基于STM32單片機(jī)的車輛門鎖智能控制系統(tǒng)

吳俊杰　林舜杰　柯向輝　鄒恩　何忠禮

摘 要：本次設(shè)計(jì)的車輛鎖智能控制系統(tǒng)，主要針對(duì)市面上傳統(tǒng)車鎖無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離的操控、安全性低，以及車鑰匙攜帶不便的問題，提出了使用GSM網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)汽車的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制。該車輛智能控制系統(tǒng)，主要通過兩種方式進(jìn)行開鎖，一種是通過手機(jī)的APP進(jìn)行開鎖，使用者可以使用手機(jī)APP在有2G或2G以上網(wǎng)絡(luò)的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程的開關(guān)車鎖；一種通過指紋的方式進(jìn)行開鎖，在手機(jī)APP端上，選擇指紋的錄入和刪除，錄入指紋以后即可使用指紋進(jìn)行開鎖。在監(jiān)控報(bào)警方面，使用震動(dòng)傳感器防止盜竊者用非法手段進(jìn)行開車鎖，本控制系統(tǒng)AndroidAPP界面簡(jiǎn)潔，使用人員容易上手，方便操作，實(shí)現(xiàn)了多種識(shí)別方式的智能開鎖。

關(guān)鍵詞：APP GSM 指紋識(shí)別 監(jiān)控報(bào)警

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車逐漸成為家庭中重要的代步工具，人們?cè)谶x擇車輛的時(shí)候，不同的安全設(shè)計(jì)，會(huì)影響著人們購車的選擇。車鎖作為我們汽車安全中重要的一環(huán)，不再僅僅使用機(jī)械鑰匙的方式來進(jìn)行開鎖，而是通過指紋和GSM的方式，共同實(shí)現(xiàn)車鎖的控制。

傳統(tǒng)的機(jī)械鎖其構(gòu)造簡(jiǎn)單、功能單一，安全性能低，而車輛鎖智能控制系統(tǒng)則是克服了機(jī)械鎖的安全性能差，以其多功能化、實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)化、智能化、簡(jiǎn)易化成為了目前的車輛鎖未來的方向[1]，指紋識(shí)別作為主流的生物識(shí)別方式，目前在汽車上的采用率并不夠高，僅僅只有幾家車廠采用車載指紋識(shí)別產(chǎn)品，而這幾家使用的方式也是截然不同，現(xiàn)代4代所使用的指紋識(shí)別可應(yīng)用于車鎖開門，同時(shí)車內(nèi)進(jìn)行識(shí)別啟動(dòng)車輛的功能，領(lǐng)克05和20年7月所發(fā)布的奔馳S，都是用于車內(nèi)的識(shí)別啟動(dòng)車輛的功能，以及凱迪拉克在車輛B柱位置的生物識(shí)別系統(tǒng)，這些都代表這未來車輛廠商在指紋識(shí)別上做出的不同方向選擇[2]。

本文所提出的車輛鎖，在傳統(tǒng)的機(jī)械車鎖的基礎(chǔ)上，提出了多方位開鎖以及高安全性的防盜機(jī)制，在能使用指紋進(jìn)行開啟車鎖的解鎖方式下，同時(shí)設(shè)計(jì)手機(jī)APP進(jìn)行解鎖[3]，使得使用者能夠擺脫車鑰匙，不僅能解決目前不能進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟車門的弊端，也能夠解決指紋識(shí)別本身在極端環(huán)境下的識(shí)別率低的問題，提升了小車能夠在更多的場(chǎng)景的適用性。

2 門鎖總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是通過GSM模塊和手機(jī)所設(shè)計(jì)的車鎖APP為控制核心，它的工作流程是：手機(jī)通過APP應(yīng)用發(fā)出指令，GSM遠(yuǎn)程控制模塊接收指令，然后處理指令的信息，將處理后的信息轉(zhuǎn)化為信號(hào)輸出到門禁電源控制器上，門禁電源控制器控制門禁電磁鎖電路的通斷，以達(dá)到開鎖和關(guān)鎖，同時(shí)為了保證在指令開鎖失敗的情況下還能夠打開車鎖，還增加了指紋開鎖的方式來保證使用者能夠正常的開鎖[4]，圖2為車鎖整體結(jié)構(gòu)。

指紋識(shí)別的過程則需要以下幾步：（1）指紋識(shí)別算法，程序中采用的是1：N的方式來進(jìn)行識(shí)別，將用戶采集到的指紋和模塊中的指紋庫存有的指紋信息進(jìn)行一一對(duì)比，找出匹配的指紋信息，在這個(gè)過程中，對(duì)于生物識(shí)別系統(tǒng)的通用處理過程是有：采集、對(duì)比和匹配。當(dāng)然，指紋識(shí)別的過程也是如此，它包含了指紋圖像處理、指紋圖像預(yù)處理、特征提取以及匹配的過程。（2）圖片預(yù)處理，圖片預(yù)處理有以下這幾個(gè)過程：①指紋分割（指紋圖像與指紋背景進(jìn)行分割）；②圖像增強(qiáng)（采用了局部求平均值以及中值濾波的方式增強(qiáng)圖像）③二值化（設(shè)定一個(gè)閥值，將圖片信息從多值的數(shù)字圖像中取出我們需要的圖像）；④細(xì)化處理（將我們圖像的線條由多像素寬度減少到單位寬度的像素）。（3）特征提取。將采集到的的圖像信息進(jìn)行特征的提取，主要是對(duì)偽特征進(jìn)行去除，進(jìn)行毛刺和短脊的過濾。（4）特征匹配，將獲取到的指紋特征與指紋庫中的指紋特征進(jìn)行匹配，先進(jìn)行粗匹配，在進(jìn)行紋線端點(diǎn)和分叉點(diǎn)更為細(xì)致的匹配[5]，圖3為指紋處理指紋信息過程中的流程。

3 硬件設(shè)計(jì)

選用的STM32F103C8T6單片機(jī)是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM系列的32位的微控制器，性能穩(wěn)定，能夠支撐智能車鎖的工作，同時(shí)，選用的AS608模塊，具有體積小、功耗低、接口簡(jiǎn)單、可靠性和識(shí)別速度開的特點(diǎn)，指紋錄入時(shí)間和識(shí)別速度均在在1S以內(nèi)，可錄入300個(gè)指紋，在人們?nèi)粘Ｊ褂弥讣y進(jìn)行開鎖的過程中不會(huì)體會(huì)到卡頓，高流暢度的進(jìn)行解鎖，GSM模塊采用的是SIM900A，該模塊使用手機(jī)卡與手機(jī)進(jìn)行短信的通訊，然后通過UART的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑻幚砥髦羞M(jìn)行處理，同時(shí)，智能車鎖有著電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、震動(dòng)傳感器模塊、語音模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊，使得智能車鎖有著更好的表現(xiàn)[6]。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)工作流程

單片機(jī)STM32作為整個(gè)車鎖的核心控制部分，完成模塊的初始化、各模塊之間的工作模式、以及數(shù)據(jù)的傳輸，完成模塊之間的通訊與控制[7]。

本次軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化設(shè)計(jì)的思路，將使用到的GSM模塊、指紋模塊、震動(dòng)傳感器模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊、語音模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，以達(dá)到智能車鎖的功能。

門鎖的工作流程如下：首先單片機(jī)進(jìn)行上電，各個(gè)模塊開始初始化，然后開始輪詢各模塊的標(biāo)志位是否置起，指紋模塊由于是光電傳感進(jìn)行判斷，所以當(dāng)指紋按下時(shí)，PS_Sta判斷引腳就會(huì)拉高，此時(shí)就會(huì)進(jìn)入判斷指紋是否和指紋庫內(nèi)的指紋一致，如果一致就會(huì)進(jìn)行開鎖，而如果不一致，會(huì)進(jìn)行提醒再次輸入指紋，如果出現(xiàn)多次指紋不正確，語言模塊就會(huì)進(jìn)行報(bào)警功能。錄入指紋的操作需要從手機(jī)APP端控制，由手機(jī)APP端確認(rèn)要錄入指紋以后，語言模塊會(huì)進(jìn)行播報(bào)需要輸入指紋，需要進(jìn)行兩次指紋的錄入，以保證指紋的正確，錄入完成后就會(huì)進(jìn)行播報(bào)指紋錄入成功，手機(jī)APP端也可以進(jìn)行刪除指紋的操作，發(fā)送指令后進(jìn)行刪除指定的指紋，手機(jī)APP端可以進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)鎖以及指紋的錄入和刪除，在手機(jī)APP端進(jìn)行開鎖按鈕，車鎖就會(huì)進(jìn)行開鎖，同時(shí)語言播報(bào)，為了安全性，在手機(jī)APP上，還設(shè)定了手機(jī)號(hào)以及密碼，登陸的時(shí)候需要輸入手機(jī)號(hào)和密碼才能進(jìn)行APP端控制的操作，震動(dòng)傳感器主要是在外力強(qiáng)制性開鎖的時(shí)候，語言模塊會(huì)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)也會(huì)上傳APP進(jìn)行報(bào)警的功能[8]。

4.2 GSM通訊之間的數(shù)據(jù)協(xié)議

在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，手機(jī)APP和GSM模塊之間的數(shù)據(jù)協(xié)議都是采用的自定義的數(shù)據(jù)協(xié)議[9]，同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程避免出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失的情況，在幀尾的位置加上了求和幀，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通信協(xié)議幀如表1所示[10]。自定義的數(shù)據(jù)幀包括3個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)0XA5，表示該短信是控制短信，第二個(gè)字節(jié)主要是控制字節(jié)，最后一個(gè)字節(jié)是為求和字節(jié)，對(duì)之前發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，取尾2位16進(jìn)制數(shù)據(jù)，如：求和為0xA75，則檢驗(yàn)字節(jié)為0X75[11]。

5 成果展示

5.1 APP界面展示

APP的主要目的是為了使用者能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制車鎖，提升使用者的體驗(yàn)感，可以實(shí)現(xiàn)安全而又便捷的遠(yuǎn)程控制，主界面是為登陸界面，需要輸入電話號(hào)碼以及密碼，以及主控制的界面進(jìn)行控制，如下圖6所示：

APP界面中幾個(gè)重要按鍵執(zhí)行后儀器動(dòng)作為：①錄入指紋：通過手機(jī)APP按鈕確認(rèn)需要進(jìn)行指紋錄入模式，然后語言播報(bào)錄入指紋，每次錄入指紋都會(huì)進(jìn)行一次蜂鳴器的提醒。②刪除指紋：通過手機(jī)APP按鈕確認(rèn)需要?jiǎng)h除指紋，然后語言播報(bào)刪除成功，并進(jìn)行原先錄入指紋庫的指紋驗(yàn)證，無法開鎖。③修改密碼：可以通過APP來進(jìn)行手機(jī)號(hào)碼的密碼修改，在登陸完手機(jī)APP以后在可操作的選擇當(dāng)中，可以選擇修改密碼來進(jìn)行密碼的修改。④開關(guān)門：通過APP即可以控制車鎖的開關(guān)門，不需要像藍(lán)牙開關(guān)門一樣，需要近距離才能夠進(jìn)行開鎖，可以在遠(yuǎn)程進(jìn)行開鎖，只需要能夠接收到短信即可進(jìn)行開鎖以及關(guān)鎖。

5.2 實(shí)物整體

由于本次并未進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，采用的都是模塊化進(jìn)行測(cè)試功能，鎖的方面也是使用電控鎖來進(jìn)行模擬測(cè)試車鎖，整體實(shí)物圖如下圖7所示，一個(gè)震動(dòng)傳感器，在車鎖關(guān)閉期間，監(jiān)控防盜傳感器參數(shù)，如發(fā)生異常開門，則通過主動(dòng)報(bào)警器報(bào)警，一個(gè)語言模塊進(jìn)行播報(bào)相關(guān)信息的語音，GSM模塊進(jìn)行收發(fā)手機(jī)的短信進(jìn)行開關(guān)鎖，指紋模塊進(jìn)行指紋的開鎖功能。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32的車輛智能鎖控制系統(tǒng)，通過此方案，可以實(shí)現(xiàn)安全而又便捷的車鎖，保證了車輛的安全性，又可以簡(jiǎn)化了平時(shí)的操作復(fù)雜度，遠(yuǎn)程開鎖的解決了部分的使用場(chǎng)景，同時(shí)，設(shè)備在試驗(yàn)的環(huán)境下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的功能，可使用安卓手機(jī)控制單片機(jī)進(jìn)行開鎖，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。

基金項(xiàng)目：廣東大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練計(jì)劃，“基于stm32單片機(jī)的車輛鎖智能控制系統(tǒng)”（項(xiàng)目編號(hào)：S202013902029）；廣東省普通高校自然科學(xué)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021KTSCX169及2020KTSCX201）。2021年廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目“卓越智能制造人才培養(yǎng)計(jì)劃”（項(xiàng)目編號(hào)：2021ZXRC001）；廣東省高等教育學(xué)會(huì)“十四五”規(guī)劃2022年度高等教育研究課題“‘四新背景下逸仙新華班‘新工科課程群探索與研究”（項(xiàng)目編號(hào)：22GYB63）;廣州新華學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021YQSX004）。

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