基于STM32的新型電動兩輪車遠程控制系統(tǒng)設計*

*基金項目：國家自然科學基金項目(51507097)。

在世界范圍內，電動兩輪車的使用越來越普及，給出行帶來很大方便，同時電動兩輪車的功能越來越多，功率可以人為定制，進而出現了很多價格昂貴的改裝車。因此車輛的防盜問題日益突出，被盜事件也日益增多，防盜性能亟須增強。目前市面上電動兩輪車設計的防盜方法主要是采用車鑰匙和機械鎖，不能及時獲取電動兩輪車的位置和狀態(tài)，更不能及時地防止盜竊的發(fā)生；通信方式主要是采用藍牙和Wi-Fi（wireless fidelity，無線保真），通信距離短，受控制范圍小^1-3。有學者采用RFID（射頻識別）技術設計了電動車防盜監(jiān)控平臺，能夠在車輛被盜時及時幫助失主找回車輛。但RFID 通信距離太短，不能遠距離實時控制^[4]。

本文基于目前電動兩輪車防盜和通信的缺陷，設計了一種新的遠程防盜控制系統(tǒng)。

1   系統(tǒng)設計方案

本設計采用STM32F103ZET6 為主控芯片，北斗S1216F8-BD 定位芯片構成北斗定位模塊， 通信芯片SIM800C 構成GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信系統(tǒng)）通信模塊。如圖1 所示。電源模塊給整個系統(tǒng)供電。STM32 的工作電壓是1.8 V ～ 3.3 V 范圍，本設計中使用直流3.3 V 供電。將電源接入到芯片電源引腳即可。北斗定位模塊把獲取的位置信息傳輸給控制器。

手機APP（應用程序）界面如圖2 所示，獲取STM32上傳的信息，如位置、報警等。用戶發(fā)出控制命令，實現相應的控制功能。

通信模塊負責信息的傳輸。位置信息和控制請求經通信模塊發(fā)送給APP，用戶通過APP 發(fā)出控制命令經GSM 模塊發(fā)送給控制器，使用戶能隨時隨地掌握車輛狀態(tài)和對車輛實時控制。

控制器采用STM32F103ZET6 微控制器，是整個系統(tǒng)的控制核心，完成數據處理和控制功能。

Copyright:廣州大學何忠英

圖2 APP控制界面

2   硬件電路原理圖設計

為節(jié)省開發(fā)時間和成本，系統(tǒng)采用模塊化設計。系統(tǒng)提供相應的電源、時鐘和復位電路，以使STM32F103ZET6微控制器正常工作；留有引腳插口，以便接入GSM 模塊和北斗模塊；因為CPU（中央處理器）引腳輸出最高電壓為DC 5V，不能直接驅動電機^[5]，需使用繼電器間接控制。

如圖3 所示。電池（BT）接入電源模塊，經電源模塊輸出DC 12 V 供給GSM 通信模塊；輸出DC 3.3 V 供給北斗模塊和STM32 芯片；輸出DC 5 V 供給STM32的GPIO（通用輸入輸出）端口相應VDD 引腳（圖中未畫出）；輸出DC 48 V 經過開關S1 和繼電器K1 供給電機控制模塊。電機控制模塊輸出控制電壓驅動電動兩輪車電機M1 運轉或停止。

S2 是電動車啟動開關。開關S2 閉合時，引腳PB13接3.3 V 電源，引腳PB14 接地，進入運行模式；開關S2 關閉時，引腳PB13 接地，引腳PB14 接3.3 V 電源，進入監(jiān)控模式。

北斗定位模塊采用S1216F8_BD 定位芯片，定位信號經過TXD和RXD引腳傳輸給STM32的PA3（USART2_RX）和PA2（USART2_TX）引腳，進入CPU 進行處理。

GSM 模塊SRXD 和STXD 引腳分別連接主控芯片PB10（USART3_TX）和PB11（USART3_RX）引腳，進行信息傳輸，使得主控芯片經過GSM 通信模塊，能可靠地和APP 通信。

3   定位功能實現

北斗定位模塊原理圖如圖4 所示。

U_BD1 是超低靜態(tài)功耗的穩(wěn)壓芯片，把3.5 V 的電壓經過引腳1 輸入給芯片，再由芯片的第5 腳輸出穩(wěn)定的3.3 V 電壓。

U_BD2 是北斗定位芯片S1216F8_BD，由天線T接收采集衛(wèi)星信號，從第11 腳RF_IN 輸入到芯片，經芯片處理完后，把數據經過串口輸出。第21 腳和第20腳分別與主控制板的引腳PA2、PA3 連接，進行串口通信，傳輸數據。

S1216F8-BD 北斗芯片默認采用NMEA-0183（美國國家海洋電子協(xié)會）協(xié)議輸出北斗定位數據，控制協(xié)議為Sky Traq 協(xié)議。軟件設計流程圖如圖5 所示。

北斗定位函數初始化硬件之后，通過調用北斗的S1216F8BD_Cfg_Rate 函數判斷模塊是否在位，如果不在位，則嘗試去設置模塊的波特率為38400，直到檢測到模塊在位為止。然后進入死循環(huán)，等待串口接收北斗數據。每次接收到北斗模塊發(fā)送過來的數據，就執(zhí)行數據解析。最后得到電動兩輪車所在位置的經度、緯度和行駛速度。

4   行駛功能實現

4.1 預先設置

插入未停機的中國移動或中國聯通的SIM 卡，以便通信使用，并在APP 中設置接收信息的號碼。在APP 中設置電動車開機密碼和電動車車主身份信息到STM32 內核，以便識別車輛身份。設置50 m 電子圍欄，用于非法移動報警。

4.2 正常開機使用

使用流程如圖6 所示，電動車主正常使用鑰匙開車鎖S2，PB13 = 1 和PB14 = 0，進入運行模式。CPU 上電，系統(tǒng)進行初始化，發(fā)送開機申請到APP。車主在APP上輸入行駛密碼。當按下啟動開關S1，用戶輸入密碼正確時，PB15 = 1，光電耦合器U100 接通，使得繼電器K1 線圈得電，觸點吸合，電機控制模塊通電，控制電機正常運行，準予騎行。

當開機密碼錯誤且錯誤次數超過3 次，判斷為非法開機，此時，PB15 = 0，光電耦合器U100 斷開，繼電器K1 觸點斷開，切斷電機供電，鎖死電機，并且電動車發(fā)出警報，上傳位置信息給車主，實現防止車輛非法騎行或被盜。當車主確認輸入密碼的是本人，可以解除警報，進入監(jiān)控模式；否則一直報警，并且每隔1 分鐘上傳一次位置信息給車主。

當合法騎行完畢，鎖車后，PB13 = 0，PB14 = 1，進入監(jiān)控模式。

5   監(jiān)控和報警

監(jiān)控模式如圖7 所示，會一直在系統(tǒng)后臺定位，每隔1 分鐘，采樣一次經緯度。依據前后2 次經緯度計算出車輛的位置移動距離L。若未超出電子圍欄( 如50 m)，則繼續(xù)監(jiān)控，否則報警并設PB15 = 0 鎖電機，且每隔1 分鐘發(fā)送位置信息給車主，以便車主追回車輛，如圖8 所示。當車主把警報解除后，繼續(xù)監(jiān)控，否則一直報警和定位。

6   車輛追蹤設計

用戶可在APP 上隨時查看位置信息，以便更人性化的監(jiān)控車輛所在位置，放心使用該服務，如圖9 所示。

圖8 顯示被盜位置

圖9 位置查詢

車主在APP 上設置車主身份信息。當車輛被盜時，能在APP 上查詢出車主信息，如圖10 所示。便于執(zhí)法人員準確地識別真正的車主，有助于解決糾紛。

圖10 顯示車主信息

7   結語

系統(tǒng)通過GSM 模塊接入全球移動通信網絡，通信信號遍布全球每個角落，使得手機APP 與控制器之間的通信不受距離限制，解決了控制距離受限制問題，實現了對電動兩輪車的遠程控制。

本文從設計電動兩輪車新型控制系統(tǒng)的原理方框圖出發(fā)，設計了系統(tǒng)的各個組成部分、硬件電路原理圖、軟件流程圖和程序代碼（因篇幅有限，未列出），介紹了系統(tǒng)的工作原理。經過實驗驗證，此遠程控制系統(tǒng)可行，具有實用和商業(yè)推廣價值。因篇幅有限，APP 設計的其他功能，本文未闡述。

參考文獻：

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[2] 李丹.電動自行車安防智能化系統(tǒng)設計與實現[D].成都:電子科技大學,2019.

[3] 王紅軍,鄭帥.基于STM32的無線視頻小車設計[J].電子技術應用,2021(1):20-21.

[4] 林健等.基于RFID技術的電動車防盜監(jiān)控平臺設計[J].軟件導刊,2020,19(3):62-65.

[5] 黃克亞.ARM Cortex-M3嵌入式原理及應用[M].北京:清華大學出版社,2020.1.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年3月期）