运用NB-IOT 技术的电动车智能防盗报警系统设计

2021-04-11徐光洪李佳怡张雪琪

宁德师范学院学报(自然科学版) 2021年1期

徐光洪，谭巧，李佳怡，张雪琪，张敏，吴翔

（闽江学院计算机与控制工程学院，福建福州 350108）

电动车因方便、快捷而成为通用交通工具.2019 年，中国的电动车保有量达到3 亿辆.然而，全国各地电动车被盗的报道层出不穷，据不完全统计，每年约1/6 的电动车被盗，特别是电瓶，给人们生活造成很大影响.因此，电动车的防盗就变得尤为重要[1].

现有电动车的防盜方式主要有两种:1)RFID 电子标签定位防盜[2].给每一辆电动车都装上RFID 电子标签，由基站读取标签的数据，根据数据判断该车辆是否为备案已丢失车辆.此方法对电动车的管理能力有所提升，但存在标签装置易拆除、定位不精确、基站信号不能完全覆盖等问题；2)遥控防盜报警器[3-5].遥控防盜报警器是目前市场上主流的报警器，灵敏度较高，报警声响较大，但有效报警范围只有几百米，且可能误报警，例如遇到行人或其他车辆经过、刮风、下雨、打雷等.

针对目前电动车防盗存在的问题，本设计在传统防盗技术的基础上，采用STM32 单片机、GPS 模块、姿态传感器（三轴加速度和三轴陀螺仪）和压力传感器相结合[6-9]，实时获取电动车所处位置、运动状态、静止情况以及坐垫受压变化等信息，并应用NB-IOT 联网技术与手机端APP 相连，可以实现电动车倾斜或倒地、车被移动、坐垫被放重物或破坏、电瓶掉电（被盗）报警和电动车位置追踪等功能.报警方式由用户在手机APP 端自定义设置.本设计能够改善电动车易被盗的现状，具有广阔的应用前景.

1 系统总体设计

基于NB-IOT 的电动车智能防盗报警系统主要由三大部分组成：安装在电动车上的NB-IOT 感应报警装置、网络平台的数据管理服务器和手机端APP 软件.系统结构如图1.

系统总体设计任务：1）电动车实时信息采集.通过图1 所示的NB-IOT 感应报警装置实时收集传感器的信息，按需求将信息上报至数据管理服务器；2）用户端手机APP 实时响应或查看.电动车信息将由服务器推送到手机APP，若为异常信息，由手机APP 以使用者自定义方式报警（声音、震动、弹窗）；触发报警时，如果是本人操作，可以一键确认，消除警报，除非本人再次按下开启报警模式；手机APP 查看电动车的传感器信息，自动发送命令到报警装置，报警装置将信息发到服务器，由手机APP 获取并显示；3）电动车追踪：手机APP 地图具有追踪功能，若电动车被盗，将会锁定其位置，地图视角跟随其移动，方便用户快速找到被盗车辆.

图1 整体结构框图

2 NB-IOT 感应报警装置设计

为实现对电动车位置信息、坐垫压力和车身状态的数据采集，NB-IOT 感应报警装置包括：STM32单片机、GPS 模块、集成天线、带有NB 卡的NB-IOT 模块、压力传感器、三轴姿态传感器（感应重力和加速度）和电源.系统硬件结构图如图2.

图2 系统硬件结构图

2.1 核心组件的选取

2.1.1 控制芯片的选择考虑到单片机程序经编译出的可执行文件达到22 KB，接收传感器数据需要额外的空间，且所接外设至少需要12 个引脚.因此选用STM32F103 芯片，它具有72 MHz 的CPU 速度和高达1 MB 的闪存，且具有低功率、低电压、实时功能佳、价格低等优点.

2.1.2 传感器的选择在非静止状态下，电动车平衡状态易改变，主要体现在重心以及加速度.而当其处于静止状态时，依然会发生坐垫被放重物或者破坏、电瓶被盗等事件.结合传感器的灵敏度及实用性，采用MPU6050 传感器检测加速度及重力；选用FSR 贴片型压力传感器保护电动车的坐垫，不会影响坐垫形态且不易损坏，并使用一个独立IO 口对电瓶进行监控.为了能给用户提供电动车的实时位置信息，选用高灵敏度、低功耗、低成本的ATGM332D-5N 系列GPS 模块.

2.1.3 联网功能的选择本设计中，用户在手机端即可获知电动车情况，NB-IOT 感应报警装置需要将数据上报到数据服务器，故联网功能必不可少.由于电动车是在室外使用的，不适合采用WIFI，基于物联网的NB-IOT 模块是最佳选择.BC26 芯片支持全球频段，价格适中，满足本文报警装置的设计要求.

2.1.4 电源模块的设计与选择若电动车的电瓶被盗，供电电源被切断.为保证报警装置工作的可靠性，在电瓶被盗情况下也能将报警信息发到手机APP 提醒用户，需要增加备用电源，采用双电源供电模式，如图3.双电源模块主要由电瓶、内置电源、继电器、降压稳压模块和NB-IOT 感应报警装置供电接口组成.

图3 双电源供电模式

正常状态下，电瓶提供电能使系统运行，继电器有电流通过，保持断开，备用电源不工作.当电瓶丢失时，继电器无电流通过使其闭合，备用电源向报警装置供电，单片机与电源相连的一个IO 口将会感知到电瓶的电压变化，发送报警信息到服务器，再由服务器推送至手机APP 发出报警信号.

2.2 报警装置的连接设计与一体化封装

为实现电动车信息的全方位采集，采用单片机的2 个串口（GPS 和NB-IOT）、一个IIC 接口（MPU6050）、ADC 通道（压力传感器），将各模块连接，通过电源接口为各模块供电，具体接线方式如图4.

NB-IOT 感应报警装置安装在电动车上，需要具有高稳定性、易安装和防拆解等特点，故对其进行一体化封装设计.报警装置一体化封装设计如图5 所示.

图4 报警装置内部接线方式

图5 报警装置一体化封装设计

该装置控制在50 mm×50 mm×20 mm 范围内，提供6 条线作为外部接口（电源正、负极各一条，一条控制声音报警，其余三条分别是压力传感器的电源正、负极和压力数据线）.该装置可放入电池盒内部，也可固定在电动车的任何位置.若偷盗者想要拆卸此装置，也会触发报警.

3 系统软件设计

系统软件包括三部分：NB-IOT 感应报警装置的单片机程序、网络数据服务器和手机端APP.软件功能设计如图6.

图6 系统软件功能设计

物联网协议主要有COAP 和MQTT.COAP 需要较多的资源和带宽保障安全性，在资源较少的终端和极有限的带宽下，可能运行受阻.而MQTT 协议是专为受限设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计，非常适合处于运动状态的设备.且MQTT 还有“最后的遗嘱”功能，服务器在规定时间（keeplive）内未收到来自模块的心跳信息时会自动推送报警信息到手机APP，可有效防止发生报警装置异常掉电或者遭到不可抗力的破坏而用户无法得知的情况.因此，本设计在对接NB-IOT 感应报警装置时采用MQTT 协议[10].

应用层协议有SMTP（邮件传输协议）、FTP（文件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）等.手机APP 使用HTTP 协议与服务器进行交互，由APP 主动发起一个HTTP 请求到服务器指定端口，服务器在收到请求后，根据请求类型执行查询数据库、寻找文件等相应操作，返回响应内容（文本、图片等），一次交互结束就与服务器断开连接，可防止因连接数过多而令服务器崩溃，且其中的POST 请求方法保证了信息的安全性.

3.1 单片机程序设计

单片机的程序设计包括：初始化和稳定运行（使用）两部分.初始化在电源正常连接的基础上，检测NB-IOT 感应报警装置的每个传感器连接是否正常，正常方可投入使用.使用过程是单片机通过检测电源和各传感器的数据判断电动车的安全状态.

为达到及时、智能、稳定的运行要求，且考虑到物联网NB 卡一年流量有限，当传感器数据正常时，不上报数据；出现数据异常或用户通过手机APP 查看（发送指令）时上报数据.这种设计方式，便于用户及时了解电动车的信息，同时解决NB 卡流量使用达到上限，不能继续工作的弊端.具体实现过程如图7.

3.2 数据服务器设计

数据服务器的功能主要有：用户信息存取、NB-IOT 感应报警装置与手机APP 数据中转（包括报警信息的推送）.因此需要两个监听端口，一个为用户通过手机APP 进行个人相关信息存取操作提供安全服务，另一个转发来自于NB-IOT 感应报警装置和手机APP 的数据.程序流程如图8.

图7 单片机程序流程图

图8 服务器程序流程

3.3 手机APP 设计

手机APP 中使用了两种通信协议分别访问服务器的两个端口：MQTT 协议用于后台接收报警信息、用户操作时（设置报警方式、获取电动车的传感器和位置信息、追踪电动车）发送控制指令；HTTP 用于用户注册、登录、个人信息的查看和修改.

4 测试与结果分析

本系统采用STM32F103 开发板进行测试，测试实验装置如图9.测试时，借助NB-IOT 模块的串口调试软件QCOM 查看调试信息，QCOM 对串口返回的每一条信息都显示了当前时间，方便记录报警装置的反应时间，并进行程序优化.

图9 测试实验装置图

配合APP 掌握电动车信息的不同需要，单片机程序共设计了4 种工作模式，分别是：保护（读取传感器值、异常自动上报）、非保护模式（不做任何操作、仅响应来自手机APP 的命令）、获取电动车当前信息（单次获取压力数据、姿态传感器数据、GPS 数据）、追踪（连续获取位置信息）.手机APP 还可以设置电动车声音报警及控制临时开启报警声音，单片机将收到命令直接执行.

经过一系列优化调整，对每个功能进行测试.由测试结果可以看出，电动车的报警反应延时为200 ms 左右，命令响应为300 ms 左右，此系统完全符合设计需求.