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

何忠英 石堅(jiān)

摘要：為了解決電動(dòng)兩輪車不能遠(yuǎn)程防盜控制的缺陷，本文以STM32控制器為核心，設(shè)計(jì)出了一款電動(dòng)兩輪車新型遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)鑰匙開鎖方式的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)APP密匙，提高了安全保障，實(shí)現(xiàn)了在非法開鎖的情況下自動(dòng)鎖車和報(bào)警的功能，有效地減少了被盜的可能性。通過(guò)手機(jī)APP，可隨時(shí)隨地查詢車輛位置信息和遠(yuǎn)程控制，改善了遠(yuǎn)程鎖車和車輛被盜找車難的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：STM32;電動(dòng)兩輪車;遠(yuǎn)程控制

在世界范圍內(nèi)，電動(dòng)兩輪車的使用越來(lái)越普及，給出行帶來(lái)很大方便，同時(shí)電動(dòng)兩輪車的功能越來(lái)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(wèn)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(wú)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(qǐng)求經(jīng)通信模塊發(fā)送給APP，用戶通過(guò)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(duì)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。

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)國(guó)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(guò)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(cè)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(guò)來(lái)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(guó)移動(dòng)或中國(guó)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(qǐng)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(guò)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。

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。

7??? 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)通過(guò)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guò)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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