基于STM32的新型電動(dòng)兩輪車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51507097)。

在世界范圍內(nèi)，電動(dòng)兩輪車的使用越來越普及，給出行帶來很大方便，同時(shí)電動(dòng)兩輪車的功能越來越多，功率可以人為定制，進(jìn)而出現(xiàn)了很多價(jià)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(qiáng)。目前市面上電動(dòng)兩輪車設(shè)計(jì)的防盜方法主要是采用車鑰匙和機(jī)械鎖，不能及時(shí)獲取電動(dòng)兩輪車的位置和狀態(tài)，更不能及時(shí)地防止盜竊的發(fā)生；通信方式主要是采用藍(lán)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(xué)者采用RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)設(shè)計(jì)了電動(dòng)車防盜監(jiān)控平臺(tái)，能夠在車輛被盜時(shí)及時(shí)幫助失主找回車輛。但RFID 通信距離太短，不能遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)控制^[4]。

本文基于目前電動(dòng)兩輪車防盜和通信的缺陷，設(shè)計(jì)了一種新的遠(yuǎn)程防盜控制系統(tǒng)。

1   系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6 為主控芯片，北斗S1216F8-BD 定位芯片構(gòu)成北斗定位模塊， 通信芯片SIM800C 構(gòu)成GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）通信模塊。如圖1 所示。電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)供電。STM32 的工作電壓是1.8 V ～ 3.3 V 范圍，本設(shè)計(jì)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(jī)APP（應(yīng)用程序）界面如圖2 所示，獲取STM32上傳的信息，如位置、報(bào)警等。用戶發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。

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

控制器采用STM32F103ZET6 微控制器，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，完成數(shù)據(jù)處理和控制功能。

Copyright:廣州大學(xué)何忠英

圖2 APP控制界面

2   硬件電路原理圖設(shè)計(jì)

為節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)提供相應(yīng)的電源、時(shí)鐘和復(fù)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?yàn)镃PU（中央處理器）引腳輸出最高電壓為DC 5V，不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)^[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(jīng)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(yīng)VDD 引腳（圖中未畫出）；輸出DC 48 V 經(jīng)過開關(guān)S1 和繼電器K1 供給電機(jī)控制模塊。電機(jī)控制模塊輸出控制電壓驅(qū)動(dòng)電動(dòng)兩輪車電機(jī)M1 運(yùn)轉(zhuǎn)或停止。

S2 是電動(dòng)車啟動(dòng)開關(guān)。開關(guān)S2 閉合時(shí)，引腳PB13接3.3 V 電源，引腳PB14 接地，進(jìn)入運(yùn)行模式；開關(guān)S2 關(guān)閉時(shí)，引腳PB13 接地，引腳PB14 接3.3 V 電源，進(jìn)入監(jiān)控模式。

北斗定位模塊采用S1216F8_BD 定位芯片，定位信號(hào)經(jīng)過TXD和RXD引腳傳輸給STM32的PA3（USART2_RX）和PA2（USART2_TX）引腳，進(jìn)入CPU 進(jìn)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(jìn)行信息傳輸，使得主控芯片經(jīng)過GSM 通信模塊，能可靠地和APP 通信。

3   定位功能實(shí)現(xiàn)

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(jīng)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(hào)，從第11 腳RF_IN 輸入到芯片，經(jīng)芯片處理完后，把數(shù)據(jù)經(jīng)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(jìn)行串口通信，傳輸數(shù)據(jù)。

S1216F8-BD 北斗芯片默認(rèn)采用NMEA-0183（美國國家海洋電子協(xié)會(huì)）協(xié)議輸出北斗定位數(shù)據(jù)，控制協(xié)議為Sky Traq 協(xié)議。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示。

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

4   行駛功能實(shí)現(xiàn)

4.1 預(yù)先設(shè)置

插入未停機(jī)的中國移動(dòng)或中國聯(lián)通的SIM 卡，以便通信使用，并在APP 中設(shè)置接收信息的號(hào)碼。在APP 中設(shè)置電動(dòng)車開機(jī)密碼和電動(dòng)車車主身份信息到STM32 內(nèi)核，以便識(shí)別車輛身份。設(shè)置50 m 電子圍欄，用于非法移動(dòng)報(bào)警。

4.2 正常開機(jī)使用

使用流程如圖6 所示，電動(dòng)車主正常使用鑰匙開車鎖S2，PB13 = 1 和PB14 = 0，進(jìn)入運(yùn)行模式。CPU 上電，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，發(fā)送開機(jī)申請到APP。車主在APP上輸入行駛密碼。當(dāng)按下啟動(dòng)開關(guān)S1，用戶輸入密碼正確時(shí)，PB15 = 1，光電耦合器U100 接通，使得繼電器K1 線圈得電，觸點(diǎn)吸合，電機(jī)控制模塊通電，控制電機(jī)正常運(yùn)行，準(zhǔn)予騎行。

當(dāng)開機(jī)密碼錯(cuò)誤且錯(cuò)誤次數(shù)超過3 次，判斷為非法開機(jī)，此時(shí)，PB15 = 0，光電耦合器U100 斷開，繼電器K1 觸點(diǎn)斷開，切斷電機(jī)供電，鎖死電機(jī)，并且電動(dòng)車發(fā)出警報(bào)，上傳位置信息給車主，實(shí)現(xiàn)防止車輛非法騎行或被盜。當(dāng)車主確認(rèn)輸入密碼的是本人，可以解除警報(bào)，進(jìn)入監(jiān)控模式；否則一直報(bào)警，并且每隔1 分鐘上傳一次位置信息給車主。

當(dāng)合法騎行完畢，鎖車后，PB13 = 0，PB14 = 1，進(jìn)入監(jiān)控模式。

5   監(jiān)控和報(bào)警

監(jiān)控模式如圖7 所示，會(huì)一直在系統(tǒng)后臺(tái)定位，每隔1 分鐘，采樣一次經(jīng)緯度。依據(jù)前后2 次經(jīng)緯度計(jì)算出車輛的位置移動(dòng)距離L。若未超出電子圍欄( 如50 m)，則繼續(xù)監(jiān)控，否則報(bào)警并設(shè)PB15 = 0 鎖電機(jī)，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(dāng)車主把警報(bào)解除后，繼續(xù)監(jiān)控，否則一直報(bào)警和定位。

6   車輛追蹤設(shè)計(jì)

用戶可在APP 上隨時(shí)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(wù)，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(shè)置車主身份信息。當(dāng)車輛被盜時(shí)，能在APP 上查詢出車主信息，如圖10 所示。便于執(zhí)法人員準(zhǔn)確地識(shí)別真正的車主，有助于解決糾紛。

圖10 顯示車主信息

7   結(jié)語

系統(tǒng)通過GSM 模塊接入全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通信信號(hào)遍布全球每個(gè)角落，使得手機(jī)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(shí)現(xiàn)了對電動(dòng)兩輪車的遠(yuǎn)程控制。

本文從設(shè)計(jì)電動(dòng)兩輪車新型控制系統(tǒng)的原理方框圖出發(fā)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的各個(gè)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(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可行，具有實(shí)用和商業(yè)推廣價(jià)值。因篇幅有限，APP 設(shè)計(jì)的其他功能，本文未闡述。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）