基于手機APP 的貨車油箱防盜系統(tǒng)設(shè)計

張益原，楊少星，郭龍輝，孫慧心，付留原

（黃河科技學(xué)院，河南鄭州，450063）

0 引言

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，貨車在運輸業(yè)起著至關(guān)重要的作用，由于貨車運輸過程中油箱外置，導(dǎo)致一些不法分子在貨車車主?？啃菹r，惡意破壞油箱盜取汽油。尤其是長途貨車被盜的情況更為嚴(yán)重，大量貨車司機晚上為了防止汽油被盜，睡在油箱旁邊成為普遍現(xiàn)象。在這個網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)達(dá)的時代，我們結(jié)合需求設(shè)計了一款具有低成本、可靠性高的智能油箱防盜系統(tǒng)，為貨車車主解決此問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要由STM32 主控系統(tǒng)、加速度檢測電路、震動檢測電路、報警電路、WiFi 電路等組成，原理框圖如圖1 所示。其工作原理是通過加速度傳感器檢測貨車是否停止，當(dāng)檢測到貨車停車后立即通電，再經(jīng)震動傳感器檢測油箱外殼是否有持續(xù)震動或劇烈震動，當(dāng)檢測到油箱遭有持續(xù)震動或劇烈震動時，蜂鳴器和手機APP 同時報警，告知車主?？赏ㄟ^手機APP 實時查看監(jiān)控畫面，也可通過云端查看回放，為警方提供證據(jù)。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 STM32 主控系統(tǒng)

圖2 為STM32F103C8T6 單片機的最小系統(tǒng)。與51 系列單片機相比，STM32F103C8T6 中單獨設(shè)計的結(jié)構(gòu)內(nèi)核和強大的外圍設(shè)備使其具備了低損耗、低功率、效率高的特點，其結(jié)構(gòu)：基本輸入輸出口、定時器、串行通信口、外部中斷口、備份數(shù)據(jù)、看門狗（獨立窗口）、傳輸數(shù)據(jù)、單芯片內(nèi)閃存編程、將讀取數(shù)據(jù)寫入外部SRAM、外部單芯片控制等[1]，結(jié)構(gòu)簡單、使用工具方便、功能強大。其核心：ARM32 位Cortex-M3CPU，最大運算頻段為72MHz 或1.25DMIPS/MHz，并具有片內(nèi)集成的32-512KB 閃存和6-64KB SRAM內(nèi)存，擁有超強的儲存功能，在休眠、停機和待機模式下，通過VBAT 為RTC 和備份的輔助寄存器提供電源[2]。在STM32MPU 中的主要供電方式包括：VDD 引腳為主要的電源引腳，可為所有芯片的數(shù)字電路進(jìn)行供電，供應(yīng)電壓為2.0～3.6V。自動化變頻器、復(fù)位系統(tǒng)、RC 振蕩器和鎖相環(huán)等的模擬單元，則由VSSA 和VDDA 供應(yīng)2.0～3.6V 電壓，要注意VDDA 和VSS 在選擇ADC 時需要依次連接到VDD和VSS，且VDD 不得低于2.4V。當(dāng)VDD 關(guān)閉時，就需要將電源（通過內(nèi)部電源開關(guān)）通向RTC、外部的32MHz 振蕩器電路和備份輔助寄存器。綜上所述，STM32 具有運行速度快、功耗低等特性，因此選擇STM32 系列單片機作為主控處理器，控制核心電路。

圖2 STM32 單片機最小系統(tǒng)

2.2 加速度檢測電路

圖3 為加速度檢測電路，在整個系統(tǒng)中，加速度電路是系統(tǒng)運行關(guān)鍵的第一步，只有測的貨車整體加速度為零時，系統(tǒng)的第一道開關(guān)才被打開，致使震動電路通電，ADXL345開始工作。本設(shè)計采用ADXL345 加速度電路，該電路為多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)，置于晶圓頂部，目的是在加速度時提供阻力。由于加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)和差分電容不均勻化，且傳感器輸出的振幅和加速度成正比，因此利用相敏解調(diào)確定加速度的振幅和極性，得到貨車的加速度[3]。它不但能夠檢測靜態(tài)加速度，還能夠檢測汽車運動和撞擊所產(chǎn)生的動態(tài)加速度，動靜結(jié)合，使得ADXL345 加速度模組可更為精確的檢測貨車行與停時的加速度。

圖3 加速度檢測電路

2.3 震動檢測電路

圖4 為震動檢測電路，本設(shè)計中選用的SW-18015P 震動感應(yīng)器，是油箱防盜系統(tǒng)中最關(guān)鍵的模塊，SW-18015P是密封彈簧式、無方向性的振動傳感器接觸開關(guān)，無論在任意方位、任一角度，都可以觸動此開關(guān)。無論犯罪分子在任何方位、任何形式去盜取汽油，只要震動就會觸發(fā)開關(guān)，發(fā)出警報。利用程序編程對開關(guān)設(shè)定，當(dāng)開關(guān)在靜態(tài)、無觸碰的狀況時，SW-18015P 即為開路或OFF 狀態(tài)，當(dāng)受外力作用觸碰超過設(shè)定的電流閾值時，導(dǎo)電引腳便會瞬間導(dǎo)通，使SW-18015P 開關(guān)呈瞬間ON 狀態(tài)。該模組電源引腳的連接方式如下：VCC 為外接3.3V 或5V 供電（可以直接與單片機的3.3V 或者5V 相連），GND 外接電源負(fù)極，DO 為小板的數(shù)字量輸出端口(0 或1)。通過SW-18015P 震動傳感器精確安全地檢測油箱的震動情況，以此作為判斷油箱安全重要的依據(jù)。如若油箱受到震動的頻率超過閾值，報警裝置將立即啟動，同時會通過無線模組將油箱情況發(fā)送至手機APP，發(fā)出警報提示車主。

圖4 震動檢測電路

2.4 蜂鳴器報警電路

圖5 中為鳴聲器報警電路，該電路由一個2k 電阻、一個NPN三極管和一只鳴聲器所構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，為此系統(tǒng)提供警示的功能。該模塊通過晶體三極管來控制電壓的通斷，實現(xiàn)開關(guān)的作用。將三極管的基極與1k 電阻相連接，從而限制基極的電流；將晶體三極管的集電極連接到蜂鳴器的一端，再將蜂鳴器的另一端連接到VCC，使三極管的發(fā)射極直接接地[4]。當(dāng)I/O 端口為低電量時,電流從晶體三極管集電極到發(fā)射極上流過，此時晶體三極管保持著工作狀態(tài)，電路為通路，蜂鳴器能夠正常工作，并產(chǎn)生警報。當(dāng)I/O 端口為高電量，由于電壓不能通過晶體的集電極流入發(fā)射極，因此晶體三極管不能保持工作狀態(tài)，電路處在斷開狀態(tài)，蜂鳴器不能正常工作，也無法發(fā)出報警。

圖5 蜂鳴器報警電路

2.5 WiFi 電路

圖6 為WiFi 電路，作為硬件電路與手機APP 建立聯(lián)系的主要樞紐，本設(shè)計中采用了ESP8266-01S 串口WiFi 模塊，該電路是一個低功率的UART-WiFi 透傳模組，能夠直接將使用者的物理設(shè)備連接在WiFi 和無線網(wǎng)絡(luò)上，以便完成與網(wǎng)絡(luò)及局域網(wǎng)之間的通訊，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能[5]，其中最重要的一步就是TCP/IP 傳輸層協(xié)議的接入，使通訊各方都要實施TCP/IP 協(xié)定，實施后，僅需要其中任何一方的目標(biāo)IP位置和端口號就可以相互連接，而連接一經(jīng)成立即可實現(xiàn)雙方同時收發(fā)信號進(jìn)行通信。

圖6 WiFi 模塊

2.6 攝像模塊

圖7 為攝像模塊部分電路圖，攝像模塊在系統(tǒng)中起著記錄油箱安全情況的作用，攝像模塊硬件由鏡頭、圖像傳感器、數(shù)字信號處理芯片、圖像解析度/分辨率、SENSOR[6]，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換，生成攝像畫面，并通過WiFi 將實時畫面?zhèn)鬏斨潦謾C。結(jié)合本項目，當(dāng)油箱受到安全威脅發(fā)出警報時，可以通過手機APP 實時查看油箱的安全情況。

圖7 攝像模塊

2.7 手機APP

首先用APP 建立一個TCP 服務(wù)器，在協(xié)議類型處選擇TCP Server 協(xié)議，本機IP 地址一般會默認(rèn)自動填入本機IP，也可以自己修改IP，并將端口號設(shè)置成小于65536 的一個沒有使用的端口號，再通過ESP8266-01S 建立關(guān)傳輸系，打開手機WiFi，點擊連接。通過程序的編譯指定特定數(shù)字表示命令語句，然后在APP 的輸入框中輸入特定的數(shù)字，點擊發(fā)送，硬件便可收到來自APP 的指令信息并執(zhí)行，同時手機APP 接收并顯示反饋信息。

硬件所測數(shù)據(jù)通過ESP8266-01S 將數(shù)據(jù)傳輸至手機APP，如圖8 所示。首先要對無線傳輸模塊中AP 模式下的服務(wù)進(jìn)行配置，然后手機作為TCP 客戶端與無線傳輸模塊進(jìn)行連接，當(dāng)震動傳感器工作時，電路整體處于工作狀態(tài)，通過單片機設(shè)定的程序控制無線傳輸模組將警報數(shù)據(jù)至手機APP，提醒貨車車主，查看油箱的安全狀況。

圖8 手機APP

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計通過ADXL345 傳感器檢測模組檢測車輛是否停止，再通過SW-18015P 震動傳感器檢測油箱是否震動，如果車輛停止時且油箱震動，在設(shè)定時間內(nèi)沒有手動取消報警功能，那么系統(tǒng)將會認(rèn)為油箱被盜，將會嚴(yán)格按照程序的要求執(zhí)行接下來的指令，蜂鳴器發(fā)生警報，同時通過ESP8266-01S 模組將被盜信息傳輸至車主手機，以此來實現(xiàn)報警功能。其中主程序流程圖如圖9 所示。

圖9 主程序 流程圖

圖10 為ADXL345 傳感器檢測模組軟件設(shè)計，初始化并配置加速度傳感器模組，由三軸加速度計采樣，讀取加速度數(shù)據(jù)并處理，判斷加速度是否為零，若加速度不為零，繼續(xù)循環(huán)，若加速度為零，數(shù)據(jù)輸出。

圖10 加速度傳感器流程圖

圖11 為SW-18015P 震動傳感器檢測模組軟件設(shè)計，初始化并配置震動傳感器模組，由SW-18015P 開關(guān)采樣，讀取采樣數(shù)據(jù)，判斷是否超過設(shè)定閾值，若不超過閾值，繼續(xù)循環(huán)，若超過閾值，數(shù)據(jù)輸出。

圖11 震動傳感器流程圖

4 系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)測試最關(guān)鍵的步驟是對軟硬件結(jié)合的整體測試，經(jīng)過測試，查漏補缺，以便修改或改進(jìn)方案，在測試的過程中一定要保持軟硬件正常工作，逐一測試硬件各個接口的電位，均無問題之后，開始調(diào)試程序和APP 是否成功連接。確保整個控制系統(tǒng)的總體功能良好后，再對整個系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)試[7]。對系統(tǒng)整體能力進(jìn)行測試時，主要對以下四個方面進(jìn)行檢測：當(dāng)油箱受到持續(xù)震動和劇烈震動時，蜂鳴器是否會發(fā)出警報；手機APP 是否會接收到被盜信息；手機APP 是否可以實時查看油箱畫面；手機APP 能否控制整個系統(tǒng)如表1 所示。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

針對貨車運輸過程中油箱外置，導(dǎo)致一些不法分子在貨車車主?？啃菹r，惡意破壞油箱盜取汽油問題，將該系統(tǒng)設(shè)計在油箱蓋內(nèi)，以實現(xiàn)保護(hù)油箱安全的設(shè)計目的。油箱外殼有持續(xù)震動和強烈震動時，報警裝置和手機同時報警，通知車主，同時攝像頭記錄偷油者的犯罪過程。本系統(tǒng)解決了貨車停止時，系統(tǒng)自動啟動問題、攝像頭畫面的儲存問題、油箱發(fā)生震動自動報警問題、手機APP 如何接收報警信息和實時查看監(jiān)控畫面問題。本系統(tǒng)造價低且系統(tǒng)穩(wěn)定，預(yù)計能在油箱行業(yè)中得到廣泛地運用。