【《基于物联网的电动车防盗系统设计》7200字】

基于物联网的电动车防盗系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u14319摘要： 294221引言 2109381.1选题背景 2240131.2选题意义 3140121.3国内外研究现状 3213541.3.1基于PGIS的智能电动车的防盗系统 3197401.3.2基于ZigBee和RFID技术的防盗系统 4241281.3.3基于RFID和GSM短消息技术的电动自行车防盗系统 4101982方案的选择与论证 4115212.1单片机的选择 4115012.2供电电源的选择 580152.3显示模块的选择 5205783系统总体硬件设计 6185453.1系统总体框架 647663.2主控模块 6246983.2按键控制模块 7264803.3角度倾斜模块 7245413.4GPS定位模块 7291453.4LCD1602显示电路 883323.5GSM短信模块 990064软件设计 10309864.1系统流程 10924.2应用软件的介绍 10105274.2.1KEIL软件 1198194.2.2烧录软件 11279135系统的调试与分析 12120405.1系统制作 12295385.2硬件调试 13250875.3代码调试 1448875.4整体系统调试 15146456结论 16189706.1结论 16162186.2展望 17摘要：如今，电动车盗窃案件还是层出不穷，而普通的防盗系统并不能够满足现在的防盗需求。但随着物联网的提出和广泛发展，物联网在防盗系统中的优势日益显著，为了让防盗系统更加全面，本文根据物联网在防盗系统中的优势，提出一种基于STM32单片机的电动车防盗系统的设计方案。STM32单片机是中枢控制部分，控制其他的运行部分。按键模块模拟钥匙的作用，倾角传感器模拟电动车的运动状态，在非正常开启时，发生移动，GSM模块会向指定手机发送警报，通过人为判断，当确认被盗窃时，会把GPS信号模块提供的经纬度再次发送给手机，LCD1602液晶显示屏显示GPS信号中的位置信息。本系统的设计与实现与其他的防盗系统相比，误报率低、成本低，而且使用方式简单。关键词：GPS；单片机；LCD液晶显示屏；GSM；1引言1.1选题背景目前，电动车有着经济环保，高效方便，价格便宜，安全易学等优势，所以成为了大多数人优先选择的代步工具。随着电动车数量的增多，电动车的防盗系统也显得尤为重要。传统的人力防盗，不但具有局限性而且实行起来复杂；且随着科技的发展，偷盗方式也越来越高科技了，市面上普通的电动车防盗系统仅仅通过鸣笛起警示作用，并不具有识别性，只要不小心碰到，就会发出警报声。不但会经常使人产生误判，而且还会干扰到他人。所以利用物联网在防盗系统中的优势，可以通过定位器以及通讯技术让防盗系统使用起来更简单，更安全，误报率更低，达到更全面的防盗性能。1.2选题意义随着我国汽车市场中的电动车保有量的提升和增加,电动车失窃的问题也越来越严峻,每年的失窃案件数量居高不下。所以完善电动车防盗系统就成为用户最为关心的一个问题[1]。传统的电动车防盗方式分为机械式防盗和电子式防盗。早期主要是用机械式防盗锁。虽然它的价格低，使用方法简单，但是防盗功能并不理想，且防盗功能过于单一，所以现在已经没有多少人使用了。如今使用最广泛的防盗方式是电子式防盗，它的防盗能力被加强了许多，不再是单一的防盗，还增加了报警功能。当车在非开启状态时，被碰撞或者移动，都会发出报警声，这样就能在电动车被盗时，给车主一个预警。但是这个方法报警声过大，且误报的情况很多，令车主的警觉降低，同时该报警方式电路构成非常简单，很容易就会被破坏[2]。综上所述，目前的机械防盗和电子防盗都存在着或多或少问题，所以我们可以利用物联网在该领域的优势，设计出一种易于操作、低成本，安全性高的电动自行车防盗系统。1.3国内外研究现状在当今社会，电动车已经是比较日常的交通工具了。所以随着使用的人增多，与之增长的还有电动车的失窃数量，所以各种各样的防盗设备应运而生。国内的电动车防盗还处于初级发展阶段，太过落后的技术基本都被淘汰，像RFID技术，但剩下的防盗系统大都数用于汽车，用在电动车上，针对性不足且技术手段单一。国外电子信息技术的起步较早，发展快,目前已经到了相当成熟的阶段。所以这在很大程度上，让国外的研究人员在智能交通和安防领域，有较多的实践机会和实践平台。1.3.1基于PGIS的智能电动车的防盗系统该方法是利用PGIS来实现防盗功能。上海交通大学的蒋磊提出的防盗系统包括了防盗定位、运行轨迹监控等功能。该防盗系统，警员可以在公安内网，查询电动车车辆相关信息。用户也可以通过手机APP进行报警和查询。最后用运营管理平台提供海量数据管理[3]。但随着电动车的用户越来越多，数据库的响应时间会出现逐渐延长的问题以及该方法对人力物力的要求也比较高。1.3.2基于ZigBee和RFID技术的防盗系统此防盗系统是一种将两种技术综合起来的设计方案。防盗系统硬件设计包括三个部分，即无源电子标签、有源标签，安装在小区出入口的射频检测控制器[4]。在正常情况下，不会发出任何报警信息。但在电动车处于非正常开启状态时，被强行移动，那么在经过小区大门时，会被系统识别为被盗车辆，发出声光报警，并显示可疑车辆的信息。因为这个系统主要是针对小区电动车的防盗情况，有一定的局限性且射频识别设备有识别范围小、布网成本高，功耗大等问题，在现今社会并没有优势。1.3.3基于RFID和GSM短消息技术的电动自行车防盗系统温兴辉提出的本设计用射频电子标签和手机短信代替了以往的钥匙，用射频读写器和GSM模块代替电动车电源开关。两者都有较强的身份唯一性。当使用电子标签启动时，读写器读取的卡号和密码正确后，即可开启。使用手机短信时，开启条件是手机号和验证码都要正确[5]。这两种方式都有很强的安全性，但是在实际应用中操作过于繁琐，实用性不强。2方案的选择与论证本次的设计是在STM32单片机的基础上实现的，通过GPS的卫星定位性能，收集经纬度信息。在电动车发生丢失情况时，系统会通过GSM模块向车主手机发送预警信息以及经度、纬度，来达到防盗的效果。2.1单片机的选择方案一：控制中枢选择STM32单片机。开发环境用的是KEIL软件。STM32系列的单片机使用范围广、接口丰富、型号的可选性多、支持的操作系统全面。且在遇到问题时，可参考的资料多用，并且使用的烧写器操作方便。方案二：控制中枢选择使用PIC系列单片机，开发环境用的是MPLABIDE。此单片机功能非常强大，在各种复杂环境也运用的非常稳定。但与STM32单片机的参考资料和开发环境Keil相比，PIC的参考资料和开发环境的应用资料较为稀少。且开发时，其应用程序必须使用价格高昂的专业烧写器。综合考虑，因为学习过STM32的相关知识，对它更为熟悉和了解，会使设计更好上手，所以选择了方案一作为主控模块。2.2供电电源的选择使用USB数据线供电的方式，操作便捷、实用性强。因为本设计中用的GPS模块和GSM模块对信号的要求比较高，所以实现功能需要在信号好的地方,用USB的话，可以使用充电宝、电脑等可移动设备进行供电，减少了对实验地点的约束性。所以本系统的供电电源直接选取了用USB电源供电的方式。2.3显示模块的选择方案一：用数码管来显示GPS数据。数码管有价格便宜、使用简单、耐用等特点，所以它常被用于家电领域。但当数码管显示的位数过多时，需要使用动态显示来节省I/O口，但是动态显示的稳定度不如静态显示、处理过程占用CPU时间过长且需要通过快速扫描，才能让人看出肉眼想要的效果。在显示位数少时，可以选择数码管。方案二：用液晶显示屏来显示GPS数据。与数码管对比来说，LCD1602显示屏呈现的信息和信息量是更完整、更多的。且它具有显示分辨率高、耗能低、更新显示信息的速度快等特点。而且在平时的课程设计中，经常用LCD1602显示屏，所以对它的引脚功能更为熟悉。因为本设计只需显示经度和纬度，液晶显示模块刚好显示两行，从整体分析，LCD1602液晶显示屏所欲引脚少更合适本设计，所以最终选择了方案二。3系统总体硬件设计3.1系统总体框架本次基于物联网的电动车防盗系统是由STM32单片机当主控模块、按键模块模拟电动车开关状态、电源系统供电、角度倾斜模块模拟电动车移动状态、GPS模块负责经纬度信息、GSM短信模块负责短信的收发功能，防盗系统总体框架图如图3-1所示。GSM短信模块GSM短信模块按键模块STM32单片机按键模块STM32单片机电源系统LCD显示模块电源系统LCD显示模块角度倾斜模块角度倾斜模块GPS定位模块3-1防盗系统总体框架图3.2主控模块主控模块选择的是STM32F103C8T6单片机，他是小系统开发板。通过解读单片机的型号，可以知道STM32说明该模块是32bit的微控制器；F103C8说明该模块是增强型的，共有48个引脚，且存储器是64K；T说明它的封装方式是LQFP；6代表它工作时的温度范围。STM32自动复位、功耗低的优点，且它的GPIO口有８种模式其中包含上拉、下拉输入模式。STM32的AD转换模块，可以实现数据的精确采集。本设计使用ISP串口下载程序。所以本设计用STM32就可以实现我所想要的所有功能，STM32单片机的引脚如图3-2所示。。

图3-2STM32单片机引脚图3.2按键控制模块按键模块在此设计中模拟的是电动车的开关功能，当正常开启时，不会触发后续的事件；当处于未开启状态时，发生移动，会触发后续模块进行工作。按键开关一般情况下都是机械弹起的。因为按键是机械弹簧式，所以按下和抬起时会出现按键抖动现象。因此需要通过软件处理的方式，进行去抖处理。按键连接电路如图3-3。图3-3按键连接电路3.3角度倾斜模块该模块在本设计中模拟电动车的移动状态。当通电后，电源指示LED灯亮常亮。当开关信号指示LED灯没亮时，模拟的是电动车静止状态，当开关信号指示LED灯亮时，模拟的时电动车移动的状态。角度倾斜模块如图3-4。图3-４角度倾斜模块实图3.4GPS定位模块GPS模块在本设计中负责获取电动车的经纬度信息。GPS模块必须在信号较好环境下，开机后较长时间后才能获取到定位数据。在本设计中，单片机读取GPS获得的经纬度，然后将经纬度传给LCD显示屏显示、通过GSM模块发送给指定手机号上。GPS模块如下图所示：图3-5GPS模块3.4LCD1602显示电路本设计使用的LCD1602显示屏更新显示信息速度快，且刚好可以显示两行信息，其具体的尺寸如图3-6。图3-6LCD1602尺寸图LCD1602液晶显示屏共有16个引脚。第一脚是地电源（VSS）；第二脚连接正电源；第三脚的功能是调节清晰度，在该设计中连接了一个10K方让电位器；第四脚通过高低电平选择寄存器；第五脚也是通过高低电平进行读写操作；第六脚是使能端；第七到十四脚为8位双向数据线；十五脚为背光正极；十六脚位背光负极。图3-7LCD1602液晶显示电路3.5GSM短信模块GSM模块在本设计中的作用是，进行防盗预警以及向车主手机号发送电动车的经纬度。GSM模块使用的是SIM800C，其性能稳定，通电自动开机，且TTL模块兼容多种单片机串口，使用方便，不需要转换。通过USB-TTL与电脑连接，就能进行调试。调试完后通过VCC、GND、TXD、RXD四个引脚与单片机的引脚连接。图3-9SIM800C实物图4软件设计4.1系统流程首先给设备通电来启动程序，系统会先初始化。然后系统准备工作，显示屏显示出单片机从GPS模块中读取到的经纬度数据，接着判断电动车是否发生移动，角度倾斜模块开启时，就需要去判断电动车（按键模块）是否是开启状态，不是开启状态时，SIM800C模块向车主发送电动车被盗的提醒消息，待车主确认后被偷盗后，发送123456k的命令后，短信模块会再向车主发送经纬度信息，用来确认电动车的当前位置。如图4-1为程序流程图：图4-1程序流程图4.2应用软件的介绍软件设计的部分难度比较高，所以需要多思考，理清思路和设计逻辑，要更加的细心有耐心。4.2.1KEIL软件EIL软件库函数丰富、参考资料较全面、安装步骤简单，且支持大多数市面上常见的系统。在编译时，只需要选择设计中用到的单片机型号，开发环境就会读取单片机的寄存器信息。KEIL的开发环境可以直接完成编译、调试、仿真等功能。如图4-2为KEIL软件界面。图4-2KEIL软件界面4.2.2烧录软件STM32单片机通过USB-TTL与PC端相连，点击“搜索串口（X）”显示有串口时，说明连接成功。接着选择该程序的.hex文件，点击开始编程进行烧录。烧录时，STM32单片机下边的跳线帽BOOT0跳到1进入烧写模式、在开始编程时需要按下复位键，否则会烧录失败。图4-3烧录完成界面图4-4烧录STM32实图5系统的调试与分析5.1系统制作该防盗系统想要能够实现所需功能且能正常运行，需要通过软硬件设计之间的互相配合，所以在设计中需要不断的改进，让软硬件能够高度结合。在实物制作过程主要经历了以下几个步骤：（1）第一步先确定硬件设备，以及搭建好软件开发所需要的工作环境。（2）接着开始绘制整体的电路原理图，需要知道STM32单片机每个引脚功能，然后思考整个设计中每个模块的连接方式，检查引脚连接的合理性，先画出来大致的原理图，再通过不断的验证和修改后，找到最合适的连接方式来确保本设计的电路原理图是正确且完整的。（3）当原理图完成之后，需要先对每个硬件进行调试，确保硬件没有问题，然后就可以开始连接硬件电路进行焊接。焊接时，需要将所用到的硬件设备在洞洞板的位置确定好，角度倾斜模块应为要用到倾斜的功能，所以通过杜邦线来连接电路。布局完成后，就用焊接的方式进行固定每个模块，最后按照原理图的连接方式连接各个引脚。焊接时，要认真、细心、有耐心，防止出现短路、虚焊、漏焊的现象。但最终还是需要用万用表对电路进行整体的检查，确保没有问题。（4）硬件部分完成后，开始软件设计。先将每个模块的功能代码编写好，然后再用main函数的去调用其他代码。编写代码时，需要理清整体流程，注意每个引脚连接的作用，防止出现错误。软件设计完成后，然后进行编译，看代码是否编译成功，成功的话，就可以进行程序烧录。最后逐项的测试每个模块的功能，看每个模块的功能是否能够实现。（5）最后，就是将所有模块的模块连贯起来，看整个防盗系统的功能是否实现。当发现有问题时，要找到相应的代码进行修改，不断的修改再测试，直到系统的所有功能连贯的运行。5.2硬件调试首先，要对每个硬件进行调试，检查硬件本身是否有问题。然后开始焊接在收集资料时，大多数文章都不建议用焊接的方式将LCD显示屏与电路直接连接，所以我通过排针和排母进行了LCD显示屏的电路连接，STM32单片机也用的同样的方式。将整个电路焊接好之后，要先检测连接的电路是否正确无误，所有模块是否能够正常使用，接着看系统能否正常调试。在焊接电路时，最基础的是要确定好元器件的正负极和接地的引脚，这样可以保证电路不会在通电时被烧毁。电路如果虚焊可能会出现断路或者短路的可能，电路还可能出现漏焊、虚焊的现象，所以我们需要用万用表检查电路是否有问题，防止带电路发生问题。在检测电路时，发现屏幕显示出来的字符与实际不符，所以使用万用表进行检测，发现显示屏的引脚有两个地方出现了虚焊，所以再次将虚焊的地方进行焊接。检测正常后，显示屏就可以显示正确的字符了，如图5-1所示。图5-1LCD1602正常显示经纬度5.3代码调试本防盗系统的编程语言选择的是C语言。C语言的优势很多，首先，C语言的应用范围广、编译方式简易，其次它的语法比较灵活，编写起来自由度大。在软件设计中，代码的整体逻辑关乎到设计出来的功能是否能够实现，系统是否能够正常运行。所以想要软件设计出来的整体框架不出错，就需要将主函数里的代码模块化，就是使用单独编写代码的方式把整个系统里的每个功能都分开编程。这样的话，各个模块都可以独立工作，当系统出问题时，也可以方便找出问题。进行模块化编程时，每编写完一个功能模块的代码，就需要就进行系统的模块调试，只有功能达到所需要求时，才能停止该模块的调试，进行下一个模块的编写。代码编写和调试的具体过程。首先调用所需的数据库，声明本地函数、变量和外部函数和变量。等待GSM模块注册成功，接着将所有模块进行初始化，然后设置LCD1602显示屏上显示经纬度的格式，最后就是编写一些判断函数、指令函数、最主要的是检查收到的命令，并执行命令内容的功能，在这块我调试了很久，通过查阅资料和不断修改，才实现的。在将所有模块化的程序整理到主函数时，因为逻辑不通，导致编译一直失败，最后从头到尾的理了几遍思路，开始不断的修改和完善代码，最终完成了软件程序的编写。5.4整体系统调试当软件与硬件完成自己对应的功能之后，就可以将软件设计的程序烧写到硬件设计中，再对系统进行整体的测试，如果能够实现所有的功能要求，就说明程序设计是成功的。通电后，所有模块先初始化，之后可以在显示屏看到正常且内容清晰的经纬度信息，所以GPS模块获取经纬度的功能正常，STM32单片机的功能也在正常运行，通过按键模块模拟电动车被盗状态，发现GSM模块可以发送预警短信和经纬度信息，所以短信的收发功能和按键模块也是正常的。由于GPS模块和GSM模块都对信号又较高的要求，所以在室内，效果并不理想，GPS模块启动后又需要较长时间才能获取经纬度，所以LCD1602模块需要一些时间才能显示出经纬度信息。起初由于室内信号过弱，GSM模块连接不上网络，注册不成功，实现不了GSM模块收发短信的功能。所以需要到室外或