升壓到5 V，為主控板供電，升壓電路的電位器可以調(diào)節(jié)升壓值。主控板為5 V供電。

圖4 感應(yīng)車鎖電源模塊電路圖

3.2 陀螺儀加速度計(jì)模塊

當(dāng)車鎖處于閉合狀態(tài)，若車子移動(dòng)或者鎖被破壞，系統(tǒng)需要感知該狀態(tài)并采取進(jìn)行報(bào)警、GPS定位和GSM通信等安全措施。該系統(tǒng)采用陀螺儀加速度計(jì)來感知上述狀態(tài)。當(dāng)車子移動(dòng)時(shí)，加速度值發(fā)生變化，傳感器感知加速度變化值并上傳到單片機(jī)，之后執(zhí)行報(bào)警程序(聲音報(bào)警、GPS定位、GSM通信)。或者當(dāng)鎖體受到暴力開鎖時(shí)，角速度值會(huì)發(fā)生變化，傳感器感知該角速度變化值并將該值傳至單片機(jī)，進(jìn)而執(zhí)行報(bào)警程序。

陀螺儀加速度計(jì)選用MPU6050，它是一種高精度的陀螺儀加速度計(jì)，采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，可以有效降低測量噪聲，提高測量精度。該模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊當(dāng)前姿態(tài)，穩(wěn)定性極高[10]。陀螺儀加速度計(jì)工作原理圖如圖5所示。

3.3 GPS定位模塊

當(dāng)感應(yīng)車鎖的報(bào)警觸發(fā)后，GPS模塊會(huì)獲取自行車(或者電動(dòng)車)的實(shí)時(shí)精確位置。系統(tǒng)采用型號(hào)為SkyTra-S1216的GPS模塊[11]，該模塊是一款高性能GPS北斗雙模定位模塊。它體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、速率快、精度高[12]，而且模塊可通過串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在內(nèi)部FLASH，使用方便，可以實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)定位。GPS模塊工作原理圖如圖6所示。

在不同地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，定位結(jié)果如圖7所示。

由于在同一經(jīng)線上緯度差1°，實(shí)際距離相差約為111 km；在同一緯線上經(jīng)度差1°，實(shí)際距離相差約為111cosα km(α為地理緯度)。

由圖7可知，兩個(gè)地點(diǎn)的經(jīng)度相差0.000 32°，根據(jù)比例運(yùn)算可知，相差的距離為27.60 m。同理，緯度相差0.000 16°，距離相差17.76 m。因此，這兩個(gè)地點(diǎn)的距離為32.82 m。而實(shí)際上兩地相差的距離為30.79 m，由此可見與實(shí)際距離相差2.03 m，誤差為6.6%左右。該誤差主要取決于GPS模塊的精度。

圖5 陀螺儀加速度計(jì)工作原理圖

圖6 GPS模塊工作原理圖

圖7 不同地點(diǎn)定位結(jié)果(液晶屏顯示)

結(jié) 語

[1] 王倍菲.城市公共自行車租賃系統(tǒng)規(guī)劃研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2015.

[2] 馬姣.公共自行車租賃業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶:重慶郵電大學(xué),2016.

[3] 吳滿金.公共自行車系統(tǒng)自然租賃需求預(yù)測與多目標(biāo)調(diào)度方法[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2015.

[4] 白璐.中小城市公共自行車租賃系統(tǒng)實(shí)施問題研究[J].邊疆經(jīng)濟(jì)與文化,2013(5):13-14.

[5] 任淵杰.公共自行車租賃管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2012.

[6] 楊忠良,韓迪,黃愉佳,等.一卡通自行車存車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)據(jù)通信,2012(5):42-45.

[7] 萬云霞,龐鑠,付群健,等.智能防盜車鎖跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(5):100-102,106.

[8] 曹會(huì)平,葉明,吳哲.基于GPS和GSM智能車鎖控制單元的研究[J].儀器儀表用戶,2012,19(1):1-4.

[9] 朱憲忠,許斌,周一航,等.太陽能手機(jī)充電器的電路設(shè)計(jì)[J].電子世界,2012(21):134-135.

[10] 張露.基于捷聯(lián)慣導(dǎo)的采煤機(jī)位姿解算算法研究[D].西安:西安科技大學(xué),2014.

[11] 白如玉,蘇新彥,遲殿玉.基于北斗搜尋救助定位系統(tǒng)的定位終端設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(32):48.

[12] 李偉成,彭松,郭亮,等.基于STM32系列開發(fā)板的一種高性能GPS模塊應(yīng)用開發(fā)與研究[J].電子技術(shù),2015,44(11):11-14.