基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電動(dòng)自行車(chē)防盜追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

柯 鋼

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系 東莞 523808）

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人民環(huán)保意識(shí)的提高，環(huán)保價(jià)廉、方便快捷的電動(dòng)自行車(chē)成為人們短途出行的常用交通工具。伴隨著電動(dòng)自行車(chē)的日益增多，與其相關(guān)的被盜問(wèn)題也日益嚴(yán)重。以往的電動(dòng)自行車(chē)是采用聲光電報(bào)警的方式來(lái)進(jìn)行防盜，一旦將電動(dòng)自行車(chē)的電源掐斷，報(bào)警功能就會(huì)失效。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多電動(dòng)自行車(chē)采用電機(jī)鎖來(lái)進(jìn)行防盜，電機(jī)鎖是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)把電動(dòng)自行車(chē)的電機(jī)鎖死，電機(jī)鎖的安裝位置一般比較隱蔽，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)上鎖和解鎖比較麻煩，而且它也不能解決電動(dòng)自行車(chē)被盜后的追蹤問(wèn)題［1～2］。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電動(dòng)自行車(chē)防盜追蹤系統(tǒng)，通過(guò)傳感器、BDS定位技術(shù)以及GSM通信技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)自行車(chē)是否發(fā)生人為搬移、盜竊或拆解等問(wèn)題，一旦發(fā)生，及時(shí)報(bào)警通知用戶，并將電動(dòng)自行車(chē)的移動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)上傳至車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)，供用戶定位追蹤，大大降低了電動(dòng)自行車(chē)的被盜幾率，同時(shí)還能對(duì)被盜自行車(chē)進(jìn)行追蹤，提高被追回的幾率。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 BDS技術(shù)

BDS（BeiDou Navigation Satellite System）的全稱為中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它是繼美國(guó)GPS全球定位系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS之后的第三個(gè)成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航星座、地面控制系統(tǒng)和用戶導(dǎo)航定位終端組成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［3］。該系統(tǒng)以導(dǎo)航衛(wèi)星為基準(zhǔn)點(diǎn)，用戶終端接收導(dǎo)航衛(wèi)星傳來(lái)的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)可以計(jì)算出用戶到導(dǎo)航衛(wèi)星間的距離，再查詢導(dǎo)航衛(wèi)星在每一個(gè)時(shí)刻的速度和位置，從而得到用戶當(dāng)前的位置和速度。

2.2 GSM系統(tǒng)

GSM（Global System For Mobile Communication）全稱為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用時(shí)分多址技術(shù)，它由移動(dòng)臺(tái)、基站系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換系統(tǒng)和操作維護(hù)系統(tǒng)4個(gè)部分組成，并且擁有GPRS數(shù)據(jù)通信服務(wù)和短信息服務(wù)。GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它采用分組交換技術(shù)，可以讓多個(gè)用戶共享信道資源，大大提高了傳輸速率［4～5］。短信息服務(wù)（Short Message Service，SMS）是GSM系統(tǒng)中提供的一種GSM終端之間，通過(guò)短信息中心進(jìn)行文本信息收發(fā)的應(yīng)用服務(wù)。它優(yōu)勢(shì)是不需要建立端對(duì)端的連接，與其他的業(yè)務(wù)如通話、數(shù)據(jù)傳輸不存在沖突，可以同時(shí)進(jìn)行［6］。

2.3 傳感器技術(shù)

傳感器是一種能把物理量、化學(xué)量或生物量轉(zhuǎn)變成便于傳輸和處理的電信號(hào)的測(cè)量器件，它通常由傳感元件、敏感元件、測(cè)量電路和輔助電源四部分組成。根據(jù)輸入的物理量傳感器可以分為：位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、速度傳感器、溫度傳感器及氣敏傳感器等。其中，振動(dòng)傳感器是目前廣泛應(yīng)用的一種報(bào)警檢測(cè)傳感器，它內(nèi)部用壓電陶瓷片加彈簧重錘結(jié)構(gòu)檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)LM358等運(yùn)放放大并輸出控制信號(hào)［7］。

2.4 百度地圖API

百度地圖 API（Application Programming Inter?face，應(yīng)用程序接口）是百度公司為開(kāi)發(fā)者免費(fèi)提供的一套基于百度地圖服務(wù)的應(yīng)用程序接口，包括面向網(wǎng)頁(yè)地圖應(yīng)用的JavaScript API、面向手機(jī)應(yīng)用的Android SDK、IOS SDK、定位SDK等多種版本［8～9］。百度地圖JavaScript API全部用Javascript語(yǔ)言編寫(xiě)，可以給用戶提供地圖基本功能的各種接口。用戶在設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要在網(wǎng)頁(yè)代碼中插入調(diào)用百度API接口的代碼，就能在瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)在容器中自動(dòng)嵌入地圖并對(duì)其進(jìn)行操作。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)自行車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且不斷地向車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)服務(wù)器上傳歷史GPS位置信息。當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)發(fā)生盜竊行為時(shí)，電動(dòng)自行車(chē)防盜終端系統(tǒng)做出反應(yīng)，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)給用戶發(fā)送報(bào)警短信，同時(shí)用戶可以登錄車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)，通過(guò)GPS數(shù)據(jù)查詢電動(dòng)自行車(chē)的當(dāng)前位置和運(yùn)行軌跡等信息。系統(tǒng)主要由防盜終端系統(tǒng)，車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)組成。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

防盜終端系統(tǒng)包含傳感器、BDS定位模塊和GSM通信模塊等。防盜終端系統(tǒng)通過(guò)BDS定位模塊接收到BDS定位信息，解析出車(chē)輛的定位信息，再通過(guò)GSM通信模塊，發(fā)送給預(yù)先設(shè)定的固定IP地址、固定端口號(hào)的車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)。當(dāng)防盜終端系統(tǒng)的傳感器檢測(cè)到車(chē)輛發(fā)生振動(dòng)或電瓶掉電時(shí)，通過(guò)GSM通信模塊，給用戶發(fā)送短信報(bào)警。

車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)負(fù)責(zé)接收防盜終端設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的定位信息并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)對(duì)用戶的查詢請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)。用戶使用瀏覽器訪問(wèn)車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)，可以查詢車(chē)輛當(dāng)前的位置信息和運(yùn)行軌跡，并且通過(guò)調(diào)用百度地圖API接口將位置信息和運(yùn)行軌跡標(biāo)注在百度地圖上。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

4 防盜終端系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

防盜終端系統(tǒng)硬件架構(gòu)包括傳感器模塊、BDS定位模塊、GSM通信模塊、中央控制單元四部分，系統(tǒng)中各硬件子系統(tǒng)連接情況如圖2所示。

圖2 防盜終端系統(tǒng)硬件架構(gòu)

如圖2所示，GSM通信模塊、BDS定位模塊及傳感器模塊分別與中央處理單元相連接，當(dāng)傳感器模塊檢測(cè)到車(chē)輛發(fā)生振動(dòng)時(shí)，中央處理單元通過(guò)GSM通信模塊及時(shí)向用戶發(fā)送短信報(bào)警，并實(shí)時(shí)上傳BDS定位數(shù)據(jù)。

4.1 北斗定位模塊的設(shè)計(jì)

北斗定位模塊用于接收北斗衛(wèi)星的定位信號(hào)，并計(jì)算出電動(dòng)自行車(chē)所在的位置。該模塊選用北京和芯星通公司研制的GPS/BD雙模衛(wèi)星定位芯片UM220，它具有尺寸小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。UM220模塊可以同時(shí)支持GPS L1和BD2 B1兩個(gè)頻點(diǎn)，用戶可以選擇GPS和北斗之一進(jìn)行定位［10～11］，本模塊選擇北斗進(jìn)行定位。

UM220模塊主要由RF前端、數(shù)字中頻濾波、微處理器、存儲(chǔ)芯片等組成，其模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。UM220模塊通電完成初始自檢后，通過(guò)天線接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)放大、過(guò)濾等處理后，對(duì)其視界內(nèi)幾何位置最佳的4顆衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤，計(jì)算出信號(hào)從衛(wèi)星到天線的傳播時(shí)間，解譯出北斗衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，最后由串口輸出NMEA-0183數(shù)據(jù)。

圖3 UM220模塊圖

4.2 GSM通信模塊的設(shè)計(jì)

GSM通信模塊負(fù)責(zé)發(fā)送報(bào)警短信和上傳北斗定位信息。該模塊采用展訊公司的SC6500D，它能夠?qū)崿F(xiàn)GSM和GPRS功能，提供UART、SIM卡、ADC接口等，支持AT命令集。SC6500D的UART端口為四線制，其中UART1用作GPRS數(shù)據(jù)傳送，UART0用作AT命令傳送。當(dāng)系統(tǒng)需要上傳北斗定位信息時(shí)，首先對(duì)GPRS進(jìn)行波特率、網(wǎng)關(guān)等設(shè)置，再通過(guò)中央處理單元的串口1發(fā)送AT+IP?SEND=n，然后將需要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)換為16機(jī)制ASCII碼從串口1發(fā)送。當(dāng)系統(tǒng)需要發(fā)送報(bào)警短信時(shí)，系統(tǒng)會(huì)利用ATD指令和預(yù)存在EEPROM中的用戶手機(jī)號(hào)來(lái)給用戶發(fā)送報(bào)警短信［12］。

4.3 傳感器模塊的設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)震動(dòng)檢測(cè)功能，本系統(tǒng)采用SW1080P振動(dòng)檢測(cè)傳感器，當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)發(fā)生震動(dòng)時(shí)，使得傳感器輸出高電平。經(jīng)比較器通過(guò)與基準(zhǔn)電壓比較后，比較器輸出低電平至中央控制單元。當(dāng)中央控制單元檢測(cè)到下降沿時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷子程序，進(jìn)而完成相應(yīng)震動(dòng)報(bào)警功能［13］。

如圖4所示，當(dāng)接收到車(chē)輛的震動(dòng)量超過(guò)門(mén)限時(shí)，中央控制單元可以監(jiān)測(cè)到比較器輸出的低電平，然后通過(guò)R14、R15調(diào)節(jié)檢測(cè)震動(dòng)量的靈敏度。

4.4 中央處理單元模塊的設(shè)計(jì)

中央控制單元（MCU）模塊通過(guò)指令和自動(dòng)檢測(cè)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳等功能，該模塊采用宏晶公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)，其有通用I/O口36個(gè)，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器60K，指令執(zhí)行速度是傳統(tǒng)8051的8～12 倍［14］。

圖4 傳感器模塊的電路圖

MCU的串口1和GSM模塊相連，系統(tǒng)所有的外部指令信息通過(guò)串口1傳送給MCU進(jìn)行處理。MCU的串口2與GPS模塊的UART串口相連，北斗定位模塊不停地接收北斗衛(wèi)星的定位信息，并將其發(fā)送給MCU的串口2，觸發(fā)單片機(jī)的接收中斷，MCU對(duì)定位信息進(jìn)行解碼處理［15］。

5 車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

5.1 車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)功能模塊

車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)用于用戶登錄，查詢車(chē)輛位置信息和歷史軌跡，并且在百度地圖上直觀地顯示出來(lái)。它主要由車(chē)輛管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史記錄和用戶管理4個(gè)模塊構(gòu)成，如圖5所示。

1）車(chē)輛管理模塊負(fù)責(zé)增加、修改和刪除系統(tǒng)監(jiān)控的車(chē)輛信息。該模塊允許具有管理員權(quán)限的用戶操作，普通權(quán)限的用戶只能查看監(jiān)控車(chē)輛的信息。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置，并標(biāo)注在百度地圖上。

3）歷史記錄模塊負(fù)責(zé)查詢車(chē)輛的歷史軌跡信息，并標(biāo)注在百度地圖上。

4）用戶管理模塊負(fù)責(zé)訪問(wèn)用戶的注冊(cè)、修改、注銷(xiāo)操作，同時(shí)給用戶分配不同的權(quán)限。

圖5 系統(tǒng)功能模塊圖

5.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中存在3張主要的表：用戶信息表，車(chē)輛信息表，北斗定位信息表。

1）用戶信息表主要是保存用戶的一些信息，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如表1所示；

表1 用戶信息表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

2）車(chē)輛信息表主要是保存車(chē)輛的信息，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示；

表2 車(chē)輛信息表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

3）北斗定位信息表主要是保存北斗定位的信息，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 北斗定位信息表存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電動(dòng)自行車(chē)防盜追蹤系統(tǒng)，通過(guò)傳感器、BDS定位技術(shù)以及GSM通信技術(shù)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生車(chē)輛被盜時(shí)，系統(tǒng)給用戶發(fā)送報(bào)警短信，用戶可以登陸車(chē)輛監(jiān)控管理平臺(tái)對(duì)被盜車(chē)輛進(jìn)行定位追蹤，大大降低了電動(dòng)自行車(chē)的被盜幾率。