王弈麟，張青青，楊 沐，王又可，劉祎東，董守鴻

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，生活節(jié)奏日益加快，汽車數(shù)量不斷增長(zhǎng),汽車偷盜案件也越來越多,給人們帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。雖然市面上的汽車防盜器種類繁多，但實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警、精準(zhǔn)定位、解除布防的目標(biāo)仍然非常困難。因此，設(shè)計(jì)出一款智能化的防盜設(shè)備至關(guān)重要。

本汽車防盜系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)作為控制器，結(jié)合紅外人體傳感器、GPS定位模塊、繼電器模塊、GSM模塊和蜂鳴器模塊，同時(shí)增添了藍(lán)牙配對(duì)模塊以實(shí)現(xiàn)配對(duì)成功后解除布防，功能強(qiáng)大、高效智能、可靠且性價(jià)比高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的汽車防盜系統(tǒng)增添了藍(lán)牙模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)攜帶鑰匙的車主靠近汽車后，自動(dòng)配對(duì)，從而解除布防的功能。汽車防盜系統(tǒng)還具有電源模塊、GSM/GPS模塊、攝像頭模塊、繼電器模塊和蜂鳴器模塊等。汽車防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 汽車防盜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

本項(xiàng)目是通過DYP-ME003紅外人體傳感器檢測(cè)，傳給STM32處理信息，同時(shí)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警處理。一方面通過OV7725攝像頭模塊拍照并保存圖片，通過GSM模塊將GPS模塊的定位信息及照片發(fā)送給警局，將汽車存在被盜風(fēng)險(xiǎn)信息發(fā)送給車主，另一方面通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)識(shí)別功能。繼電器模塊可以實(shí)現(xiàn)斷電，盜賊即使進(jìn)入車內(nèi)后也不能點(diǎn)火啟動(dòng)汽車，從而真正實(shí)現(xiàn)汽車防盜。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32F103VET6是意法半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的32位基于Cortex-M3內(nèi)核的增強(qiáng)型的微控制器，其通信和USART接口較多，時(shí)鐘頻率可達(dá)72MHz，有低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)[2]。本文選用STM32F103VET6作為汽車防盜系統(tǒng)的控制芯片,并配上其他模塊的硬件電路實(shí)現(xiàn)汽車防盜報(bào)警的功能。

2.2 攝像頭采集模塊

本設(shè)計(jì)采用的是OV7725攝像模塊，這是一款分辨率為30萬像素的CMOS攝像頭，由鏡頭，圖像傳感器、板載電路及下方的信號(hào)引腳和FIFO組成。FIFO部件是一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器，帶發(fā)送和接收單元。它可以暫存拍得的嫌疑犯的人像圖片，再由單片機(jī)處理采集數(shù)據(jù)，并存入SD卡中。OV7725攝像頭采集電路的電路原理圖如圖2所示。

圖2 OV7725攝像頭電路圖

2.3 GSM通信模塊

本汽車防盜系統(tǒng)采用SIM900A為GSM通信模塊，ATK-SIM900A是ALIENTEK推出的一款高性能工業(yè)級(jí)GSM模塊，具備語音、短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘3]。GSM模塊傳輸引腳TX、RX，采用串口通信的方式，采用AT指令集的開發(fā)方式，并帶硬件流控制，使得該模塊可以非常方便的與單片機(jī)之間進(jìn)行連接。圖3所示為ATK-SIM900A的電路原理圖，該模塊在使用之前需要安裝通信運(yùn)營商的SIM卡，以通過流量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。

圖3 SIM900A通信電路圖

三個(gè)引腳SIM_TXD、SIM_RXD和GND連接的是TTL電平,分別與STM32單片機(jī)連接。連接時(shí)，需將SIM_TXD與單片機(jī)的RXD用線連接，將SIM_RXD與單片機(jī)的TXD連接，GND與單片機(jī)上的GND相連接。

2.4 GPS模塊

本設(shè)計(jì)中的GPS模塊采用ATK-NEO-6M高性能定位模塊。U-BLOX公司性能優(yōu)異的NEO-6M模組是該模塊的核心。該GPS?？炀哂休^強(qiáng)的搜星能力，主要?dú)w功于其自帶的高性能的無源的陶瓷天線與高增益LAN芯片；為了可以支持溫啟動(dòng)或著熱啟動(dòng)，即使在主電源突然斷電后，其模塊也可利用自身的后備電池來進(jìn)一步維持設(shè)備對(duì)GPS接收數(shù)據(jù)半小時(shí)左右的保存；測(cè)量輸出頻率和追蹤靈敏度的數(shù)值已經(jīng)達(dá)到了5Hz與-161dBM，可以知道模塊擁有的衛(wèi)星通道個(gè)數(shù)為50個(gè)，不容小覷；該模塊還擁有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即可以通過串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，保存在自身所帶的EEPROM中去。模塊自帶IPX接口，可以對(duì)各種有源天線進(jìn)行連接，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力；模塊兼容3.3V和5V電平，方便連接各種單片機(jī)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)將連接ATK-NEO-6M GPS模塊與外部系統(tǒng)的重任交由串口，還利用USMART這一強(qiáng)大的工具，設(shè)置GPS模塊很重要的的刷新速率，并且對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行配置。GPS模塊電路圖如圖4所示。

圖4 GPS模塊電路圖

管腳號(hào)為3的引腳名稱為GPS_PPS，它是時(shí)鐘脈沖輸出腳，該引腳同時(shí)連接了模塊自帶的狀態(tài)指示燈，在默認(rèn)條件下該指示燈有2個(gè)狀態(tài)，如果是常亮狀態(tài)，表示模塊沒有實(shí)現(xiàn)要求的定位功能，但是已是工作狀態(tài)，模塊定位成功時(shí)的狀態(tài)是閃爍狀態(tài)；管腳號(hào)為20的引腳名稱為GPS_TXD。它是模塊串口發(fā)送引腳，需要接TTL電平，接單片機(jī)的RXD；管腳號(hào)為21的引腳名稱為GPS_RXD，它是模塊串口接收引腳，也需要接TTL電平，模塊因?yàn)門XD和RXD引腳內(nèi)部相接的510Ω電阻可以對(duì)電平的兼容操作進(jìn)行相應(yīng)的處理，但是如果在使用的過程中不小心使得導(dǎo)線的電阻過大，此時(shí)的通信就會(huì)出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象；管腳號(hào)為18的引腳名稱為IIC_SDA,它與存儲(chǔ)器24C32的對(duì)應(yīng)引腳相連，它的功能是串行地址和數(shù)據(jù)輸入/輸出，SDA是雙向串行數(shù)據(jù)傳輸引腳，漏極開路，需外接上拉電阻到VCC；管腳號(hào)為19的引腳名稱為IIC_SCL,它也與存儲(chǔ)器24C32的對(duì)應(yīng)引腳相連，它代表串行時(shí)鐘輸入，SCL同步數(shù)據(jù)傳輸，上升沿?cái)?shù)據(jù)寫入，下降沿?cái)?shù)據(jù)讀出。

GPS模塊與3.3V或者5V單片機(jī)系統(tǒng)都可以進(jìn)行兼容。模塊中的TXD和RXD腳與電腦的RS232串口連接時(shí)必須由電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，不然可能會(huì)造成一些相應(yīng)的損壞。

2.5 紅外人體傳感器模塊

本設(shè)計(jì)采用的人體報(bào)警傳感器是型號(hào)為DYP-ME003的紅外人體傳感器，這款紅外人體傳感器是一種具有可靠性、靈敏性的傳感器，具有抗干擾能力，并且其體積較小，不易被嫌犯察覺。其可以以非接觸的形式檢測(cè)出一定范圍內(nèi)紅外線輻射的變化[4]。

該傳感器的工作電壓DC范圍為4.5～20V，靜態(tài)電流要求小于50uA，感應(yīng)角度為小于110°錐角，感應(yīng)距離7m以內(nèi)(距離可調(diào))。傳感器具有全自動(dòng)感應(yīng)的功能，例如當(dāng)嫌疑人進(jìn)入其探測(cè)范圍，就將輸出變?yōu)楦唠娖?；?dāng)嫌疑人離開探測(cè)范圍后，輸出則自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健４藗鞲衅鬟€具有感應(yīng)封鎖時(shí)間的功能，具體來說是在感應(yīng)模塊進(jìn)行感應(yīng)輸出后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)封鎖的時(shí)間段，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，此傳感器接收不到感應(yīng)信號(hào)。這一功能提高了防盜系統(tǒng)的可靠性，防止誤報(bào)。

2.6 藍(lán)牙無線通信模塊

本設(shè)計(jì)采用的是ATK-HC05藍(lán)牙串口模塊，這是一款主從一體的，可以和各種不同的、但是帶有藍(lán)牙功能的智能終端配對(duì)的高性能模塊，該模塊擁有4800～1382400寬的波特率范圍，3.3V或者是5V的單片機(jī)系統(tǒng)該模塊都是絕對(duì)兼容的。從圖示可以看出來VCC、GND、TXD和RXD是藍(lán)牙模塊與相應(yīng)單片機(jī)連接時(shí)必不可少的4根線，ATK-HC05模塊上的TXD和RXD需要與單片機(jī)的RXD和TXD進(jìn)行連接，VCC和GND的作用就是為整個(gè)模塊進(jìn)行供電。

圖5 藍(lán)牙無線通信模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用C語言來編寫程序，將編譯成功的程序燒錄進(jìn)單片機(jī)，可以進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。本設(shè)計(jì)在KEIL5編譯環(huán)境中編寫STM32F103的源程序，經(jīng)過編譯后產(chǎn)生.hex程序代碼，用ST-Link下載將.hex文件下載到目標(biāo)單片機(jī)的Flash中。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì),由主程序、初始化子程序、中斷服務(wù)與藍(lán)牙匹配程序、GPS定位程序、GSM發(fā)送短信程序和停止報(bào)警程序等模塊組成。系統(tǒng)的總體程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體流程圖

在主控制器STM32F103初始化后﹐系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)是否處在上鎖狀態(tài)。如果系統(tǒng)不是上鎖狀態(tài),則報(bào)警器不工作。如果處在上鎖狀態(tài)﹐啟動(dòng)報(bào)警器,報(bào)警器自動(dòng)延遲20s開始工作,以便讓使用人有足夠的時(shí)間鎖好門離開汽車。延時(shí)后報(bào)警器進(jìn)入值守工作狀態(tài),系統(tǒng)保持監(jiān)視單片機(jī)接口和紅外人體感應(yīng)模塊﹐用來采集并處理異常情況。如果有人想要非法入侵車內(nèi)，通過檢測(cè)單片機(jī)接口﹐就可以判斷汽車是否發(fā)生了人員非法入侵。如果有則進(jìn)行報(bào)警措施﹐通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，攝像頭模塊進(jìn)行采集人臉信息并保存在SD卡中，再通過調(diào)用GSM模塊將GPS定位信息和被盜風(fēng)險(xiǎn)發(fā)送給警方和車主，單片機(jī)再通過藍(lán)牙匹配決定是否解除警報(bào)。

4 結(jié)語

本文介紹了采用STM32F103單片機(jī)和傳感器的汽車防盜系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有體積小、操作簡(jiǎn)單、使用方便、多功能報(bào)警等特點(diǎn)。并且該系統(tǒng)從繼電器模塊斷電的防盜措施到被盜后進(jìn)行定位29報(bào)警的追盜措施極大的降低了被盜的風(fēng)險(xiǎn)，從多方面阻斷盜竊行為。另配有藍(lán)牙無線通信模塊，識(shí)別車輛主人從而自動(dòng)撤防。比以往的機(jī)械式防盜裝置、芯片式防盜裝置、網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)等更加智能、高效。

今后還可根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展和用戶需求，開發(fā)其它功能，如:火災(zāi)報(bào)警、醫(yī)療求助、緊急情況呼救、氣體的安全等。將其應(yīng)用滲透到更多的領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使用汽車出行的人越來越多，汽車防盜及安全系統(tǒng)必將成為我們生活中重要的一部分。