基于STM32的新型電動(dòng)兩輪車(chē)遠程控制系統設計*

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51507097)。

在世界范圍內，電動(dòng)兩輪車(chē)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(chē)的功能越來(lái)越多，功率可以人為定制，進(jìn)而出現了很多價(jià)格昂貴的改裝車(chē)。因此車(chē)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。目前市面上電動(dòng)兩輪車(chē)設計的防盜方法主要是采用車(chē)鑰匙和機械鎖，不能及時(shí)獲取電動(dòng)兩輪車(chē)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牙和Wi-Fi（wireless fidelity，無(wú)線(xiàn)保真），通信距離短，受控制范圍小^1-3。有學(xué)者采用RFID（射頻識別）技術(shù)設計了電動(dòng)車(chē)防盜監控平臺，能夠在車(chē)輛被盜時(shí)及時(shí)幫助失主找回車(chē)輛。但RFID 通信距離太短，不能遠距離實(shí)時(shí)控制^[4]。

本文基于目前電動(dòng)兩輪車(chē)防盜和通信的缺陷，設計了一種新的遠程防盜控制系統。

1   系統設計方案

本設計采用STM32F103ZET6 為主控芯片，北斗S1216F8-BD 定位芯片構成北斗定位模塊， 通信芯片SIM800C 構成GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動(dòng)通信系統）通信模塊。如圖1 所示。電源模塊給整個(gè)系統供電。STM32 的工作電壓是1.8 V ～ 3.3 V 范圍，本設計中使用直流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APP（應用程序）界面如圖2 所示，獲取STM32上傳的信息，如位置、報警等。用戶(hù)發(fā)出控制命令，實(shí)現相應的控制功能。

通信模塊負責信息的傳輸。位置信息和控制請求經(jīng)通信模塊發(fā)送給APP，用戶(hù)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(hù)能隨時(shí)隨地掌握車(chē)輛狀態(tài)和對車(chē)輛實(shí)時(shí)控制。

控制器采用STM32F103ZET6 微控制器，是整個(gè)系統的控制核心，完成數據處理和控制功能。

Copyright:廣州大學(xué)何忠英

圖2 APP控制界面

2   硬件電路原理圖設計

為節省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，系統采用模塊化設計。系統提供相應的電源、時(shí)鐘和復位電路，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；因為CPU（中央處理器）引腳輸出最高電壓為DC 5V，不能直接驅動(dòng)電機^[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VDD 引腳（圖中未畫(huà)出）；輸出DC 48 V 經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)S1 和繼電器K1 供給電機控制模塊。電機控制模塊輸出控制電壓驅動(dòng)電動(dòng)兩輪車(chē)電機M1 運轉或停止。

S2 是電動(dòng)車(chē)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)S2 閉合時(shí)，引腳PB13接3.3 V 電源，引腳PB14 接地，進(jìn)入運行模式；開(kāi)關(guān)S2 關(guān)閉時(shí)，引腳PB13 接地，引腳PB14 接3.3 V 電源，進(jìn)入監控模式。

北斗定位模塊采用S1216F8_BD 定位芯片，定位信號經(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

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 腳輸出穩定的3.3 V 電壓。

U_BD2 是北斗定位芯片S1216F8_BD，由天線(xiàn)T接收采集衛星信號，從第11 腳RF_IN 輸入到芯片，經(jīng)芯片處理完后，把數據經(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，傳輸數據。

S1216F8-BD 北斗芯片默認采用NMEA-0183（美國國家海洋電子協(xié)會(huì )）協(xié)議輸出北斗定位數據，控制協(xié)議為Sky Traq 協(xié)議。軟件設計流程圖如圖5 所示。

北斗定位函數初始化硬件之后，通過(guò)調用北斗的S1216F8BD_Cfg_Rate 函數判斷模塊是否在位，如果不在位，則嘗試去設置模塊的波特率為38400，直到檢測到模塊在位為止。然后進(jìn)入死循環(huán)，等待串口接收北斗數據。每次接收到北斗模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，就執行數據解析。最后得到電動(dòng)兩輪車(chē)所在位置的經(jīng)度、緯度和行駛速度。

4   行駛功能實(shí)現

4.1 預先設置

插入未停機的中國移動(dòng)或中國聯(lián)通的SIM 卡，以便通信使用，并在A(yíng)PP 中設置接收信息的號碼。在A(yíng)PP 中設置電動(dòng)車(chē)開(kāi)機密碼和電動(dòng)車(chē)車(chē)主身份信息到STM32 內核，以便識別車(chē)輛身份。設置50 m 電子圍欄，用于非法移動(dòng)報警。

4.2 正常開(kāi)機使用

使用流程如圖6 所示，電動(dòng)車(chē)主正常使用鑰匙開(kāi)車(chē)鎖S2，PB13 = 1 和PB14 = 0，進(jìn)入運行模式。CPU 上電，系統進(jìn)行初始化，發(fā)送開(kāi)機申請到APP。車(chē)主在A(yíng)PP上輸入行駛密碼。當按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S1，用戶(hù)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(xiàn)圈得電，觸點(diǎn)吸合，電機控制模塊通電，控制電機正常運行，準予騎行。

當開(kāi)機密碼錯誤且錯誤次數超過(guò)3 次，判斷為非法開(kāi)機，此時(shí)，PB15 = 0，光電耦合器U100 斷開(kāi)，繼電器K1 觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷電機供電，鎖死電機，并且電動(dòng)車(chē)發(fā)出警報，上傳位置信息給車(chē)主，實(shí)現防止車(chē)輛非法騎行或被盜。當車(chē)主確認輸入密碼的是本人，可以解除警報，進(jìn)入監控模式；否則一直報警，并且每隔1 分鐘上傳一次位置信息給車(chē)主。

當合法騎行完畢，鎖車(chē)后，PB13 = 0，PB14 = 1，進(jìn)入監控模式。

5   監控和報警

監控模式如圖7 所示，會(huì )一直在系統后臺定位，每隔1 分鐘，采樣一次經(jīng)緯度。依據前后2 次經(jīng)緯度計算出車(chē)輛的位置移動(dòng)距離L。若未超出電子圍欄( 如50 m)，則繼續監控，否則報警并設PB15 = 0 鎖電機，且每隔1 分鐘發(fā)送位置信息給車(chē)主，以便車(chē)主追回車(chē)輛，如圖8 所示。當車(chē)主把警報解除后，繼續監控，否則一直報警和定位。

6   車(chē)輛追蹤設計

用戶(hù)可在A(yíng)PP 上隨時(shí)查看位置信息，以便更人性化的監控車(chē)輛所在位置，放心使用該服務(wù)，如圖9 所示。

圖8 顯示被盜位置

圖9 位置查詢(xún)

車(chē)主在A(yíng)PP 上設置車(chē)主身份信息。當車(chē)輛被盜時(shí)，能在A(yíng)PP 上查詢(xún)出車(chē)主信息，如圖10 所示。便于執法人員準確地識別真正的車(chē)主，有助于解決糾紛。

圖10 顯示車(chē)主信息

7   結語(yǔ)

系統通過(guò)GSM 模塊接入全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，通信信號遍布全球每個(gè)角落，使得手機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)現了對電動(dòng)兩輪車(chē)的遠程控制。

本文從設計電動(dòng)兩輪車(chē)新型控制系統的原理方框圖出發(fā)，設計了系統的各個(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），介紹了系統的工作原理。經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，此遠程控制系統可行，具有實(shí)用和商業(yè)推廣價(jià)值。因篇幅有限，APP 設計的其他功能，本文未闡述。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）