運(yùn)用NB-IOT 技術(shù)的電動車智能防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐光洪，譚 巧，李佳怡，張雪琪，張 敏，吳 翔

（閩江學(xué)院 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，福建 福州 350108）

電動車因方便、快捷而成為通用交通工具.2019 年，中國的電動車保有量達(dá)到3 億輛.然而，全國各地電動車被盜的報(bào)道層出不窮，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年約1/6 的電動車被盜，特別是電瓶，給人們生活造成很大影響.因此，電動車的防盜就變得尤為重要[1].

現(xiàn)有電動車的防盜方式主要有兩種:1)RFID 電子標(biāo)簽定位防盜[2].給每一輛電動車都裝上RFID 電子標(biāo)簽，由基站讀取標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷該車輛是否為備案已丟失車輛.此方法對電動車的管理能力有所提升，但存在標(biāo)簽裝置易拆除、定位不精確、基站信號不能完全覆蓋等問題；2)遙控防盜報(bào)警器[3-5].遙控防盜報(bào)警器是目前市場上主流的報(bào)警器，靈敏度較高，報(bào)警聲響較大，但有效報(bào)警范圍只有幾百米，且可能誤報(bào)警，例如遇到行人或其他車輛經(jīng)過、刮風(fēng)、下雨、打雷等.

針對目前電動車防盜存在的問題，本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)防盜技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用STM32 單片機(jī)、GPS 模塊、姿態(tài)傳感器（三軸加速度和三軸陀螺儀）和壓力傳感器相結(jié)合[6-9]，實(shí)時獲取電動車所處位置、運(yùn)動狀態(tài)、靜止情況以及坐墊受壓變化等信息，并應(yīng)用NB-IOT 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與手機(jī)端APP 相連，可以實(shí)現(xiàn)電動車傾斜或倒地、車被移動、坐墊被放重物或破壞、電瓶掉電（被盜）報(bào)警和電動車位置追蹤等功能.報(bào)警方式由用戶在手機(jī)APP 端自定義設(shè)置.本設(shè)計(jì)能夠改善電動車易被盜的現(xiàn)狀，具有廣闊的應(yīng)用前景.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于NB-IOT 的電動車智能防盜報(bào)警系統(tǒng)主要由三大部分組成：安裝在電動車上的NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置、網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)管理服務(wù)器和手機(jī)端APP 軟件.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)任務(wù)：1）電動車實(shí)時信息采集.通過圖1 所示的NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置實(shí)時收集傳感器的信息，按需求將信息上報(bào)至數(shù)據(jù)管理服務(wù)器；2）用戶端手機(jī)APP 實(shí)時響應(yīng)或查看.電動車信息將由服務(wù)器推送到手機(jī)APP，若為異常信息，由手機(jī)APP 以使用者自定義方式報(bào)警（聲音、震動、彈窗）；觸發(fā)報(bào)警時，如果是本人操作，可以一鍵確認(rèn)，消除警報(bào)，除非本人再次按下開啟報(bào)警模式；手機(jī)APP 查看電動車的傳感器信息，自動發(fā)送命令到報(bào)警裝置，報(bào)警裝置將信息發(fā)到服務(wù)器，由手機(jī)APP 獲取并顯示；3）電動車追蹤：手機(jī)APP 地圖具有追蹤功能，若電動車被盜，將會鎖定其位置，地圖視角跟隨其移動，方便用戶快速找到被盜車輛.

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

2 NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對電動車位置信息、坐墊壓力和車身狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置包括：STM32單片機(jī)、GPS 模塊、集成天線、帶有NB 卡的NB-IOT 模塊、壓力傳感器、三軸姿態(tài)傳感器（感應(yīng)重力和加速度）和電源.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 核心組件的選取

2.1.1 控制芯片的選擇 考慮到單片機(jī)程序經(jīng)編譯出的可執(zhí)行文件達(dá)到22 KB，接收傳感器數(shù)據(jù)需要額外的空間，且所接外設(shè)至少需要12 個引腳.因此選用STM32F103 芯片，它具有72 MHz 的CPU 速度和高達(dá)1 MB 的閃存，且具有低功率、低電壓、實(shí)時功能佳、價格低等優(yōu)點(diǎn).

2.1.2 傳感器的選擇 在非靜止?fàn)顟B(tài)下，電動車平衡狀態(tài)易改變，主要體現(xiàn)在重心以及加速度.而當(dāng)其處于靜止?fàn)顟B(tài)時，依然會發(fā)生坐墊被放重物或者破壞、電瓶被盜等事件.結(jié)合傳感器的靈敏度及實(shí)用性，采用MPU6050 傳感器檢測加速度及重力；選用FSR 貼片型壓力傳感器保護(hù)電動車的坐墊，不會影響坐墊形態(tài)且不易損壞，并使用一個獨(dú)立IO 口對電瓶進(jìn)行監(jiān)控.為了能給用戶提供電動車的實(shí)時位置信息，選用高靈敏度、低功耗、低成本的ATGM332D-5N 系列GPS 模塊.

2.1.3 聯(lián)網(wǎng)功能的選擇 本設(shè)計(jì)中，用戶在手機(jī)端即可獲知電動車情況，NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置需要將數(shù)據(jù)上報(bào)到數(shù)據(jù)服務(wù)器，故聯(lián)網(wǎng)功能必不可少.由于電動車是在室外使用的，不適合采用WIFI，基于物聯(lián)網(wǎng)的NB-IOT 模塊是最佳選擇.BC26 芯片支持全球頻段，價格適中，滿足本文報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)要求.

2.1.4 電源模塊的設(shè)計(jì)與選擇 若電動車的電瓶被盜，供電電源被切斷.為保證報(bào)警裝置工作的可靠性，在電瓶被盜情況下也能將報(bào)警信息發(fā)到手機(jī)APP 提醒用戶，需要增加備用電源，采用雙電源供電模式，如圖3.雙電源模塊主要由電瓶、內(nèi)置電源、繼電器、降壓穩(wěn)壓模塊和NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置供電接口組成.

圖3 雙電源供電模式

正常狀態(tài)下，電瓶提供電能使系統(tǒng)運(yùn)行，繼電器有電流通過，保持?jǐn)嚅_，備用電源不工作.當(dāng)電瓶丟失時，繼電器無電流通過使其閉合，備用電源向報(bào)警裝置供電，單片機(jī)與電源相連的一個IO 口將會感知到電瓶的電壓變化，發(fā)送報(bào)警信息到服務(wù)器，再由服務(wù)器推送至手機(jī)APP 發(fā)出報(bào)警信號.

2.2 報(bào)警裝置的連接設(shè)計(jì)與一體化封裝

為實(shí)現(xiàn)電動車信息的全方位采集，采用單片機(jī)的2 個串口（GPS 和NB-IOT）、一個IIC 接口（MPU6050）、ADC 通道（壓力傳感器），將各模塊連接，通過電源接口為各模塊供電，具體接線方式如圖4.

NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置安裝在電動車上，需要具有高穩(wěn)定性、易安裝和防拆解等特點(diǎn)，故對其進(jìn)行一體化封裝設(shè)計(jì).報(bào)警裝置一體化封裝設(shè)計(jì)如圖5 所示.

圖4 報(bào)警裝置內(nèi)部接線方式

圖5 報(bào)警裝置一體化封裝設(shè)計(jì)

該裝置控制在50 mm×50 mm×20 mm 范圍內(nèi)，提供6 條線作為外部接口（電源正、負(fù)極各一條，一條控制聲音報(bào)警，其余三條分別是壓力傳感器的電源正、負(fù)極和壓力數(shù)據(jù)線）.該裝置可放入電池盒內(nèi)部，也可固定在電動車的任何位置.若偷盜者想要拆卸此裝置，也會觸發(fā)報(bào)警.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括三部分：NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置的單片機(jī)程序、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器和手機(jī)端APP.軟件功能設(shè)計(jì)如圖6.

圖6 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議主要有COAP 和MQTT.COAP 需要較多的資源和帶寬保障安全性，在資源較少的終端和極有限的帶寬下，可能運(yùn)行受阻.而MQTT 協(xié)議是專為受限設(shè)備和低帶寬、高延遲或不可靠的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，非常適合處于運(yùn)動狀態(tài)的設(shè)備.且MQTT 還有“最后的遺囑”功能，服務(wù)器在規(guī)定時間（keeplive）內(nèi)未收到來自模塊的心跳信息時會自動推送報(bào)警信息到手機(jī)APP，可有效防止發(fā)生報(bào)警裝置異常掉電或者遭到不可抗力的破壞而用戶無法得知的情況.因此，本設(shè)計(jì)在對接NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置時采用MQTT 協(xié)議[10].

應(yīng)用層協(xié)議有SMTP（郵件傳輸協(xié)議）、FTP（文件傳輸協(xié)議）、HTTP（超文本傳輸協(xié)議）等.手機(jī)APP 使用HTTP 協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行交互，由APP 主動發(fā)起一個HTTP 請求到服務(wù)器指定端口，服務(wù)器在收到請求后，根據(jù)請求類型執(zhí)行查詢數(shù)據(jù)庫、尋找文件等相應(yīng)操作，返回響應(yīng)內(nèi)容（文本、圖片等），一次交互結(jié)束就與服務(wù)器斷開連接，可防止因連接數(shù)過多而令服務(wù)器崩潰，且其中的POST 請求方法保證了信息的安全性.

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)包括：初始化和穩(wěn)定運(yùn)行（使用）兩部分.初始化在電源正常連接的基礎(chǔ)上，檢測NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置的每個傳感器連接是否正常，正常方可投入使用.使用過程是單片機(jī)通過檢測電源和各傳感器的數(shù)據(jù)判斷電動車的安全狀態(tài).

為達(dá)到及時、智能、穩(wěn)定的運(yùn)行要求，且考慮到物聯(lián)網(wǎng)NB 卡一年流量有限，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)正常時，不上報(bào)數(shù)據(jù)；出現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蛴脩敉ㄟ^手機(jī)APP 查看（發(fā)送指令）時上報(bào)數(shù)據(jù).這種設(shè)計(jì)方式，便于用戶及時了解電動車的信息，同時解決NB 卡流量使用達(dá)到上限，不能繼續(xù)工作的弊端.具體實(shí)現(xiàn)過程如圖7.

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能主要有：用戶信息存取、NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置與手機(jī)APP 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)（包括報(bào)警信息的推送）.因此需要兩個監(jiān)聽端口，一個為用戶通過手機(jī)APP 進(jìn)行個人相關(guān)信息存取操作提供安全服務(wù)，另一個轉(zhuǎn)發(fā)來自于NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置和手機(jī)APP 的數(shù)據(jù).程序流程如圖8.

圖7 單片機(jī)程序流程圖

圖8 服務(wù)器程序流程

3.3 手機(jī)APP 設(shè)計(jì)

手機(jī)APP 中使用了兩種通信協(xié)議分別訪問服務(wù)器的兩個端口：MQTT 協(xié)議用于后臺接收報(bào)警信息、用戶操作時（設(shè)置報(bào)警方式、獲取電動車的傳感器和位置信息、追蹤電動車）發(fā)送控制指令；HTTP 用于用戶注冊、登錄、個人信息的查看和修改.

4 測試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)采用STM32F103 開發(fā)板進(jìn)行測試，測試實(shí)驗(yàn)裝置如圖9.測試時，借助NB-IOT 模塊的串口調(diào)試軟件QCOM 查看調(diào)試信息，QCOM 對串口返回的每一條信息都顯示了當(dāng)前時間，方便記錄報(bào)警裝置的反應(yīng)時間，并進(jìn)行程序優(yōu)化.

圖9 測試實(shí)驗(yàn)裝置圖

配合APP 掌握電動車信息的不同需要，單片機(jī)程序共設(shè)計(jì)了4 種工作模式，分別是：保護(hù)（讀取傳感器值、異常自動上報(bào)）、非保護(hù)模式（不做任何操作、僅響應(yīng)來自手機(jī)APP 的命令）、獲取電動車當(dāng)前信息（單次獲取壓力數(shù)據(jù)、姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)）、追蹤（連續(xù)獲取位置信息）.手機(jī)APP 還可以設(shè)置電動車聲音報(bào)警及控制臨時開啟報(bào)警聲音，單片機(jī)將收到命令直接執(zhí)行.

經(jīng)過一系列優(yōu)化調(diào)整，對每個功能進(jìn)行測試.由測試結(jié)果可以看出，電動車的報(bào)警反應(yīng)延時為200 ms 左右，命令響應(yīng)為300 ms 左右，此系統(tǒng)完全符合設(shè)計(jì)需求.

5 結(jié)語

本電動車智能防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于NB-IOT，并結(jié)合GPS、姿態(tài)傳感器、壓力傳感器、手機(jī)APP 和服務(wù)器等軟硬件實(shí)現(xiàn)，具有以下4 個優(yōu)點(diǎn).

1）防盜嚴(yán)密化.報(bào)警裝置皆采用靈敏度較高的傳感器，車輛靜止?fàn)顟B(tài)受到非正常干擾容易被傳感器捕獲；報(bào)警裝置的雙電源設(shè)計(jì)能感知電瓶的存在以及在電瓶被斷電情況下繼續(xù)報(bào)警；報(bào)警裝置受到不可抗力破壞時，服務(wù)器能根據(jù)“心跳設(shè)置”繼續(xù)報(bào)警；壓力傳感器保護(hù)電動車坐墊，解決靜止?fàn)顟B(tài)電動車坐墊被放重物或破壞的問題.

2）報(bào)警及時.報(bào)警裝置的CPU 速度達(dá)72 MHz，對傳感器數(shù)據(jù)處理速度快，MQTT 協(xié)議是長連接，且數(shù)據(jù)量小，與服務(wù)器一次交互時間大大縮減，正常情況下，報(bào)警信息從產(chǎn)生到用戶收到僅需200 ms 左右.

3）報(bào)警距離遠(yuǎn).只要物聯(lián)網(wǎng)覆蓋到的地方，報(bào)警信息就能送至用戶手機(jī)APP.

4）報(bào)警方式智能化.NB-IOT 感應(yīng)報(bào)警裝置能在電動車異常時發(fā)送報(bào)警信息；手機(jī)APP 會根據(jù)用戶設(shè)置對報(bào)警信息自動做出響應(yīng)；獲取電動車信息都是按鈕式操作，簡單方便；兼容傳統(tǒng)聲音報(bào)警方式，手機(jī)APP 可控制電動車異常時是否發(fā)出報(bào)警聲音，也可控制臨時報(bào)警.

本電動車智能報(bào)警系統(tǒng)靈敏度高，工作穩(wěn)定可靠，使用簡單方便，且成本低廉，設(shè)計(jì)小巧精致，將為電動車用戶提供極大的便利.