基于STM32單片機(jī)的智能山地車安防系統(tǒng)*

張函侖,周 韻,楊 坤,汪越宇,趙 寧

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

基于STM32單片機(jī)的智能山地車安防系統(tǒng)*

張函侖,周 韻,楊 坤,汪越宇,趙 寧*

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

為了實現(xiàn)山地車的防盜及找回,以及針對人們?yōu)榱私鉀Q山地車在野外運(yùn)動時的安全問題,提出了一種基于STM32的智能山地車安防系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對硬件、軟件的設(shè)計建立了以STM32微處理器為控制核心、SIM5320E為數(shù)據(jù)傳輸模塊和OV7725為圖像傳感模塊的山地車安防系統(tǒng)。實現(xiàn)了山地車所在位置和現(xiàn)場圖像的遠(yuǎn)程傳輸,并有軟件顯示運(yùn)動軌跡和上位機(jī)再現(xiàn)圖像等功能。結(jié)果表明,本山地車安防系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,軌跡信息精確,回傳圖像清晰。

山地車安防系統(tǒng);軌跡顯示;圖像傳輸;Android;百度鷹眼;socket

在越來越提倡綠色、低碳生活的當(dāng)今社會,山地車這種交通工具在人們的出行方式占著越來越大的比重。同時,騎行這樣一種休閑方式也受著人們越來越高的關(guān)注。但是在陌生環(huán)境中,尤其是人煙稀少的野外,人們的出行常常伴隨著迷路的風(fēng)險,再加上電子設(shè)備的待機(jī)能力不夠,人們在野外迷路后可能會產(chǎn)生生命危險。與此同時,出于人們便于使用、便于搬運(yùn)的需求,如今山地車質(zhì)量越來越輕,這使車輛的盜竊問題日益惡化,在防范意識薄弱的大學(xué)校園尤其嚴(yán)重。大量自行車被盜去,并在黑市上出售,學(xué)生貪便宜再從黑市上買回,然后再次被盜,如此循環(huán)往復(fù),這對學(xué)生帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

為了解決上述問題,研制了基于STM32F103VET6的智能山地車安防系統(tǒng)。意法半導(dǎo)體推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的低成本、高性能微處理器STM32F103VET6,是低功耗的嵌入式處理器[2]。Cortex-M3內(nèi)核的控制器具有72 MHz的主頻,程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開,精確的串口中斷響應(yīng)可以快速地發(fā)送指令給SIM模塊,從而縮短時間損耗。

1 方案設(shè)計

山地車安防系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,主要由5個部分構(gòu)成,分別為:MCU模塊、SIM5320E通信模塊、攝像頭模塊、Android監(jiān)控軟件和服務(wù)器上位機(jī)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

在本系統(tǒng)中,山地車的移動距離超過規(guī)定距離150 m時,系統(tǒng)啟動報警,向用戶發(fā)送短信提醒山地車的被盜,用戶可以登錄手機(jī)上的Android APP來監(jiān)控山地車的位置信息并尋找到自己的山地車。用戶在戶外騎行時,其家長可以向SIM模塊發(fā)送短信來獲取此時用戶周圍的位置信息以及周邊環(huán)境的圖像信息。家長通過手機(jī)上的安卓程序來獲取位置信息,圖像信息則通過位于服務(wù)器上的上位機(jī)來獲取,而且用戶還可以把自己的位置信息發(fā)給家長。實現(xiàn)信息的相互性。

2 硬件設(shè)計

基于STM32的智能山地車安防系統(tǒng)的硬件由MCU模塊,攝像頭模塊以及SIM模塊組成。它們之間硬件連接框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MCU模塊

STM32F1系列芯片是意法半導(dǎo)體公司設(shè)計的常用的32 bit MCU,Cortex-M3內(nèi)核,運(yùn)算速度快,RAM和FLASH容量也比較大。價格便宜,很容易買到。

在本系統(tǒng)中選用STM32F103VET6芯片作為MCU,該款單片機(jī)有基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M內(nèi)核,CPU工作頻率可達(dá)72 MHz,同時具有一流的外設(shè):1 μs的雙12 bit ADC、5個4 Mbit/s的UART、3個18 Mbit/s的SPI、7通道的DMA控制器、80個可用的GPIO口和1個USB 2.0接口。在功耗和集成度方面也有不俗的表現(xiàn)。并且具有強(qiáng)大且豐富的庫函數(shù)、簡單的結(jié)構(gòu)、易用的工具以及強(qiáng)大的功能。在存儲方面,它有64 kbyte RAM,512 kbyte Flash,能滿足存儲圖像并傳輸?shù)墓δ?符合要求。

2.2 SIM模塊

在本系統(tǒng)中SIM模塊是整個系統(tǒng)的重要組成部分,它的選擇至關(guān)重要,因為本系統(tǒng)需要GPS定位,所以還要考慮GPS定位的精準(zhǔn)度的問題。

在本系統(tǒng)中,選擇SIM5320E為本系統(tǒng)的SIM模塊的主控芯片,SIM5320E是芯訊通公司推出的一款高性價比的WCDMA/HSDPA的芯片。它有可以支持UMTS/HSDPA 900 MHz/2 100 MHz和GSM/GPRS/EDGE 850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz,并且最高下行傳輸速率可以達(dá)到3.6 Mbit/s,最高上行傳輸速率可以達(dá)到384 kbit/s,能夠滿足系統(tǒng)傳輸圖片的要求。同時SIM5320E還內(nèi)置了GPS/AGPS定位芯片,其定位精度<2.5 m CEP。

2.3 攝像頭模塊

本系統(tǒng)選用OV7725攝像頭。OV7725是美國OminVision公司生產(chǎn)的一種光傳感器,它有標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口輸出,支持RAW RGB、RGB(GRB 4∶2∶2,RGB565/555/444)和YCbCr(4∶2∶2),支持VGA和QVGA大小圖片。

而本攝像頭模塊有30 W像素、640像素×480像素、M12鏡頭、F2.0光圈,95°視角等特性。因為STM32F103VET6的工作頻率為72 MHz不能夠跟上OV7725的傳輸速率,所以設(shè)計了在OV7725傳感器后再加上FIFO存儲器,能夠讓STM32F103VET6順利的采集到圖像。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計是實現(xiàn)功能的根本,本軟件設(shè)計主要分為3個部分,分別是MCU軟件設(shè)計、Android APP的開發(fā)和服務(wù)器上位機(jī)的開發(fā)。

3.1 MCU軟件設(shè)計

MCU的軟件設(shè)計以控制SIM模塊和處理攝像頭數(shù)據(jù)為根本,采用循環(huán)運(yùn)行的策略進(jìn)行設(shè)計。MCU軟件細(xì)分的實現(xiàn)在STM32F103內(nèi)部實現(xiàn),軟件細(xì)分的控制流程如圖3所示。其中GPS信息處理以及攝像頭圖像處理為其中的難點。

圖3 MCU軟件流程圖

3.1.1 GPS信息處理

在本智能山地車安防系統(tǒng)中,GPS信息的獲取與處理是一個非常重要的工作,整個系統(tǒng)的工作有一半圍繞它來進(jìn)行的。所以對于GPS信息的準(zhǔn)確性以及精度要求很高。

SIM模塊通過串口通信和STM32來進(jìn)行通信,它們的之間通信的格式為:波特率為115 200,數(shù)據(jù)為8位,一位停止位,無奇偶校驗位。通過AT指令來獲取SIM5320E的GPS數(shù)據(jù)時,獲得GPS信息的格式如下:

+CGPSINFO:[],[N/S],[],[],[],[],[],[]

當(dāng)然它并不是系統(tǒng)需要的信息的格式。而且它的GPS信息是度分秒的格式且是字符型,還需要將分秒轉(zhuǎn)化成小數(shù),才是系統(tǒng)需要的信息。利用了STM32強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,將經(jīng)緯度信息強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化成double型,再轉(zhuǎn)化成小數(shù)后,最后在強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化成字符型[3-4]。

3.1.2 攝像頭圖像處理

攝像頭的圖像處理也是很關(guān)鍵的,在本系統(tǒng)中攝像頭模塊采用OV7725攝像頭和FIFO相連接的構(gòu)成的。

攝像頭數(shù)據(jù)主要包括場信號數(shù)據(jù)、時鐘數(shù)據(jù)和D0-D7的圖像信息數(shù)據(jù)。在檢測到場中斷的情況下,系統(tǒng)從FIFO中讀出一個數(shù)據(jù)類型為uint_16的RGB565數(shù)據(jù)。但是STM32庫函數(shù)中UART發(fā)送函數(shù)一次只能傳輸一個uint_8類型的數(shù)據(jù),同時上位機(jī)不好直接識別uint_8類型的數(shù)據(jù),需要將一個uint_16的RGB565數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4個char類型的數(shù)據(jù)。核心代碼如下:

VSYNC_Init( );//場信號線初始化

Ov7725_vsync=0;

if(Ov7725_vsync==2)

{

FIFO_PREPARE;

for(i=0;i<120;i++)

{

for(j=0;j<120;j++)

{

READ_FIFO_PIXEL(Camera_Data);//讀取RGB565數(shù)據(jù)到Camera_Data

change_int_16(a1,a2,a3,a4,Camera_Data);//Camera_Data轉(zhuǎn)化成4個char類型數(shù)據(jù)

}

}

Ov7725_vsync=0;

}

3.2 Android APP軟件設(shè)計

Android是源于Linux,使用了Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng),是Google公司在2007年公布的手機(jī)操作系統(tǒng)[5]。Android的運(yùn)行環(huán)境為虛擬機(jī)技術(shù)——Dalvik,在執(zhí)行的時候每一個應(yīng)用程序都有一個虛擬機(jī)實例。Android APP通常用Java語言編寫,經(jīng)過編譯后會生成一個APK包,目前Android APP的開發(fā)工具主要有eclipse和Android Studio[6-7]。

百度地圖API是一套應(yīng)用程序接口,通過地圖服務(wù)應(yīng)用接口將平臺和地理信息數(shù)據(jù)捆綁,將地圖邏輯進(jìn)行封裝,以一種直觀的方式提供給用戶,從地圖服務(wù)和開發(fā)兩個層面降低了地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用門檻。包括JavaScript API、Web 服務(wù)[8]。

AndroidAPP的開發(fā)基于百度地圖API的鷹眼軌跡服務(wù)。軟件運(yùn)用了鷹眼軌跡中的Android SDK,它是一套基于Android 2.1及以上版本設(shè)備的應(yīng)用程序接口,可以通過該接口實現(xiàn)軌跡追蹤[9]。安卓程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

在PasswordActivity的輸入用戶名和密碼進(jìn)入MainActivity,最后通queryHistoryTrack方法來實現(xiàn)軌跡的顯示。

圖4 Android APP的結(jié)構(gòu)框圖

圖5 上位機(jī)構(gòu)成結(jié)構(gòu)框圖

3.3 服務(wù)器上位機(jī)的軟件設(shè)計

軟件通過Visual Studio的MFC編程方式實現(xiàn),是一個基于對話框的項目[10]。通過socket實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的交互[11],其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

先通過gethostname( )函數(shù)獲得主機(jī)名,再通過gethostbyname( )函數(shù)獲得主機(jī)結(jié)構(gòu),繼而訪問其成員得到綁定本機(jī)IP地址。之后在線程函數(shù)server_thd( )中,先獲取活動主窗口指針,然后獲取已填入的用戶自建端口號,如未填則提醒“請輸入端口號”。之后創(chuàng)建socket,創(chuàng)建監(jiān)聽,之后綁定端口并開始監(jiān)聽[12]。當(dāng)接收到連接請求后,連接。當(dāng)res≠-1,開始接收數(shù)據(jù)。

如果接收到的數(shù)據(jù)為“begin”,開始接收圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)為120×120像素點,接收格式為一行30個像素,轉(zhuǎn)換成字符為120個字符,共480行。存入二維數(shù)組之后用change( )函數(shù)將字符所對應(yīng)ASCⅡ碼轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制對應(yīng)數(shù),并存入一個新short型數(shù)組,之后將二維數(shù)組轉(zhuǎn)為一位數(shù)組,方便重新整理數(shù)據(jù)。將一維數(shù)組中的數(shù)據(jù)通過移位拼接,重新形成一個像素點所對應(yīng)的16位二進(jìn)制數(shù)。

之后通過類成員函數(shù)readRGB( ),通過左右移得到RGB565所對應(yīng)的RGB值并存入RGB類成員中[13]。再由changeRGB( )對RGB信息進(jìn)行補(bǔ)償

最后由窗口句柄,通過繪制CDC類中像素點繪制SetPixel( )函數(shù),在指定位置根據(jù)類中信息繪制圖像。核心代碼如下:

gethostname(name,sizeof(name));//獲得主機(jī)名

pHost=gethostbyname(name);//獲得主機(jī)結(jié)構(gòu)

IP=inet_ntoa(*(structin_addr*)pHost->h_addr_list[0]);//獲取主機(jī)ip地址

showmsg_edit->SetWindowText("綁定IP地址:"+IP);

void RGB565::readRGB(short a);

void RGB565::changeRGB(RGB565 a);

SetPixel( );

4 實驗與結(jié)果分析

本系統(tǒng)的功能主要分為3部分,分別為防盜、回傳圖像信息和回傳位置信息給指定手機(jī)。

4.1 防盜實驗

實驗中,將本系統(tǒng)放到山地車上進(jìn)行實驗,設(shè)定山地車在按鍵按下后距離原點150 m,即為山地車被盜。用手機(jī)察看是否接受到被盜的短信,以及Android app上山地車的軌跡信息。經(jīng)測試后系統(tǒng)自動給車主發(fā)送的短信如圖6所示,Android app的界面信息如圖7所示。觀察實驗結(jié)果,在實驗中山地車的基本軌跡信息如圖7所示,在誤差允許范圍內(nèi)符合基本要求。

4.2 回傳圖像信息實驗

在實驗中,為了方便將本系統(tǒng)放在作者書桌上進(jìn)行實驗。上位機(jī)位于作者電腦上,上位機(jī)的監(jiān)聽端口設(shè)置為:12345。按下K2鍵,等待系統(tǒng)將圖像信息傳輸?shù)椒?wù)器的上位機(jī)上。上位機(jī)的截圖信息如圖8所示。另外,為了方便對比,圖9為MCU自帶的液晶上顯示的圖像信息。通過對比發(fā)現(xiàn),上位機(jī)能基本上還原基本的圖像信息,能滿足辨別周圍信息的要求。

圖6 短信信息

圖7 Android app界面

圖8 上位機(jī)接受圖片

圖9 系統(tǒng)液晶顯示圖像

4.3 回傳位置信息實驗

實驗中,將本系統(tǒng)放到山地車上進(jìn)行實驗。利用手機(jī)給SIM5320E發(fā)送指定的短信和接受系統(tǒng)返回的百度地圖API短信鏈接。手機(jī)發(fā)送“GPS”給SIM5320E后,接受到的短信回復(fù)如圖10所示。

圖10 接受位置信息截圖

統(tǒng)計100次查詢指令操作的耗時長度(由發(fā)送短信時間、指令判斷時間、GPS信息獲取時間,返回百度地圖API鏈接短信時間3部分組成)。經(jīng)測試,從發(fā)出查詢短信到系統(tǒng)返回位置信息的時間平均耗時為25.28 s,其中最短的查詢時間為20 s,如表1所示。實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)工作的可靠性和實時性。

表1 測試響應(yīng)時間

5 結(jié)束語

為了應(yīng)對目前山地車丟失以及戶外安全問題,在進(jìn)行模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上,提出了一種基于STM32F103為核心的智能山地車安防系統(tǒng)。本實驗表明,該系統(tǒng)彌補(bǔ)了現(xiàn)有防盜系統(tǒng)不能及時提醒車主山地車被盜的局限性,而且Android APP上能時刻追蹤山地車的GPS信息,讓人更加的清楚明了,以及可以主動獲取山地車周圍的圖像信息,讓系統(tǒng)具有及時準(zhǔn)確和直觀方面等特點。

[1] 田光偉,馬玉琪,鄭衛(wèi)剛. 基于“一卡通”的校園自行車防盜管理系統(tǒng)[J]. 電子世界,2013,17:22.

[2] 張慶輝,馬延立. STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012(9):23-25,32.

[3] 簡潔. 電動自行車防盜監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)用程序設(shè)計[D]. 北京:電子科技大學(xué),2015.

[4] 徐云. 低成本電動自行車防盜跟蹤監(jiān)控模塊設(shè)計[D]. 北京:電子科技大學(xué),2015.

[5] 曹曉芳,王超,李杰. 一種基于Android智能手機(jī)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的設(shè)計[J]. 電子器件,2011,34(6):709-712.

[6] 孫明星,孫嬌. Android智能穿戴設(shè)備開發(fā)從入門到精通[M]. 北京:中國鐵道出版社,2014:29-47.

[7] 鄭偉. 基于Android的百度地圖車輛定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué),2014.

[8] 杜傳明. 百度地圖API在小型地理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 測繪與空間地理信息,2011(2):152-153,156.

[9] Jun Zeng,Minbo Li,Jia Liang. An Anti-Theft Electric Bicycle Tracking System Supporting Large-Scale Users[J]. 2014 International Conference on Identification,Information and Knowledge in the Internet of Things.

[10] 王飛. MFC研究[J]. 硅谷,2011(16):83-84.

[11] 王志偉,錢承山,李俊. 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能移動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子器件,2013,36(6):876-880.

[12] 陳雅靜. 基于Socket網(wǎng)絡(luò)編程的遠(yuǎn)程物流防偽系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程,2013(1):153-156.

[13] 楊光耀. 基于FPGA的圖像采集及處理系統(tǒng)設(shè)計[D]. 呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué),2014.

Smart Security and Protection System of the Mountain Bike Based on STM32 Microprocessor*

ZHANGHanlun,ZHOUYun,YANGKun,WANGYueyu,ZHAONing*

(College of Electronic Science and Engineering,Southeast Uinversity,Nanjing 211189,China)

In order to achieve mountain bike’s anti-theft and recovered,and the problems for the people to solve security problems in outdoor sports of mountain bike,the proposed intelligent security system of mountain bike is based on STM32. Through the system hardware and software design the STM32 microprocessor was established as control core,SIM5320E as data transmission module and OV7725 as image sensor module of the MTB security system. The remote transmission of the location of the mountain bike and its scene images,and the software and PC can display trajectory reproducing images and other functions. The results show that the mountain bike security system is stable,trajectory information is precise,the returning image is clear.

MTB security systems;track display;image transmission;Android;Baidu Hawkeye;socket

項目來源:江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項目(PPZY2015B136)

2016-04-25 修改日期:2016-05-17

U484

A

1005-9490(2017)03-0676-06

C:6140;6430H

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.032