一種STM32 智能車載防盜定位系統(tǒng)的設(shè)計

◎周迎勤 侯晨祥

（作者單位：漯河技師學(xué)院）

進入到二十一世紀(jì)以后，計算機的高速發(fā)展帶動著科技的發(fā)展。時至今日，科技也逐漸在影響著生活，改變著生活。智能產(chǎn)品逐漸進入到人們的家庭生活當(dāng)中去，文中給出了一種基于S3C2410 硬件架構(gòu)，結(jié)合GPS 與GSM 技術(shù)實現(xiàn)車輛防盜與遠程無線報警的設(shè)計方案，通過借鑒Linux 系統(tǒng)和MiniGUI 到S3C2410 的案例，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)GPS 與GSM模塊驅(qū)動程序以及，上層應(yīng)用程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。本次設(shè)計的基于STM32 的智能車載防盜定位系統(tǒng)，以STM32F103C8T6 為控制核心，配合內(nèi)置 GPS 模塊，GSM 通訊模塊，紅外人體檢測模塊，倒車測距模塊，OLED 顯示模塊，實現(xiàn)車輛定位，與車主發(fā)送定位信息，檢測人體，和倒車距離和定位信息的顯示功能。在監(jiān)控模式下，當(dāng)有人以非常手段強行打開車門時，紅外人體檢測到人時會通過GSM 通訊模塊把車輛位置信息發(fā)送到車主手機，實現(xiàn)對車輛的保護；當(dāng)車輛被盜走后，系統(tǒng)將間隔一段時間把車主汽車的實時位置以短信形式發(fā)送

一、系統(tǒng)總體方案

（一）智能車載防盜定位系統(tǒng)系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計為監(jiān)控模式，當(dāng)有人強行打開車門時，本系統(tǒng)通過GSM 模塊把定位信息發(fā)送到車主手機，實現(xiàn)對汽車的保護；當(dāng)汽車被盜走后，系統(tǒng)將車輛的位置以短信形式發(fā)送給車主，并且經(jīng)過一段時間更新一次定位坐標(biāo)，讓車主及時掌握汽車的位置。

本系統(tǒng)主要設(shè)計的是以紅外檢測人體，判斷是否強行啟動汽車。如果汽車被強行啟動，通過GPS/BD 鎖定汽車位置，再通過GSM 發(fā)送短信給車主。同時具備倒車測距的功能，方便停車。該系統(tǒng)由紅外人體檢測、GPS/BD 定位、倒車測距、OLED 顯示、GSM 組成和圖中部分對應(yīng)，具體系統(tǒng)框圖如下圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案圖

（二）單片機的選擇

STM32F103C8T6 作為本系統(tǒng)的控制平臺，這個系列的控制器是一個主頻高達72MHZ 的MCU，對于傳感器的數(shù)據(jù)處理運算能夠強，對比STC89C52 系列的8 位單片機，此系列是一個32 位的ARM 內(nèi)核的MCU，也是目前市面上比較流行的一種控制器。

（三）GSM 模塊的選擇

SIM900A 模塊。此模塊供電要求：5V 供電，電腦調(diào)試初期電腦USB 供電可以滿足要求。因為我們加了1000UF 的大電容。長時間傳輸數(shù)據(jù)用電量大推薦1A 以上的直流，TTL 電平串口自適應(yīng)兼容3.3V 和5V 單片機。可以直接連接單片機。待機在80MA 左右，可以設(shè)置休眠狀態(tài)在10MA 左右低功耗。

（四）OLED 顯示模塊的選擇

1.3 寸OLED 屏幕。OLED 又稱為有機電激光顯示、有機發(fā)光半導(dǎo)體。由鄧青云教授于九十年代末期在實驗室中發(fā)現(xiàn)。OLED 顯示技術(shù)具有自發(fā)光、廣視角、高對比度、較低耗電、極高反應(yīng)速度等優(yōu)點。作為高端顯示屏，價格上也會比液晶電視要貴。

（五）紅外人體檢測模塊的選擇

HC-SR501 人體紅外感應(yīng)模塊。全自動感應(yīng)：當(dāng)有人進入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平。輸出低電平。光敏控制（可選）：模塊預(yù)留有位置，可設(shè)置光敏控制，白天或光線強時不感應(yīng)。光敏控制為可選功能，出廠時未安裝光敏電阻。感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后（高電平變?yōu)榈碗娖剑?，可以緊跟著設(shè)置一個封鎖時間，在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號。此功能可以實現(xiàn)（感應(yīng)輸出時間和封鎖時間）兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。

（六）GPS 模塊的選擇

ATKS1216F8-BD 模塊。模塊采用SI216F8-BD 模組，體積小巧，性能優(yōu)異。模塊可通過串口調(diào)試助手進行各種參數(shù)設(shè)置，保存在內(nèi)部FLASH，方便使用。模塊自帶天線接口，可以連接各種天線，建議連接GPS/北斗雙模有源天線。模塊兼容3.3V/5V 電平，方便連接各種單片機系統(tǒng)。

（七）倒車測距模塊的選擇

SR04M 一體化超聲波測距模塊。本產(chǎn)品采工業(yè)級一體化超聲波探頭設(shè)計，全部采用原裝進口低功耗芯片保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一至性，防水型探頭，性能穩(wěn)定。采用工業(yè)方案設(shè)計，高達8 米遠距離測量范圍，盲區(qū)20cm，高穩(wěn)定靈敏性能。一體化封閉式防水帶線探頭，適用于潮濕，惡劣的各種測量場合，多種模式選擇適合不同的場合測試使用。超低功耗20uA 低功耗電流，更寬工作電壓3.0-5.5V，兼容更多環(huán)境使用，電池低功耗供電不二之選、多種模式以及功耗選擇，適合不同場合的測試，以及教學(xué)試驗。產(chǎn)品采用防水型超聲波探頭，防止因為水灰塵引起探頭故障

二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（一）STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)電路

STM32F103C8T6 是一種72M 主頻的M3 內(nèi)核控制器，內(nèi)部資源很豐富里面集成了包括時鐘、flash、TIM、ADC、SPI、IIC 等單元或通信接口。

1.電源電路部分：雖然控制器采用3.3V 供電方式供電，但是本系統(tǒng)采用的STM32F103C8T6 核心模塊自帶有1117 芯片降壓，由5V 降到3.3V。而我們的適配器是5V 的，這里需要將外部的電壓給到單片機的5V 電源引腳，電源部分最好加入一定0.1uf 的電容來起到去耦濾波的作用。

2.時鐘源電路部分：晶振的作用是為最小系統(tǒng)提供最基本的時鐘信號，電容的作用是保證晶振輸出的震蕩頻率更加穩(wěn)定。起振電容一般選擇20pF、30pF 即可。在選用晶振的時候最好使用8MHZ 的，系統(tǒng)內(nèi)部PLL 方便進行倍頻。

3.復(fù)位電路部分：STM32 有三種復(fù)位方式：系統(tǒng)復(fù)位、電源復(fù)位和后備域復(fù)位。我們這里采用電源復(fù)位的方式，當(dāng)RST 引腳被拉低產(chǎn)生外部復(fù)位時，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，從而使系統(tǒng)復(fù)位。

4.BOOT 啟動電路：STM32 有三種對應(yīng)的啟動模式，用戶可以通過設(shè)置BOOT0 BOOT1 來設(shè)置對應(yīng)的模式，我們一般使用JTAG 或者SWD 調(diào)試下載程序，會下載到閃存里，所以可以直接將BOOT0 引腳和BOOT1 引腳置為低電平。

5.調(diào)試接口電路：常用的調(diào)試下載方式有JTAG 和SWD，現(xiàn)在采用 SWD 調(diào)試接口，直接將 SWCLK、SWDIO、GND、3.3V引腳引出即可。

（二）GSM 模塊電路

GSM 模塊與單片機之間采用異步串行的方式進行通信僅需用到四線，除去電源線，只需用到兩根線，RXT 接收線、TXD 發(fā)送線與單片機進行通訊。

（三）OLED 模塊電路

OLED 的分辨率為128＊64，就是說一共128＊64 的點，沒一個點就是一個發(fā)光二極管，每一個漢字的正常顯示都需要16＊16個發(fā)光二極管，字母和符號只需要16＊8個發(fā)光二極管，因為OLED 是無字庫顯示屏，所以需要先生成用到的字符的字庫，并把字庫用IIC 通訊下載到單片機內(nèi)，通過單片機來控制OLED 顯示相應(yīng)的內(nèi)容。

顯示電路使用IIC 通訊時需要在SCL 與SDA 引腳上加4.7K 上拉電阻，否則無法進行通訊。芯片供電為3.3V，進行電容濾波后給到芯片內(nèi)部。

（四）紅外人體檢測模塊電路

紅外人體檢測電路主要是為了檢測是否有非車主人員要強行使用車輛。當(dāng)人進入車輛時，傳感器會檢測到人體，并輸出一個數(shù)字量信號，送給單片機，并通過兩個可變電阻可以調(diào)節(jié)檢測人體的范圍和延時關(guān)閉的時間長度。

（五）GPS 模塊電路

ATKS1216F8-BD 模塊是一款高性能的雙模定位模塊，支持多種波特率通信，使用方便。模塊電路包含PPS 引腳連接在S1216FB-BD 模組的1PPS 端口，具有兩種狀態(tài)，分別為常亮和閃爍。常亮代表模塊正常工作，指示燈閃爍時表示定位成功。圖中的IPX 接口，用來外接天線，我們可以把模塊放在室內(nèi)，天線放在室外，從而可以實現(xiàn)室內(nèi)定位。

（六）倒車測距模塊模塊電路

HC-SR04 超聲波測距模塊默認軟件與硬件尺寸完全兼容原版本HC-SR04。采用升級控制芯片，預(yù)留串口模式，支持9600 波特率UART 通信。驅(qū)動芯片內(nèi)置60V 耐壓LDO，使工作電壓更寬（3-40V）；解決老款盲區(qū)隨電壓有差異問題，全電壓可達2CM 超小盲區(qū)，4.5M 典型最遠測距，3mA 超低工作電流。采用升級解調(diào)芯片，使其外圍更加簡潔。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

（一）程序設(shè)計過程

1. 提前配置好模塊所要使用的底層程序如UART、GPIO、IIC 等；

2.OLED 模塊的軟件調(diào)試，正常刷新GPS，測距數(shù)據(jù)；

3.GPS 模塊的軟件調(diào)試，單片機正常采集到經(jīng)緯度、車速等數(shù)據(jù)；

4.GSM 模塊的軟件調(diào)試，單片機可以控制GSM 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；

5.倒車測距模塊的軟件調(diào)試，通過串口采集到模塊發(fā)送的距離數(shù)據(jù)；

6.紅外人體檢測模塊的軟件調(diào)試，通過人體檢測單片機接收數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確；

7.整機聯(lián)調(diào)，測試整體功能的實現(xiàn)及修改軟件中存在的問題。

（二）軟件設(shè)計流程圖

系統(tǒng)上電后首先進行程序初始化，初始化包括時鐘初始化和GPIO 初始化以及串口等一些驅(qū)動程序以及GSM、GPS等模塊的初始化，通過IIC 配置寄存器里面的ID 地址和數(shù)據(jù)以及INT 管腳的中斷初始化，利用OLED 顯示定位坐標(biāo)，車速，時間，倒車距離等數(shù)據(jù)。通過switch 語句來實現(xiàn)各個模塊的相互調(diào)用，以及雙模塊或多模塊功能的實現(xiàn)。

程序通過模塊化編程的思路將各個功能進行整合后，最終構(gòu)成了整個軟件生態(tài)系統(tǒng)。

四、測試方案與測試結(jié)果

（一）測試所用器材

測試儀器：5V/1A 直流電源適配器，萬用表，示波器。

測試軟件：串口調(diào)試助手，GPS 通訊軟件，keil5，Altium Designer。

（二）系統(tǒng)整體測試

系統(tǒng)測試主要包括以下幾個方面：

1.整個系統(tǒng)的供電電壓是否穩(wěn)定，電源與地間是否存在短路；

2.單片機最小系統(tǒng)是否能夠正常工作，JTAG 是否可以正常的燒寫和擦除數(shù)據(jù)；

3.GPS 能否正常定位；

4.GSM 能否發(fā)送短信；

5.OLED 液晶顯示屏的調(diào)試數(shù)據(jù)是否正常顯示；

6.倒車測距模塊能否正常檢測距離；

7.紅外人體檢測模塊能否檢測到人體；

8.檢測到人體時能否成功發(fā)送短信。

（三）測試數(shù)據(jù)與結(jié)論

1.測試數(shù)據(jù)。

首先通過對GPS 定位模塊進行測試，對比測試在開啟定位時OLED 顯示的經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)，如表1。

表1 GPS 定位/OLED 顯示狀態(tài)統(tǒng)計表

倒車測距模塊檢測各個手勢時的正確率分析記錄，如表2。

表2 使用各距離判定的顯示一致成功率統(tǒng)計表

紅外人體檢測與GSM 短信一致成功率測試，如表3。

表3 紅外人體檢測與GSM 短信一致成功率測試對比分析表

2.測試結(jié)論。

依據(jù)上述的測量數(shù)據(jù)，可以總結(jié)如下：

（1）系統(tǒng)可以實現(xiàn)用定位坐標(biāo)顯示，和倒車測距顯示。

（2）檢測到人體顯示發(fā)送短信界面。

（3）顯示發(fā)送界面后接收到發(fā)送的定位信息。

（4）系統(tǒng)整體功能調(diào)試，已經(jīng)滿足開題報告要求，可以實現(xiàn)車輛定位與倒車測距行顯示，檢測到人體后發(fā)送車輛定位信息。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)是采用STM32 單片機作為主控制器，系統(tǒng)主要由電源電路部分，傳感器數(shù)據(jù)采集，顯示部分，主控制器數(shù)據(jù)處理部分，短信發(fā)送部分，倒車測距部分，紅外人體檢測部分組成。其中GPS 定位和GSM 是整個系統(tǒng)的核心，可以用來確定車輛位置，發(fā)送坐標(biāo)到車主手機上。從整個系統(tǒng)的方案制定仍有優(yōu)化的空間，后續(xù)會進一步改進。